Devyni tikslūs cirkonio keramikos liejimo procesai

Devyni tikslūs cirkonio keramikos liejimo procesai
Liejimo procesas atlieka jungiamąjį vaidmenį visame keraminių medžiagų paruošimo procese ir yra raktas į keraminių medžiagų ir komponentų eksploatacinių savybių patikimumą ir gamybos pakartojamumą.
Tobulėjant visuomenei, tradicinis rankinio minkymo, ratų formavimo, glaistymo ir kt. metodas, naudojamas tradicinei keramikai gaminti, nebegali patenkinti šiuolaikinės visuomenės gamybos ir tobulinimo poreikių, todėl atsirado naujas liejimo procesas. ZrO2 smulkiosios keramikos medžiagos plačiai naudojamos šiuose 9 liejimo procesuose (2 sausų ir 7 šlapių metodų tipai):

1. Sausas liejimas

1.1 Sausas presavimas

Sauso presavimo metu keraminiai milteliai presuojami į tam tikrą kūno formą naudojant slėgį. Jo esmė ta, kad veikiant išorinei jėgai, miltelių dalelės formoje artėja viena prie kitos ir vidinės trinties dėka tvirtai sujungiamos, kad išlaikytų tam tikrą formą. Pagrindinis sausai presuotų žalių kūnų trūkumas yra skilimas, atsirandantis dėl vidinės trinties tarp miltelių ir trinties tarp miltelių ir formos sienelės, dėl kurio kūno viduje prarandamas slėgis.

Sauso presavimo privalumai yra tikslūs žalio korpuso matmenys, paprastas valdymas ir patogus mechanizuotas veikimas; žaliame sausame prese yra mažiau drėgmės ir rišiklio, o džiovinimo ir degimo susitraukimas yra mažas. Jis daugiausia naudojamas paprastų formų gaminiams formuoti, o kraštinių santykis yra mažas. Sauso presavimo trūkumas yra padidėjusios gamybos sąnaudos dėl formų susidėvėjimo.

1.2 Izostatinis presavimas

Izostatinis presavimas yra specialus formavimo metodas, sukurtas tradicinio sausojo presavimo pagrindu. Jame naudojamas skysčio perdavimo slėgis, kad milteliai elastingoje formoje būtų tolygiai paskirstomi iš visų pusių. Dėl skysčio vidinio slėgio pastovumo milteliai visomis kryptimis patiria tą patį slėgį, todėl galima išvengti žalio kūno tankio skirtumo.

Izostatinis presavimas skirstomas į šlapiojo maišo izostatinį presavimą ir sausojo maišo izostatinį presavimą. Šlapiojo maišo izostatinis presavimas gali formuoti sudėtingų formų gaminius, tačiau jis gali veikti tik su pertraukomis. Sausojo maišo izostatinis presavimas gali realizuoti automatinį nepertraukiamą veikimą, tačiau gali formuoti tik paprastų formų gaminius, tokius kaip kvadratiniai, apvalūs ir vamzdiniai skerspjūviai. Izostatinis presavimas gali gauti vienodą ir tankų žalią kūną, su nedideliu degimo susitraukimu ir tolygiu susitraukimu visomis kryptimis, tačiau įranga yra sudėtinga ir brangi, o gamybos efektyvumas nėra didelis, ir jis tinka tik specialių reikalavimų medžiagų gamybai.

2. Šlapias formavimas

2.1 Skiedinys
Glaistymo liejimo procesas yra panašus į juostinio liejimo procesą, skirtumas tas, kad liejimo procesas apima fizinės dehidratacijos ir cheminės koaguliacijos procesus. Fizinės dehidratacijos metu vanduo iš skiedinio pašalinamas per akyto gipso formos kapiliarinį veikimą. Ca2+, susidaręs ištirpus paviršiuje esančiam CaSO4, padidina skiedinio joninę stiprį, todėl skiedinys flokuliuojasi.
Fizinės dehidratacijos ir cheminės koaguliacijos metu keraminių miltelių dalelės nusėda ant gipso formos sienelės. Skiedinys tinka didelių, sudėtingų formų keraminių detalių gamybai, tačiau žaliosios medžiagos kokybė, įskaitant formą, tankį, stiprumą ir kt., yra prasta, darbuotojų darbo intensyvumas yra didelis, todėl netinka automatizuotoms operacijoms.

2.2 Karštas liejimas slėgiu
Karštasis liejimas – tai keraminių miltelių ir rišiklių (parafino) sumaišymas santykinai aukštoje temperatūroje (60–100 ℃), siekiant gauti karštajam liejimui skirtą suspensiją. Suslėgta oru veikiant suspensijai įpurškiama į metalo formą ir palaikomas slėgis. Aušinimas ir išėmimas iš formos, siekiant gauti vaško ruošinį, vaško ruošinys vaškuojamas, apsaugotas inertiniais milteliais, siekiant gauti žalią korpusą, o žalias korpusas sukepamas aukštoje temperatūroje, kad taptų porcelianu.

Karšto liejimo būdu suformuotas žalias kūnas turi tikslius matmenis, vienodą vidinę struktūrą, mažą liejimo formos nusidėvėjimą ir didelį gamybos efektyvumą, todėl tinka įvairioms žaliavoms. Vaško suspensijos ir formos temperatūra turi būti griežtai kontroliuojama, kitaip susidarys per mažas įpurškimas arba deformacija, todėl jis netinka didelių dalių gamybai, o dviejų pakopų degimo procesas yra sudėtingas ir sunaudojama daug energijos.

2.3 Juostų liejimas
Juostinio liejimo metu keraminiai milteliai sumaišomi su dideliu kiekiu organinių rišiklių, plastifikatorių, dispergentų ir kt., kad būtų gauta klampi, tepanti suspensija, įpilta į liejimo mašinos bunkerį ir grandikliu kontroliuojamas storis. Per padavimo antgalį ji teka ant konvejerio juostos, o po džiovinimo gaunamas plėvelės ruošinys.

Šis procesas tinka plėvelės medžiagoms gaminti. Siekiant didesnio lankstumo, pridedama daug organinių medžiagų, o proceso parametrai turi būti griežtai kontroliuojami, kitaip lengvai atsiras defektų, tokių kaip lupimasis, dryžiai, mažas plėvelės stiprumas arba sunkus lupimasis. Naudojamos organinės medžiagos yra toksiškos ir teršia aplinką, todėl, siekiant sumažinti aplinkos taršą, reikėtų naudoti kuo mažiau toksišką arba netoksišką sistemą.

2.4 Gelio liejimas įpurškimu
Gelio liejimo technologija yra naujas koloidinis greito prototipų kūrimo procesas, kurį pirmą kartą išrado Oak Ridge nacionalinės laboratorijos tyrėjai XX a. dešimtojo dešimtmečio pradžioje. Jo pagrindas yra organinių monomerų tirpalų, kurie polimerizuojasi į didelio stiprumo, šoniniais ryšiais sujungtus polimero ir tirpiklio gelius, naudojimas.

Keraminių miltelių, ištirpintų organinių monomerų tirpale, suspensija liejama formoje, ir monomerų mišinys polimerizuojasi, sudarydamas gelinę detalę. Kadangi šoniniu būdu sujungtame polimere-tirpiklyje yra tik 10–20 % (masės dalis) polimero, tirpiklį iš gelinės detalės lengva pašalinti džiovinimo etapu. Tuo pačiu metu, dėl šoninio polimerų sujungimo, polimerai negali migruoti kartu su tirpikliu džiovinimo proceso metu.

Šis metodas gali būti naudojamas gaminti vienfazes ir kompozicines keramines detales, kurios gali sudaryti sudėtingos formos, beveik tinklo dydžio keramines detales, o jų žaliasis stipris siekia 20–30 MPa ar daugiau, todėl jas galima perdirbti. Pagrindinė šio metodo problema yra ta, kad embriono kūno susitraukimo greitis tankinimo proceso metu yra gana didelis, todėl jis lengvai deformuojasi; kai kurie organiniai monomerai slopina deguonį, todėl paviršius gali luptis ir kristi; dėl temperatūros sukelto organinių monomerų polimerizacijos proceso dėl temperatūros skutimosi atsiranda vidinis įtempis, dėl kurio ruošiniai gali lūžti ir pan.

2.5 Tiesioginio kietėjimo liejimas
Tiesioginio kietėjimo liejimas yra ETH Zurich sukurta liejimo technologija: tirpiklis vanduo, keramikos milteliai ir organiniai priedai yra visiškai sumaišomi, kad susidarytų elektrostatiškai stabili, mažo klampumo, didelės kietosios medžiagos koncentracijos suspensija, kurią galima pakeisti pridedant suspensijos pH arba cheminių medžiagų, kurios padidina elektrolitų koncentraciją, o tada suspensija įpurškiama į neporėtą formą.

Cheminių reakcijų eigos kontrolė proceso metu. Prieš liejimą reakcija vykdoma lėtai, suspensijos klampumas palaikomas mažas, o po liejimo reakcija pagreitėja, suspensija sukietėja, o skysta suspensija virsta kietu kūnu. Gautas žalias kūnas pasižymi geromis mechaninėmis savybėmis, o stiprumas gali siekti 5 kPa. Žalias kūnas išimamas iš formos, išdžiovinamas ir sukepamas, kad būtų suformuota norimos formos keraminė detalė.

Jo privalumai yra tai, kad jam nereikia arba reikia tik nedidelio kiekio organinių priedų (mažiau nei 1 %), žalio kūno nereikia nuriebalinti, žalio kūno tankis yra vienodas, santykinis tankis yra didelis (55 % ~ 70 %), ir jis gali sudaryti didelio dydžio ir sudėtingos formos keramines detales. Jo trūkumas yra tas, kad priedai yra brangūs, o reakcijos metu paprastai išsiskiria dujos.

2.6 Įpurškimas
Įpurškimo formavimas jau seniai naudojamas plastikinių gaminių ir metalo formų liejimui. Šiame procese naudojamas termoplastinių organinių medžiagų kietinimas žemoje temperatūroje arba termoreaktyviųjų organinių medžiagų kietinimas aukštoje temperatūroje. Milteliai ir organinis nešiklis sumaišomi specialioje maišymo įrangoje, o po to, esant aukštam slėgiui (nuo dešimčių iki šimtų MPa), įpurškiami į formą. Dėl didelio liejimo slėgio gauti ruošiniai yra tikslių matmenų, labai lygūs ir kompaktiškos struktūros; specialios liejimo įrangos naudojimas labai pagerina gamybos efektyvumą.

Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje ir devintojo dešimtmečio pradžioje keraminių detalių liejimui buvo taikomas liejimo procesas. Šis procesas leidžia plastikinius gaminius formuoti į nevaisingas medžiagas pridedant daug organinių medžiagų, o tai yra įprastas keraminių plastikinių gaminių liejimo procesas. Liejimo technologijoje, be termoplastinių organinių medžiagų (pvz., polietileno, polistireno), termoreaktyviųjų organinių medžiagų (pvz., epoksidinės dervos, fenolio dervos) arba vandenyje tirpių polimerų kaip pagrindinio rišiklio, būtina pridėti tam tikrų kiekių technologinių pagalbinių medžiagų, tokių kaip plastifikatoriai, tepalai ir rišikliai, siekiant pagerinti keraminės įpurškimo suspensijos sklandumą ir užtikrinti liejamo korpuso kokybę.

Liejimo įpurškimu proceso privalumai yra aukštas automatizavimo laipsnis ir tikslus liejimo ruošinio dydis. Tačiau liejimo būdu pagamintų keraminių detalių žaliame kūne organinių medžiagų kiekis siekia net 50 tūrio %. Šių organinių medžiagų pašalinimas vėlesniame sukepinimo procese užtrunka ilgai, net kelias dienas ar net dešimtis dienų, ir lengvai atsiranda kokybės defektų.

2.7 Koloidinis liejimas
Siekdamas išspręsti didelio organinių medžiagų kiekio pridėjimo problemas ir sunkumus, kylančius tradicinio liejimo proceso metu, Tsinghua universitetas kūrybiškai pasiūlė naują koloidinio keramikos liejimo procesą ir savarankiškai sukūrė koloidinio liejimo prototipą, skirtą bevaisės keraminės suspensijos įpurškimui.

Pagrindinė idėja – sujungti koloidinį liejimą su įpurškimu, naudojant patentuotą įpurškimo įrangą ir naują kietėjimo technologiją, kurią suteikia koloidinis in situ kietėjimo liejimo procesas. Šiame naujame procese sunaudojama mažiau nei 4 % masės organinių medžiagų. Nedidelis kiekis organinių monomerų arba organinių junginių vandeninėje suspensijoje naudojamas greitai sukelti organinių monomerų polimerizaciją po įpurškimo į formą ir suformuoti organinį tinklinį skeletą, kuris tolygiai apgaubia keraminius miltelius. Be to, ne tik žymiai sutrumpėja gumulų pašalinimo laikas, bet ir žymiai sumažėja gumulų pašalinimo įtrūkimų tikimybė.

Yra didžiulis skirtumas tarp keramikos liejimo įpurškimu ir koloidinio liejimo. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad pirmasis priklauso plastiko liejimo kategorijai, o antrasis – srutos liejimui, t. y. sruta neturi plastiškumo ir yra nevaisinga medžiaga. Kadangi koloidiniame liejime sruta neturi plastiškumo, tradicinė keramikos liejimo idėja negali būti taikoma. Jei koloidinis liejimas derinamas su liejimu įpurškimu, keraminių medžiagų koloidinis liejimas įpurškimu atliekamas naudojant patentuotą liejimo įrangą ir naują kietėjimo technologiją, kurią suteikia koloidinis liejimo vietoje procesas.

Naujasis koloidinio keramikos liejimo procesas skiriasi nuo įprasto koloidinio liejimo ir tradicinio liejimo. Aukšto liejimo automatizavimo privalumas yra kokybinė koloidinio liejimo proceso sublimacija, kuri taps aukštųjų technologijų keramikos industrializacijos viltimi.