Devět procesů přesného tvarování zirkonové keramiky

Devět procesů přesného tvarování zirkonové keramiky
Proces lisování hraje spojovací roli v celém procesu přípravy keramických materiálů a je klíčem k zajištění spolehlivosti výkonu a opakovatelnosti výroby keramických materiálů a součástí.
S rozvojem společnosti tradiční metody ručního hnětení, tváření na kolečkách, spárování atd. tradiční keramiky již nemohou uspokojovat potřeby moderní společnosti v oblasti výroby a zušlechťování, a proto se zrodil nový proces tváření. Jemné keramické materiály ZrO2 se široce používají v následujících 9 typech procesů tváření (2 typy suchých metod a 7 typů mokrých metod):

1. Suché tváření

1.1 Suché lisování

Suché lisování využívá tlak k vtlačení keramického prášku do určitého tvaru tělesa. Jeho podstatou je, že působením vnější síly se částice prášku ve formě k sobě přibližují a vnitřním třením se pevně spojují, aby si udržely určitý tvar. Hlavní vadou suchých lisovaných surových těles je odlupování, které je způsobeno vnitřním třením mezi prášky a třením mezi prášky a stěnou formy, což vede ke ztrátě tlaku uvnitř tělesa.

Výhody suchého lisování spočívají v přesnosti rozměrů surového tělesa, jednoduché obsluhě a snadné realizaci mechanizovaného provozu; obsah vlhkosti a pojiva v surovém suchém lisování je menší a smrštění při sušení a vypalování je malé. Používá se hlavně k výrobě výrobků s jednoduchými tvary a malým poměrem stran. Nevýhodou suchého lisování jsou zvýšené výrobní náklady způsobené opotřebením formy.

1.2 Izostatické lisování

Izostatické lisování je speciální metoda tváření vyvinutá na základě tradičního suchého lisování. Využívá přenos tlaku kapaliny k rovnoměrnému působení tlaku na prášek uvnitř elastické formy ze všech směrů. Díky konzistenci vnitřního tlaku kapaliny je prášek vystaven stejnému tlaku ve všech směrech, takže se lze vyhnout rozdílům v hustotě surového tělesa.

Izostatické lisování se dělí na izostatické lisování v mokrých pytlích a izostatické lisování v suchých pytlích. Izostatické lisování v mokrých pytlích může vytvářet výrobky se složitými tvary, ale může fungovat pouze přerušovaně. Izostatické lisování v suchých pytlích může realizovat automatický nepřetržitý provoz, ale může vytvářet pouze výrobky s jednoduchými tvary, jako jsou čtvercové, kulaté a trubkové průřezy. Izostatické lisování může dosáhnout rovnoměrného a hustého surového tělesa s malým smrštěním při vypalování a rovnoměrným smrštěním ve všech směrech, ale zařízení je složité a drahé a efektivita výroby není vysoká a je vhodné pouze pro výrobu materiálů se speciálními požadavky.

2. Mokré tváření

2.1 Injektáž
Proces formování injektáží je podobný procesu lití páskou, rozdíl spočívá v tom, že proces formování zahrnuje proces fyzikální dehydratace a proces chemické koagulace. Fyzikální dehydratace odstraňuje vodu z suspenze kapilárním působením porézní sádrové formy. Ca2+ generovaný rozpouštěním povrchového CaSO4 zvyšuje iontovou sílu suspenze, což vede k její flokulaci.
Působením fyzikální dehydratace a chemické koagulace se částice keramického prášku usazují na stěně sádrové formy. Injektáž je vhodná pro výrobu velkých keramických dílů se složitými tvary, ale kvalita surového tělesa, včetně tvaru, hustoty, pevnosti atd., je nízká, náročnost práce pracovníků je vysoká a není vhodná pro automatizované operace.

2.2 Lití za tepla
Lití za tepla spočívá ve smíchání keramického prášku s pojivem (parafinem) při relativně vysoké teplotě (60~100 °C) za vzniku suspenze pro lití za tepla. Suspenze se vstřikuje do kovové formy působením stlačeného vzduchu a tlak se udržuje. Po ochlazení a vyjmutí z formy se získá voskový polotovar, voskový polotovar se odparafinuje pod ochranou inertního prášku, čímž se získá surový těleso, a surové těleso se spéká při vysoké teplotě, čímž se získá porcelán.

Čerstvé těleso vyrobené metodou lití za tepla má přesné rozměry, jednotnou vnitřní strukturu, menší opotřebení formy a vysokou výrobní efektivitu a je vhodné pro různé suroviny. Teplota voskové suspenze a formy musí být přísně kontrolována, jinak dojde k podtlakování nebo deformaci, takže není vhodné pro výrobu velkých dílů a dvoustupňový vypalovací proces je složitý a spotřeba energie vysoká.

2.3 Odlévání pásky
Lití páskou spočívá v důkladném smíchání keramického prášku s velkým množstvím organických pojiv, změkčovadel, dispergačních činidel atd. za účelem získání tekuté viskózní suspenze. Tato suspenze se přidá do násypky licího stroje a pomocí škrabky se reguluje tloušťka. Kaše vytéká na dopravníkový pás přes podávací trysku a po vysušení se získá polotovar fólie.

Tento proces je vhodný pro přípravu filmových materiálů. Pro dosažení lepší flexibility se přidává velké množství organické hmoty a je nutné přísně kontrolovat procesní parametry, jinak snadno dochází k vadám, jako je odlupování, pruhy, nízká pevnost filmu nebo obtížné odlupování. Použitá organická hmota je toxická a způsobuje znečištění životního prostředí, proto by se měl co nejvíce používat netoxický nebo méně toxický systém, aby se snížilo znečištění životního prostředí.

2.4 Vstřikování gelu
Technologie gelového vstřikování je nový koloidní proces rychlého prototypování, který poprvé vynalezli vědci z Oak Ridge National Laboratory na začátku 90. let. Jeho jádrem je použití roztoků organických monomerů, které polymerují do vysoce pevných, laterálně propojených gelů polymer-rozpouštědlo.

Suspenze keramického prášku rozpuštěného v roztoku organických monomerů se odlije do formy a směs monomerů polymeruje za vzniku gelového dílu. Vzhledem k tomu, že laterálně propojený polymer-rozpouštědlo obsahuje pouze 10–20 % (hmotnostní podíl) polymeru, je snadné rozpouštědlo z gelového dílu odstranit sušením. Zároveň díky laterálnímu propojení polymerů nemohou polymery během procesu sušení migrovat s rozpouštědlem.

Tuto metodu lze použít k výrobě jednofázových a kompozitních keramických dílů, které mohou tvořit složité tvarované keramické díly s kvazi-síťovou velikostí a jejich pevnost v surovém stavu dosahuje 20-30 MPa nebo více a lze je znovu zpracovat. Hlavním problémem této metody je relativně vysoká míra smrštění embryonálního tělesa během procesu zhutňování, což snadno vede k jeho deformaci; některé organické monomery inhibují kyslík, což způsobuje odlupování a odpadávání povrchu; v důsledku teplotně indukovaného procesu polymerace organických monomerů vede teplotní holení k existenci vnitřního napětí, které způsobuje prasknutí polotovarů a podobně.

2.5 Vstřikování do formy s přímým tuhnutím
Vstřikování do formy s přímým tuhnutím je technologie vstřikování vyvinutá ETH Zurich: rozpouštědlo voda, keramický prášek a organické přísady se důkladně smíchají za vzniku elektrostaticky stabilní, nízkoviskózní suspenze s vysokým obsahem pevných látek. Toto pH lze změnit přidáním suspenze nebo chemikálií zvyšujících koncentraci elektrolytu. Poté se suspenze vstříkne do neporézní formy.

Během procesu je třeba kontrolovat průběh chemických reakcí. Reakce před vstřikováním se provádí pomalu, viskozita suspenze se udržuje nízká a po vstřikování se reakce urychluje, suspenze tuhne a tekutá suspenze se přemění na pevné těleso. Získané surové těleso má dobré mechanické vlastnosti a pevnost může dosáhnout 5 kPa. Surové těleso se vyjme z formy, vysuší a sline za vzniku keramického dílu požadovaného tvaru.

Jeho výhodou je, že nepotřebuje nebo potřebuje jen malé množství organických přísad (méně než 1 %), surový materiál není nutné odmašťovat, hustota surového materiálu je rovnoměrná, relativní hustota je vysoká (55 % až 70 %) a lze s ním vytvářet velké a složité keramické díly. Jeho nevýhodou je, že přísady jsou drahé a během reakce se obvykle uvolňuje plyn.

2.6 Vstřikování plastů
Vstřikování plastů se již dlouho používá při lisování plastových výrobků a kovových forem. Tento proces využívá nízkoteplotní vytvrzování termoplastických organických látek nebo vysokoteplotní vytvrzování termosetových organických látek. Prášek a organický nosič se smíchají ve speciálním míchacím zařízení a poté se vstřikují do formy pod vysokým tlakem (desítky až stovky MPa). Díky vysokému lisovacímu tlaku mají získané polotovary přesné rozměry, vysokou hladkost a kompaktní strukturu; použití speciálního lisovacího zařízení výrazně zlepšuje efektivitu výroby.

Koncem 70. a začátkem 80. let 20. století se pro tváření keramických dílů používal proces vstřikování plastů. Tento proces realizuje tváření neplodných materiálů přidáním velkého množství organické hmoty, což je běžný proces tváření keramických plastů. V technologii vstřikování plastů je kromě použití termoplastických organických látek (jako je polyethylen, polystyren), termosetických organických látek (jako je epoxidová pryskyřice, fenolová pryskyřice) nebo ve vodě rozpustných polymerů jako hlavního pojiva nutné přidat určité množství procesních pomocných látek, jako jsou změkčovadla, maziva a spojovací činidla, aby se zlepšila tekutost keramické vstřikovací suspenze a zajistila kvalita vstřikovaného tělesa.

Proces vstřikování plastů má výhody vysokého stupně automatizace a přesné velikosti výlisku. Obsah organických látek v surovém těle vstřikovaných keramických dílů však dosahuje až 50 obj. %. Odstranění těchto organických látek v následném procesu spékání trvá dlouho, i několik dní až desítky dní, a je snadné způsobit vady kvality.

2.7 Koloidní vstřikování plastů
Aby se vyřešily problémy s velkým množstvím přidané organické hmoty a obtíže s odstraněním obtíží v tradičním procesu vstřikování plastů, Univerzita Tsinghua kreativně navrhla nový proces koloidního vstřikování keramiky a nezávisle vyvinula prototyp koloidního vstřikovacího plastu pro realizaci vstřikování neplodné keramické suspenze.

Základní myšlenkou je kombinovat koloidní tváření se vstřikovacím tvářením s využitím patentovaného vstřikovacího zařízení a nové technologie vytvrzování, kterou poskytuje koloidní proces tuhnutí in situ. Tento nový proces využívá méně než 4 hmotnostní % organické hmoty. Malé množství organických monomerů nebo organických sloučenin ve vodní suspenzi se používá k rychlé indukci polymerace organických monomerů po vstřikování do formy za vzniku organické síťové kostry, která rovnoměrně obaluje keramický prášek. Mezi nimi se nejen výrazně zkracuje doba odstraňování slizu, ale také se výrazně snižuje možnost praskání při odstraňování slizu.

Mezi vstřikováním keramiky a koloidním vstřikováním je obrovský rozdíl. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že první patří do kategorie vstřikování plastů a druhý do lisování v suspenzi, tj. suspenze nemá žádnou plasticitu a je neplodným materiálem. Protože suspenze při koloidním vstřikování nemá žádnou plasticitu, nelze přijmout tradiční myšlenku vstřikování keramiky. Pokud se koloidní vstřikování kombinuje se vstřikováním, koloidní vstřikování keramických materiálů se realizuje pomocí patentovaného vstřikovacího zařízení a nové technologie vytvrzování, kterou poskytuje koloidní proces vstřikování in situ.

Nový proces koloidního vstřikování keramiky se liší od běžného koloidního vstřikování a tradičního vstřikování. Výhodou vysokého stupně automatizace vstřikování je kvalitativní sublimace koloidního procesu vstřikování, což se stane nadějí pro industrializaci high-tech keramiky.