Nove procesos de moldeo de precisión de cerámica de circonio

Nove procesos de moldeo de precisión de cerámica de circonio
O proceso de moldeo xoga un papel de enlace en todo o proceso de preparación de materiais cerámicos e é a clave para garantir a fiabilidade do rendemento e a repetibilidade da produción de materiais e compoñentes cerámicos.
Co desenvolvemento da sociedade, o método tradicional de amasado manual, o método de formación de rodas, o método de rejuntado, etc. da cerámica tradicional xa non poden satisfacer as necesidades da sociedade moderna de produción e refinamento, polo que naceu un novo proceso de moldeo. Os materiais cerámicos finos de ZrO2 úsanse amplamente nos seguintes 9 tipos de procesos de moldeo (2 tipos de métodos secos e 7 tipos de métodos húmidos):

1. Moldeo en seco

1.1 Prensado en seco

O prensado en seco usa presión para prensar po cerámico nunha determinada forma do corpo. A súa esencia é que, baixo a acción dunha forza externa, as partículas de po se achegan unhas ás outras no molde e se combinan firmemente por fricción interna para manter unha determinada forma. O principal defecto nos corpos verdes prensados en seco é a espalación, que se debe á fricción interna entre os pos e á fricción entre os pos e a parede do molde, o que resulta nunha perda de presión dentro do corpo.

As vantaxes do prensado en seco son que o tamaño do corpo verde é preciso, a operación é sinxela e a comodidade de realizar unha operación mecanizada; o contido de humidade e aglutinante no prensado en seco verde é menor e a retracción por secado e cocción é pequena. Úsase principalmente para formar produtos con formas simples e a relación de aspecto é pequena. O aumento do custo de produción causado polo desgaste do molde é a desvantaxe do prensado en seco.

1.2 Prensado isostático

O prensado isostático é un método de conformado especial desenvolvido baseándose no prensado en seco tradicional. Utiliza a presión de transmisión de fluídos para aplicar presión uniformemente ao po dentro do molde elástico desde todas as direccións. Debido á consistencia da presión interna do fluído, o po soporta a mesma presión en todas as direccións, polo que se pode evitar a diferenza na densidade do corpo verde.

O prensado isostático divídese en prensado isostático en bolsa húmida e prensado isostático en bolsa seca. O prensado isostático en bolsa húmida pode formar produtos con formas complexas, pero só pode funcionar de forma intermitente. O prensado isostático en bolsa seca pode realizar un funcionamento continuo automático, pero só pode formar produtos con formas simples como seccións transversais cadradas, redondas e tubulares. O prensado isostático pode obter un corpo verde uniforme e denso, con pequena retracción de cocción e retracción uniforme en todas as direccións, pero o equipo é complexo e caro, e a eficiencia da produción non é alta, e só é axeitado para a produción de materiais con requisitos especiais.

2. Conformación húmida

2.1 Rejuntado
O proceso de moldeo por morteiro é similar ao fundición en cinta, coa diferenza de que o proceso de moldeo inclúe un proceso de deshidratación física e un proceso de coagulación química. A deshidratación física elimina a auga da lama a través da acción capilar do molde de xeso poroso. O Ca2+ xerado pola disolución do CaSO4 superficial aumenta a forza iónica da lama, o que resulta na súa floculación.
Baixo a acción da deshidratación física e da coagulación química, as partículas de po cerámico deposítanse na parede do molde de xeso. A lechada é axeitada para a preparación de pezas cerámicas a grande escala con formas complexas, pero a calidade do corpo verde, incluíndo a forma, a densidade, a resistencia, etc., é deficiente, a intensidade laboral dos traballadores é alta e non é axeitada para operacións automatizadas.

2.2 Fundición a presión en quente
A fundición a presión en quente consiste en mesturar po cerámico con aglutinante (parafina) a unha temperatura relativamente alta (60~100 ℃) para obter unha suspensión para a fundición a presión en quente. A suspensión inxéctase no molde metálico baixo a acción de aire comprimido e mantense a presión. Arrefría e desmolda para obter unha peza en bruto de cera, a peza en bruto de cera desparafárase baixo a protección dun po inerte para obter un corpo verde e, finalmente, o corpo verde sintérase a alta temperatura para converterse en porcelana.

O corpo verde formado por fundición a presión en quente ten dimensións precisas, estrutura interna uniforme, menor desgaste do molde e alta eficiencia de produción, e é axeitado para diversas materias primas. A temperatura da suspensión de cera e do molde debe controlarse estritamente, se non, provocará subinxección ou deformación, polo que non é axeitado para a fabricación de pezas grandes, e o proceso de cocción en dous pasos é complicado e o consumo de enerxía é elevado.

2.3 Fundición en cinta
A fundición en cinta consiste en mesturar completamente po cerámico cunha gran cantidade de aglutinantes orgánicos, plastificantes, dispersantes, etc. para obter unha suspensión viscosa fluída, engadir a suspensión á tolva da máquina de fundición e usar un raspador para controlar o grosor. Flúe cara á cinta transportadora a través da boquilla de alimentación e, despois do secado, obtense a película en bruto.

Este proceso é axeitado para a preparación de materiais de película. Para obter unha mellor flexibilidade, engádese unha gran cantidade de materia orgánica e é necesario controlar estritamente os parámetros do proceso, xa que se non, pode causar defectos como descamación, raias, baixa resistencia da película ou descamación difícil. A materia orgánica utilizada é tóxica e causará contaminación ambiental, polo que se debe usar un sistema non tóxico ou menos tóxico na medida do posible para reducir a contaminación ambiental.

2.4 Moldeo por inxección de xel
A tecnoloxía de moldeo por inxección de xel é un novo proceso de prototipado rápido coloidal inventado por primeira vez por investigadores do Laboratorio Nacional de Oak Ridge a principios da década de 1990. O seu núcleo é o uso de solucións de monómeros orgánicos que se polimerizan en xeles de polímero-solvente de alta resistencia unidos lateralmente.

Unha pasta de po cerámico disolto nunha solución de monómeros orgánicos vértese nun molde e a mestura de monómeros polimerízase para formar unha peza xelificada. Dado que o polímero-solvente unido lateralmente contén só entre un 10 % e un 20 % (fracción en masa) de polímero, é doado eliminar o solvente da peza xelificada mediante un paso de secado. Ao mesmo tempo, debido á conexión lateral dos polímeros, estes non poden migrar co solvente durante o proceso de secado.

Este método pódese empregar para fabricar pezas cerámicas monofásicas e compostas, que poden formar pezas cerámicas de forma complexa e tamaño case neto, e a súa resistencia en verde é de ata 20-30 MPa ou máis, que poden ser reprocesadas. O principal problema deste método é que a taxa de contracción do corpo embrionario é relativamente alta durante o proceso de densificación, o que leva facilmente á deformación do corpo embrionario; algúns monómeros orgánicos teñen inhibición do osíxeno, o que fai que a superficie se pela e caia; debido ao proceso de polimerización de monómeros orgánicos inducido pola temperatura, o afeitado da temperatura provoca a existencia de tensión interna, o que fai que as pezas en branco se rompan, etc.

2.5 Moldeo por inxección de solidificación directa
O moldeo por inxección de solidificación directa é unha tecnoloxía de moldeo desenvolvida por ETH Zurich: auga con solvente, po cerámico e aditivos orgánicos mestúranse completamente para formar unha suspensión electrostaticamente estable, de baixa viscosidade e alto contido de sólidos, que se pode cambiar engadindo o pH da suspensión ou produtos químicos que aumentan a concentración de electrólitos; a continuación, a suspensión inxéctase nun molde non poroso.

Controlar o progreso das reaccións químicas durante o proceso. A reacción antes do moldeo por inxección lévase a cabo lentamente, a viscosidade da suspensión mantense baixa e a reacción acelérase despois do moldeo por inxección, a suspensión solidifícase e a suspensión fluída transfórmase nun corpo sólido. O corpo verde obtido ten boas propiedades mecánicas e a resistencia pode alcanzar os 5 kPa. O corpo verde desmoldéase, sécase e sintérase para formar unha peza cerámica coa forma desexada.

As súas vantaxes son que non precisa ou só precisa unha pequena cantidade de aditivos orgánicos (menos do 1%), o corpo verde non necesita ser desengraxado, a densidade do corpo verde é uniforme, a densidade relativa é alta (55%~70%) e pode formar pezas cerámicas de gran tamaño e formas complexas. A súa desvantaxe é que os aditivos son caros e, polo xeral, libérase gas durante a reacción.

2.6 Moldeo por inxección
O moldeo por inxección utilízase desde hai tempo no moldeo de produtos plásticos e no moldeo de moldes metálicos. Este proceso emprega o curado a baixa temperatura de compostos orgánicos termoplásticos ou o curado a alta temperatura de compostos orgánicos termoestables. O po e o soporte orgánico mestúranse nun equipo de mestura especial e logo inxéctanse no molde a alta presión (de decenas a centos de MPa). Debido á gran presión de moldeo, as pezas en bruto obtidas teñen dimensións precisas, alta suavidade e estrutura compacta; o uso de equipos de moldeo especiais mellora enormemente a eficiencia da produción.

A finais da década de 1970 e principios da de 1980, aplicouse o proceso de moldeo por inxección ao moldeo de pezas cerámicas. Este proceso realiza o moldeo de plástico de materiais estériles engadindo unha gran cantidade de materia orgánica, que é un proceso común de moldeo de plástico cerámico. Na tecnoloxía de moldeo por inxección, ademais de usar orgánicos termoplásticos (como polietileno, poliestireno), orgánicos termoestables (como resina epoxi, resina fenólica) ou polímeros solubles en auga como aglutinante principal, é necesario engadir certas cantidades de axudas ao proceso, como plastificantes, lubricantes e axentes de acoplamento, para mellorar a fluidez da suspensión de inxección cerámica e garantir a calidade do corpo moldeado por inxección.

O proceso de moldeo por inxección ten as vantaxes dun alto grao de automatización e un tamaño preciso da peza en bruto moldeada. Non obstante, o contido orgánico no corpo verde das pezas cerámicas moldeadas por inxección chega ao 50 % en volume. Eliminar estas substancias orgánicas no proceso de sinterización posterior leva moito tempo, mesmo de varios días a ducias de días, e é doado causar defectos de calidade.

2.7 Moldeo por inxección coloidal
Para resolver os problemas da gran cantidade de materia orgánica engadida e a dificultade de eliminar as dificultades no proceso tradicional de moldeo por inxección, a Universidade de Tsinghua propuxo creativamente un novo proceso para o moldeo por inxección coloidal de cerámica e desenvolveu de forma independente un prototipo de moldeo por inxección coloidal para realizar a inxección de lodos cerámicos estériles.

A idea básica é combinar o moldeo coloidal co moldeo por inxección, empregando equipos de inxección patentados e unha nova tecnoloxía de curado proporcionada polo proceso de moldeo por solidificación coloidal in situ. Este novo proceso utiliza menos do 4 % en peso de materia orgánica. Unha pequena cantidade de monómeros orgánicos ou compostos orgánicos na suspensión a base de auga utilízase para inducir rapidamente a polimerización dos monómeros orgánicos despois da inxección no molde para formar un esqueleto de rede orgánica, que envolve uniformemente o po cerámico. Entre eles, non só se reduce moito o tempo de desgomado, senón que tamén se reduce considerablemente a posibilidade de que se produza fenda durante o desgomado.

Existe unha enorme diferenza entre o moldeo por inxección de cerámica e o moldeo coloidal. A principal diferenza é que o primeiro pertence á categoría de moldeo de plástico e o segundo ao moldeo en suspensión, é dicir, a suspensión non ten plasticidade e é un material estéril. Debido a que a suspensión non ten plasticidade no moldeo coloidal, non se pode adoptar a idea tradicional do moldeo por inxección de cerámica. Se o moldeo coloidal se combina co moldeo por inxección, o moldeo por inxección coloidal de materiais cerámicos realízase mediante o uso de equipos de inxección patentados e a nova tecnoloxía de curado proporcionada polo proceso de moldeo coloidal in situ.

O novo proceso de moldeo por inxección coloidal de cerámica é diferente do moldeo coloidal xeral e do moldeo por inxección tradicional. A vantaxe dun alto grao de automatización do moldeo é unha sublimación cualitativa do proceso de moldeo coloidal, que se converterá na esperanza para a industrialización da cerámica de alta tecnoloxía.