กระบวนการขึ้นรูปด้วยความแม่นยำเก้าประการของเซรามิกเซอร์โคเนีย

กระบวนการขึ้นรูปด้วยความแม่นยำเก้าประการของเซรามิกเซอร์โคเนีย
กระบวนการขึ้นรูปมีบทบาทเชื่อมโยงในกระบวนการเตรียมวัสดุเซรามิกทั้งหมด และเป็นกุญแจสำคัญในการรับรองความน่าเชื่อถือด้านประสิทธิภาพและความสามารถในการทำซ้ำในการผลิตของวัสดุและส่วนประกอบเซรามิก
ด้วยการพัฒนาของสังคม วิธีการนวดด้วยมือแบบดั้งเดิม วิธีการขึ้นรูปล้อ วิธีการอัดฉีด ฯลฯ ของเซรามิกแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการของสังคมยุคใหม่ในด้านการผลิตและการปรับแต่งได้อีกต่อไป กระบวนการขึ้นรูปใหม่จึงถือกำเนิดขึ้นวัสดุเซรามิกชั้นดี ZrO2 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการขึ้นรูป 9 ประเภทต่อไปนี้ (วิธีแห้ง 2 ประเภท และวิธีเปียก 7 ประเภท):

1. การปั้นแบบแห้ง

1.1 การรีดแบบแห้ง

การรีดแบบแห้งใช้แรงกดเพื่อกดผงเซรามิกให้เข้ากับรูปทรงที่ต้องการสาระสำคัญของมันคือภายใต้การกระทำของแรงภายนอก อนุภาคผงจะเข้าใกล้กันในแม่พิมพ์ และรวมเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาด้วยแรงเสียดทานภายในเพื่อรักษารูปร่างที่แน่นอนข้อบกพร่องหลักในตัวสีเขียวที่อัดแห้งคือการแตกเป็นเสี่ยง ซึ่งเกิดจากการเสียดสีภายในระหว่างผงและการเสียดสีระหว่างผงกับผนังแม่พิมพ์ ส่งผลให้สูญเสียแรงดันภายในตัว

ข้อดีของการกดแบบแห้งคือขนาดของตัวเครื่องสีเขียวนั้นแม่นยำ การดำเนินการนั้นง่ายและสะดวกในการรับรู้การทำงานของเครื่องจักรปริมาณความชื้นและสารยึดเกาะในการกดแบบแห้งสีเขียวน้อยกว่า และการหดตัวของการอบแห้งและการเผามีขนาดเล็กส่วนใหญ่จะใช้ในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างเรียบง่ายและมีอัตราส่วนน้อยต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้นซึ่งเกิดจากการสึกหรอของแม่พิมพ์ถือเป็นข้อเสียของการอัดแบบแห้ง

1.2 การกดแบบไอโซสแตติก

การกดแบบไอโซสแตติกเป็นวิธีการขึ้นรูปพิเศษที่พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของการกดแบบแห้งแบบดั้งเดิมใช้แรงดันการส่งผ่านของไหลเพื่อให้แรงกดอย่างสม่ำเสมอกับผงภายในแม่พิมพ์ยืดหยุ่นจากทุกทิศทางเนื่องจากความดันภายในของของเหลวมีความสม่ำเสมอ ผงจึงมีแรงดันเท่ากันในทุกทิศทาง จึงสามารถหลีกเลี่ยงความแตกต่างในความหนาแน่นของวัตถุสีเขียวได้

การกดแบบ Isostatic แบ่งออกเป็นการกดแบบ isostatic แบบถุงเปียกและการกดแบบ isostatic แบบถุงแห้งการกดแบบไอโซสแตติกแบบถุงเปียกสามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ แต่จะทำงานได้เป็นช่วงๆ เท่านั้นการกดแบบไอโซสแตติกแบบถุงแห้งสามารถดำเนินการต่อเนื่องได้โดยอัตโนมัติ แต่สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างเรียบง่ายเท่านั้น เช่น สี่เหลี่ยมจัตุรัส ทรงกลม และหน้าตัดแบบท่อการกดแบบ Isostatic สามารถรับตัวเครื่องสีเขียวที่สม่ำเสมอและหนาแน่นโดยมีการหดตัวของการยิงเล็กน้อยและการหดตัวที่สม่ำเสมอในทุกทิศทาง แต่อุปกรณ์มีความซับซ้อนและมีราคาแพงและประสิทธิภาพการผลิตไม่สูงและเหมาะสำหรับการผลิตวัสดุที่มีลักษณะพิเศษเท่านั้น ความต้องการ.

2. การขึ้นรูปเปียก

2.1 การอัดฉีด
กระบวนการขึ้นรูปแบบการอัดฉีดมีความคล้ายคลึงกับการหล่อแบบเทป ความแตกต่างคือ กระบวนการขึ้นรูปประกอบด้วยกระบวนการคายน้ำทางกายภาพและกระบวนการแข็งตัวของสารเคมีการคายน้ำทางกายภาพจะขจัดน้ำในสารละลายโดยผ่านการกระทำของเส้นเลือดฝอยของแม่พิมพ์ยิปซั่มที่มีรูพรุนCa2+ ที่เกิดจากการละลายของพื้นผิว CaSO4 จะเพิ่มความแข็งแรงของไอออนิกของสารละลาย ส่งผลให้เกิดการจับตัวเป็นก้อนของสารละลาย
ภายใต้การกระทำของการขาดน้ำทางกายภาพและการแข็งตัวของสารเคมี อนุภาคผงเซรามิกจะสะสมอยู่บนผนังแม่พิมพ์ยิปซั่มการอัดฉีดเหมาะสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างซับซ้อน แต่คุณภาพของตัวสีเขียว รวมถึงรูปร่าง ความหนาแน่น ความแข็งแรง ฯลฯ ไม่ดี ความเข้มแรงงานของคนงานสูง ไม่เหมาะสม สำหรับการดำเนินงานอัตโนมัติ

2.2 การหล่อแบบร้อน
การหล่อแบบร้อนคือการผสมผงเซรามิกกับสารยึดเกาะ (พาราฟิน) ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง (60~100°C) เพื่อให้ได้สารละลายสำหรับการหล่อแบบร้อนสารละลายจะถูกฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์โลหะภายใต้การกระทำของอากาศอัด และความดันจะยังคงอยู่การทำให้เย็นลง การหล่อขึ้นรูปเพื่อให้ได้แวกซ์เปล่า แว็กซ์เปล่าจะถูก dewax ภายใต้การคุ้มครองของผงเฉื่อยเพื่อให้ได้เนื้อสีเขียว และตัวสีเขียวจะถูกเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้กลายเป็นพอร์ซเลน

ตัวเครื่องสีเขียวที่เกิดจากการหล่อแบบร้อนมีขนาดที่แม่นยำ โครงสร้างภายในที่สม่ำเสมอ การสึกหรอของแม่พิมพ์น้อยลง และประสิทธิภาพการผลิตสูง และเหมาะสำหรับวัตถุดิบต่างๆต้องควบคุมอุณหภูมิของสารละลายขี้ผึ้งและแม่พิมพ์อย่างเข้มงวด มิฉะนั้นจะทำให้เกิดการฉีดหรือการเสียรูป จึงไม่เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ และกระบวนการเผาสองขั้นตอนมีความซับซ้อนและการใช้พลังงานสูง

2.3 การหล่อเทป
การหล่อด้วยเทปคือการผสมผงเซรามิกเข้ากับสารยึดเกาะอินทรีย์ พลาสติไซเซอร์ สารช่วยกระจายตัว ฯลฯ จำนวนมากจนหมด เพื่อให้ได้สารละลายที่มีความหนืดที่ไหลได้ เพิ่มสารละลายลงในถังของเครื่องหล่อ และใช้มีดโกนเพื่อควบคุมความหนามันไหลออกไปยังสายพานลำเลียงผ่านหัวฉีดป้อน และจะได้ฟิล์มเปล่าหลังจากการอบแห้ง

กระบวนการนี้เหมาะสำหรับการเตรียมวัสดุฟิล์มเพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นที่ดีขึ้น จึงมีการเติมอินทรียวัตถุจำนวนมาก และจำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์กระบวนการอย่างเข้มงวด มิฉะนั้นจะทำให้เกิดข้อบกพร่องได้ง่าย เช่น การลอกเป็นรอย เป็นริ้ว ความแข็งแรงของฟิล์มต่ำ หรือการลอกยากอินทรียวัตถุที่ใช้เป็นพิษและจะทำให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และควรใช้ระบบที่ไม่เป็นพิษหรือเป็นพิษน้อยกว่าให้มากที่สุดเพื่อลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม

2.4 การฉีดขึ้นรูปเจล
เทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปแบบเจลเป็นกระบวนการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วแบบคอลลอยด์แบบใหม่ที่คิดค้นครั้งแรกโดยนักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ในช่วงต้นทศวรรษ 1990หัวใจสำคัญของมันคือการใช้สารละลายโมโนเมอร์อินทรีย์ที่รวมตัวเป็นเจลโพลีเมอร์-ตัวทำละลายที่มีความแข็งแรงสูงและเชื่อมต่อกันทางด้านข้าง

ผงเซรามิกที่ละลายในสารละลายโมโนเมอร์อินทรีย์จะถูกหล่อลงในแม่พิมพ์ และส่วนผสมของโมโนเมอร์จะเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอร์จนกลายเป็นส่วนที่เจลเนื่องจากโพลีเมอร์-ตัวทำละลายที่เชื่อมต่อด้านข้างมีโพลีเมอร์เพียง 10%–20% (เศษส่วนมวล) จึงง่ายต่อการกำจัดตัวทำละลายออกจากส่วนเจลโดยขั้นตอนการทำให้แห้งในเวลาเดียวกัน เนื่องจากการเชื่อมต่อด้านข้างของโพลีเมอร์ โพลีเมอร์จึงไม่สามารถเคลื่อนย้ายไปกับตัวทำละลายในระหว่างกระบวนการทำให้แห้ง

วิธีการนี้สามารถนำไปใช้ในการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกแบบเฟสเดียวและคอมโพสิต ซึ่งสามารถสร้างชิ้นส่วนเซรามิกที่มีรูปร่างซับซ้อนขนาดกึ่งสุทธิได้ และมีความแข็งแรงสีเขียวสูงถึง 20-30Mpa หรือมากกว่า ซึ่งสามารถนำไปแปรรูปได้ปัญหาหลักของวิธีนี้คืออัตราการหดตัวของตัวเอ็มบริโอค่อนข้างสูงในระหว่างกระบวนการทำให้หนาแน่น ซึ่งนำไปสู่การเสียรูปของตัวเอ็มบริโอได้ง่ายโมโนเมอร์อินทรีย์บางชนิดมีการยับยั้งออกซิเจน ซึ่งทำให้พื้นผิวลอกและหลุดออกเนื่องจากกระบวนการโพลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อินทรีย์ที่เกิดจากอุณหภูมิ ทำให้เกิดการโกนด้วยอุณหภูมิ ทำให้เกิดความเครียดภายใน ซึ่งทำให้ช่องว่างแตกและอื่นๆ

2.5 การฉีดขึ้นรูปแข็งตัวโดยตรง
การฉีดขึ้นรูปแบบแข็งตัวโดยตรงเป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปที่พัฒนาโดย ETH Zurich: น้ำตัวทำละลาย ผงเซรามิก และสารเติมแต่งอินทรีย์ผสมกันอย่างสมบูรณ์เพื่อสร้างสารละลายที่มีความเสถียรทางไฟฟ้าสถิต มีความหนืดต่ำ มีปริมาณของแข็งสูง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเติม pH ของสารละลายหรือสารเคมี ที่เพิ่มความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ จากนั้นสารละลายจะถูกฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ที่ไม่มีรูพรุน

ควบคุมความก้าวหน้าของปฏิกิริยาเคมีในระหว่างกระบวนการปฏิกิริยาก่อนการฉีดขึ้นรูปจะดำเนินการอย่างช้าๆ ความหนืดของสารละลายจะถูกเก็บไว้ต่ำ และปฏิกิริยาจะถูกเร่งหลังจากการฉีดขึ้นรูป สารละลายจะแข็งตัว และของเหลวจะถูกเปลี่ยนให้เป็นของแข็งตัวสีเขียวที่ได้รับมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีและมีความแข็งแรงถึง 5kPaตัวสีเขียวถูกรื้อ ตากให้แห้ง และเผาเพื่อสร้างเป็นชิ้นส่วนเซรามิกตามรูปร่างที่ต้องการ

ข้อดีของมันคือไม่ต้องการหรือต้องการสารอินทรีย์เพียงเล็กน้อย (น้อยกว่า 1%) ตัวสีเขียวไม่จำเป็นต้องล้างไขมัน ความหนาแน่นของตัวสีเขียวสม่ำเสมอ ความหนาแน่นสัมพัทธ์สูง (55%~ 70%) และสามารถสร้างชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่และมีรูปร่างซับซ้อนได้ข้อเสียคือสารเติมแต่งมีราคาแพง และโดยทั่วไปก๊าซจะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการทำปฏิกิริยา

2.6 การฉีดขึ้นรูป
การฉีดขึ้นรูปมีการใช้กันมานานแล้วในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์พลาสติกและการขึ้นรูปแม่พิมพ์โลหะกระบวนการนี้ใช้การบ่มที่อุณหภูมิต่ำของสารอินทรีย์เทอร์โมพลาสติก หรือการบ่มที่อุณหภูมิสูงของสารอินทรีย์เทอร์โมเซตติงผงและสารพาอินทรีย์จะถูกผสมในอุปกรณ์ผสมแบบพิเศษ จากนั้นจึงฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ภายใต้แรงดันสูง (หลายสิบถึงหลายร้อย MPa)เนื่องจากแรงกดในการขึ้นรูปสูง ช่องว่างที่ได้จึงมีขนาดที่แม่นยำ มีความเรียบเนียนสูง และมีโครงสร้างที่กะทัดรัดการใช้อุปกรณ์การขึ้นรูปพิเศษช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้อย่างมาก

ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 และต้นทศวรรษ 1980 กระบวนการฉีดขึ้นรูปได้ถูกนำมาใช้ในการขึ้นรูปชิ้นส่วนเซรามิกกระบวนการนี้ทำให้การขึ้นรูปพลาสติกของวัสดุแห้งแล้งโดยการเติมอินทรียวัตถุจำนวนมาก ซึ่งเป็นกระบวนการขึ้นรูปพลาสติกเซรามิกทั่วไปในเทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูป นอกเหนือจากการใช้เทอร์โมพลาสติกอินทรีย์ (เช่น โพลิเอทิลีน โพลีสไตรีน) เทอร์โมเซตติงอินทรีย์ (เช่น อีพอกซีเรซิน เรซินฟีนอล) หรือโพลีเมอร์ที่ละลายน้ำได้เป็นสารยึดเกาะหลัก จำเป็นต้องเพิ่มปริมาณของกระบวนการบางอย่าง สารช่วยเหลือ เช่น พลาสติไซเซอร์ สารหล่อลื่น และสารเชื่อมต่อ เพื่อปรับปรุงความลื่นไหลของสารแขวนลอยการฉีดเซรามิก และรับประกันคุณภาพของตัวแม่พิมพ์ฉีดขึ้นรูป

กระบวนการฉีดขึ้นรูปมีข้อดีของระบบอัตโนมัติในระดับสูงและขนาดที่แม่นยำของชิ้นงานขึ้นรูปอย่างไรก็ตาม ปริมาณอินทรีย์ในร่างกายสีเขียวของชิ้นส่วนเซรามิกที่ฉีดขึ้นรูปนั้นสูงถึง 50vol%การกำจัดสารอินทรีย์เหล่านี้ในกระบวนการเผาผนึกที่ตามมาต้องใช้เวลานาน แม้กระทั่งหลายวันหรือหลายสิบวัน และทำให้เกิดข้อบกพร่องด้านคุณภาพได้ง่าย

2.7 การฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์
เพื่อที่จะแก้ปัญหาการเติมอินทรียวัตถุจำนวนมากและความยากลำบากในการขจัดปัญหาในกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบดั้งเดิม มหาวิทยาลัย Tsinghua ได้เสนอกระบวนการใหม่สำหรับการฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์ของเซรามิกอย่างสร้างสรรค์ และพัฒนาต้นแบบการฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์อย่างอิสระ เพื่อให้ทราบถึงการฉีดสารละลายเซรามิกที่แห้งแล้งการขึ้นรูป

แนวคิดพื้นฐานคือการรวมการขึ้นรูปแบบคอลลอยด์กับการฉีดขึ้นรูป โดยใช้อุปกรณ์การฉีดที่เป็นกรรมสิทธิ์และเทคโนโลยีการบ่มแบบใหม่ที่ได้จากกระบวนการขึ้นรูปแบบการแข็งตัวของคอลลอยด์ในแหล่งกำเนิดกระบวนการใหม่นี้ใช้อินทรียวัตถุน้อยกว่า 4wt.%โมโนเมอร์อินทรีย์หรือสารประกอบอินทรีย์จำนวนเล็กน้อยในสารแขวนลอยที่เป็นน้ำจะถูกนำมาใช้เพื่อกระตุ้นการเกิดโพลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อินทรีย์อย่างรวดเร็วหลังจากฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์เพื่อสร้างโครงกระดูกเครือข่ายอินทรีย์ ซึ่งจะห่อผงเซรามิกอย่างสม่ำเสมอในหมู่พวกเขา ไม่เพียงแต่เวลาในการลอกกาวจะสั้นลงอย่างมาก แต่ยังลดโอกาสที่จะเกิดการแตกร้าวของการลอกกาวลงอย่างมากอีกด้วย

มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างการฉีดขึ้นรูปเซรามิกและการขึ้นรูปคอลลอยด์ข้อแตกต่างที่สำคัญคือแบบแรกอยู่ในประเภทของการขึ้นรูปพลาสติก และแบบหลังเป็นแบบของการขึ้นรูปแบบสารละลาย นั่นคือ สารละลายไม่มีความเป็นพลาสติกและเป็นวัสดุที่แห้งแล้งเนื่องจากสารละลายไม่มีความเป็นพลาสติกในการขึ้นรูปคอลลอยด์ แนวคิดดั้งเดิมของการฉีดขึ้นรูปเซรามิกจึงไม่สามารถนำมาใช้ได้หากการขึ้นรูปแบบคอลลอยด์รวมกับการฉีดขึ้นรูป การฉีดขึ้นรูปแบบคอลลอยด์ของวัสดุเซรามิกจะเกิดขึ้นได้โดยใช้อุปกรณ์การฉีดที่เป็นเอกสิทธิ์และเทคโนโลยีการบ่มแบบใหม่ที่ได้จากกระบวนการขึ้นรูปแบบคอลลอยด์ในแหล่งกำเนิด

กระบวนการใหม่ของการฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์ของเซรามิกแตกต่างจากการขึ้นรูปแบบคอลลอยด์ทั่วไปและการฉีดขึ้นรูปแบบดั้งเดิมข้อดีของระบบการขึ้นรูปอัตโนมัติในระดับสูงคือการระเหิดเชิงคุณภาพของกระบวนการขึ้นรูปแบบคอลลอยด์ ซึ่งจะกลายเป็นความหวังสำหรับอุตสาหกรรมเซรามิกที่มีเทคโนโลยีสูง