Цирконий керамикасының тоғыз дәлдікпен қалыптау процесі

Цирконий керамикасының тоғыз дәлдікпен қалыптау процесі
Қалыптау процесі керамикалық материалдарды дайындаудың бүкіл процесінде байланыстырушы рөл атқарады және керамикалық материалдар мен компоненттердің өнімділік сенімділігі мен өндірістік қайталануын қамтамасыз етудің кілті болып табылады.
Қоғамның дамуымен дәстүрлі керамиканы қолмен илеудің дәстүрлі әдісі, дөңгелекті қалыптау әдісі, цементтеу әдісі және т.б. қазіргі қоғамның өндіріс пен жетілдіруге деген қажеттіліктерін қанағаттандыра алмайды, сондықтан жаңа қалыптау процесі пайда болды. ZrO2 жұқа керамикалық материалдары келесі 9 түрлі қалыптау процестерінде кеңінен қолданылады (2 түрлі құрғақ әдіс және 7 түрлі ылғалды әдіс):

1. Құрғақ қалыптау

1.1 Құрғақ сығымдау

Құрғақ престеу керамикалық ұнтақты корпустың белгілі бір пішініне басу үшін қысымды пайдаланады. Оның мәні сыртқы күштің әсерінен ұнтақ бөлшектері қалыпта бір-біріне жақындайды және белгілі бір пішінді сақтау үшін ішкі үйкеліс арқылы мықтап біріктіріледі. Құрғақ престеу арқылы жасалған жасыл денелердің негізгі кемшілігі - ұнтақтар арасындағы ішкі үйкеліс пен ұнтақтар мен қалып қабырғасы арасындағы үйкеліс салдарынан пайда болатын спаллаляция, бұл корпус ішіндегі қысымның жоғалуына әкеледі.

Құрғақ престеудің артықшылықтары - жасыл корпустың өлшемі дәл, жұмыс қарапайым және механикаландырылған жұмысты жүзеге асыруға ыңғайлы; жасыл құрғақ престеудегі ылғал мен байланыстырушы заттардың мөлшері аз, ал кептіру және күйдіру кезіндегі кішірею аз. Ол негізінен қарапайым пішінді өнімдерді қалыптастыру үшін қолданылады және өлшем арақатынасы аз. Қалыптың тозуынан туындаған өндіріс құнының артуы құрғақ престеудің кемшілігі болып табылады.

1.2 Изостатикалық престеу

Изостатикалық престеу - дәстүрлі құрғақ престеу негізінде жасалған арнайы қалыптау әдісі. Ол серпімді қалып ішіндегі ұнтақ бетіне барлық бағыттан біркелкі қысым жасау үшін сұйықтық беру қысымын пайдаланады. Сұйықтықтың ішкі қысымының тұрақтылығына байланысты ұнтақ барлық бағытта бірдей қысымға ие, сондықтан жасыл дененің тығыздығының айырмашылығын болдырмауға болады.

Изостатикалық престеу ылғалды қапшықтағы изостатикалық престеу және құрғақ қапшықтағы изостатикалық престеу болып бөлінеді. Ылғал қапшықтағы изостатикалық престеу күрделі пішінді өнімдерді жасай алады, бірақ ол тек үзіліспен жұмыс істей алады. Құрғақ қапшықтағы изостатикалық престеу автоматты үздіксіз жұмысты жүзеге асыра алады, бірақ тек шаршы, дөңгелек және түтік тәрізді көлденең қималар сияқты қарапайым пішінді өнімдерді жасай алады. Изостатикалық престеу біркелкі және тығыз жасыл денеге қол жеткізе алады, барлық бағытта аздап күйдіру және біркелкі кішірею мүмкіндігі бар, бірақ жабдық күрделі және қымбат, өндіріс тиімділігі жоғары емес және ол тек арнайы талаптары бар материалдарды өндіруге жарамды.

2. Ылғалды қалыптау

2.1 Шегендеу
Шегендеп қалыптау процесі таспа құюға ұқсас, айырмашылығы - қалыптау процесі физикалық дегидратация процесін және химиялық коагуляция процесін қамтиды. Физикалық дегидратация кеуекті гипс қалыпының капиллярлық әрекеті арқылы суспензиядағы суды кетіреді. CaSO4 бетінің еруі нәтижесінде пайда болған Ca2+ суспензияның иондық беріктігін арттырады, нәтижесінде суспензияның флокуляциясы пайда болады.
Физикалық дегидратация және химиялық коагуляция әсерінен керамикалық ұнтақ бөлшектері гипс қалып қабырғасына шөгеді. Шегірткі күрделі пішінді ірі көлемді керамикалық бөлшектерді дайындауға жарамды, бірақ жасыл корпустың сапасы, соның ішінде пішіні, тығыздығы, беріктігі және т.б. нашар, жұмысшылардың еңбек сыйымдылығы жоғары және автоматтандырылған операцияларға жарамсыз.

2.2 Ыстық қалыппен құю
Ыстық қалыппен құю дегеніміз - ыстық қалыппен құюға арналған суспензия алу үшін керамикалық ұнтақты байланыстырушы затпен (парафин) салыстырмалы түрде жоғары температурада (60 ~ 100℃) араластыру. Суспензия сығылған ауаның әсерінен металл қалыпқа енгізіледі және қысым сақталады. Балауыз дайындамасын алу үшін салқындату, демонтаждау, балауыз дайындамасы жасыл дене алу үшін инертті ұнтақтың қорғауымен парафинсіздендірілген, ал жасыл дене фарфорға айналу үшін жоғары температурада күйдірілген.

Ыстық қалыппен құю арқылы пайда болған жасыл корпустың өлшемдері дәл, ішкі құрылымы біркелкі, қалып тозуы аз және өндіріс тиімділігі жоғары және әртүрлі шикізатқа жарамды. Балауыз суспензиясы мен қалып температурасын қатаң бақылау қажет, әйтпесе бұл инъекцияның астында қалуына немесе деформацияға әкелуі мүмкін, сондықтан ол үлкен бөлшектерді өндіруге жарамсыз, ал екі сатылы күйдіру процесі күрделі және энергия шығыны жоғары.

2.3 Таспа құю
Таспамен құю дегеніміз - ағынды тұтқыр суспензия алу үшін керамикалық ұнтақты көп мөлшерде органикалық байланыстырғыштармен, пластификаторлармен, диспергенттермен және т.б. толығымен араластыру, суспензияны құю машинасының бункеріне қосу және қалыңдығын бақылау үшін қырғышты пайдалану. Ол беру саптамасы арқылы конвейер таспасына ағып кетеді, ал кепкеннен кейін пленка дайындамасы алынады.

Бұл процесс пленка материалдарын дайындауға жарамды. Жақсы икемділікке қол жеткізу үшін көп мөлшерде органикалық заттар қосылады және процесс параметрлерін қатаң бақылау қажет, әйтпесе қабыршақтану, жолақтар, пленканың беріктігінің төмендеуі немесе қабыршақтанудың қиындауы сияқты ақауларды оңай тудырады. Қолданылатын органикалық заттар улы және қоршаған ортаның ластануына әкеледі, сондықтан қоршаған ортаның ластануын азайту үшін мүмкіндігінше улы емес немесе аз уытты жүйені пайдалану керек.

2.4 Гельді инъекциялық қалыптау
Гельді инъекциялық қалыптау технологиясы - 1990 жылдардың басында Оук Ридж ұлттық зертханасының зерттеушілері алғаш рет ойлап тапқан жаңа коллоидты жылдам прототиптеу процесі. Оның негізінде жоғары беріктікке ие, бүйірлік байланысқан полимер-еріткіш гельдерге полимерленетін органикалық мономер ерітінділерін пайдалану жатыр.

Органикалық мономерлер ерітіндісінде ерітілген керамикалық ұнтақ қоспасы қалыпқа құйылады, ал мономер қоспасы гель тәрізді бөлшек түзу үшін полимерленеді. Бүйірлік байланысқан полимер-еріткіш құрамында тек 10%–20% (массалық үлес) полимер болғандықтан, еріткішті гель бөлігінен кептіру қадамымен оңай алып тастауға болады. Сонымен қатар, полимерлердің бүйірлік байланысына байланысты полимерлер кептіру процесінде еріткішпен бірге қозғала алмайды.

Бұл әдісті күрделі пішінді, квазиторлы өлшемді керамикалық бөлшектерді құра алатын бір фазалы және композиттік керамикалық бөлшектерді өндіру үшін пайдалануға болады, ал оның беріктігі 20-30 МПа немесе одан да жоғары, оны қайта өңдеуге болады. Бұл әдістің негізгі мәселесі - тығыздау процесінде эмбрион денесінің кішірею жылдамдығы салыстырмалы түрде жоғары, бұл эмбрион денесінің деформациясына оңай әкеледі; кейбір органикалық мономерлерде оттегінің тежелуі бар, бұл бетінің қабыршақтануына және түсіп кетуіне әкеледі; температура тудыратын органикалық мономерлердің полимерлену процесіне байланысты температураның өзгеруі ішкі кернеудің пайда болуына әкеледі, бұл дайындамалардың сынуына және т.б. әкеледі.

2.5 Тікелей қатаюға арналған инъекциялық қалыптау
Тікелей қатаюға арналған инъекциялық қалыптау - ETH Zurich әзірлеген қалыптау технологиясы: еріткіш су, керамикалық ұнтақ және органикалық қоспалар электростатикалық тұрақты, төмен тұтқырлықтағы, жоғары қатты құрамды суспензия қалыптастыру үшін толығымен араластырылады, оны суспензияның рН мәнін немесе электролит концентрациясын арттыратын химиялық заттарды қосу арқылы өзгертуге болады, содан кейін суспензия кеуекті емес қалыпқа енгізіледі.

Процесс барысында химиялық реакциялардың барысын бақылаңыз. Инъекциялық қалыптау алдындағы реакция баяу жүреді, суспензияның тұтқырлығы төмен деңгейде сақталады және инъекциялық қалыптаудан кейін реакция жеделдетіледі, суспензия қатаяды және сұйық суспензия қатты денеге айналады. Алынған жасыл дене жақсы механикалық қасиеттерге ие және беріктігі 5 кПа-ға жетуі мүмкін. Жасыл дене қажетті пішіндегі керамикалық бөлікті қалыптастыру үшін ерітіліп, кептіріліп, күйдіріледі.

Оның артықшылықтары - оған органикалық қоспалардың аз мөлшері қажет емес немесе тек аз мөлшерде қажет (1%-дан аз), жасыл денені майсыздандырудың қажеті жоқ, жасыл дененің тығыздығы біркелкі, салыстырмалы тығыздығы жоғары (55% ~ 70%) және ол үлкен өлшемді және күрделі пішінді керамикалық бөлшектерді түзе алады. Оның кемшілігі - қоспалардың қымбаттығы және реакция кезінде газдың бөлінуі.

2.6 Инъекциялық қалыптау
Инъекциялық қалыптау пластмасса бұйымдарын қалыптауда және металл қалыптарды қалыптауда ұзақ уақыт бойы қолданылып келеді. Бұл процесс термопластикалық органикалық заттарды төмен температурада қатайтуды немесе термосет органикалық заттарды жоғары температурада қатайтуды қолданады. Ұнтақ пен органикалық тасымалдағыш арнайы араластыру жабдығында араластырылады, содан кейін жоғары қысыммен (ондағаннан жүздеген МПа-ға дейін) қалыпқа құйылады. Қалыптау қысымының жоғары болуына байланысты алынған дайындамалар дәл өлшемдерге, жоғары тегістікке және ықшам құрылымға ие; арнайы қалыптау жабдығын пайдалану өндіріс тиімділігін айтарлықтай жақсартады.

1970 жылдардың аяғы мен 1980 жылдардың басында керамикалық бөлшектерді қалыптауға инжекциялық қалыптау процесі қолданылды. Бұл процесс көп мөлшерде органикалық заттарды қосу арқылы бос материалдарды пластикалық қалыптауды жүзеге асырады, бұл кең таралған керамикалық пластикалық қалыптау процесі. Инжекциялық қалыптау технологиясында термопластикалық органикалық заттарды (мысалы, полиэтилен, полистирол), термореактивті органикалық заттарды (мысалы, эпоксидті шайыр, фенол шайыры) немесе суда еритін полимерлерді негізгі байланыстырушы зат ретінде пайдаланумен қатар, керамикалық инжекциялық суспензияның сұйықтығын жақсарту және инжекциялық қалыпталған корпустың сапасын қамтамасыз ету үшін пластификаторлар, майлағыштар және байланыстырушы агенттер сияқты белгілі бір мөлшерде технологиялық көмекші заттарды қосу қажет.

Инъекциялық қалыптау процесінің артықшылықтары жоғары автоматтандыру дәрежесі және қалыптау дайындамасының дәл өлшемі болып табылады. Дегенмен, инъекциялық қалыптау арқылы жасалған керамикалық бөлшектердің жасыл корпусындағы органикалық құрам 50 вольтқа дейін жетеді. Кейінгі күйдіру процесінде бұл органикалық заттарды жою үшін ұзақ уақыт, тіпті бірнеше күннен ондаған күнге дейін уақыт кетеді және сапа ақауларын тудыру оңай.

2.7 Коллоидты инъекциялық қалыптау
Қосылған органикалық заттардың көп мөлшері және дәстүрлі құю процесіндегі қиындықтарды жою қиындықтарын шешу үшін Цинхуа университеті керамиканы коллоидты құюдың жаңа процесін шығармашылықпен ұсынды және құнарсыз керамикалық шламды құюды жүзеге асыру үшін коллоидты құю прототипін өз бетінше жасады.

Негізгі идея - коллоидты қалыптауды инъекциялық қалыптаумен біріктіру, меншікті инъекциялық жабдықты және коллоидты in-situ қатайту қалыптау процесімен қамтамасыз етілген жаңа қатайту технологиясын пайдалану. Бұл жаңа процесс органикалық заттардың 4% -дан азын пайдаланады. Су негізіндегі суспензиядағы аз мөлшерде органикалық мономерлер немесе органикалық қосылыстар қалыпқа енгізілгеннен кейін органикалық мономерлердің полимерленуін тез индукциялау үшін қолданылады, бұл керамикалық ұнтақты біркелкі орап тұратын органикалық желілік қаңқаны құрайды. Олардың ішінде дезинфекциялау уақыты ғана емес, сонымен қатар дезинфекциялаудың жарылу мүмкіндігі де айтарлықтай азаяды.

Керамиканы инъекциялық қалыптау мен коллоидты қалыптау арасында үлкен айырмашылық бар. Негізгі айырмашылығы - біріншісі пластикалық қалыптау санатына жатады, ал екіншісі суспензия қалыптауға жатады, яғни суспензияның икемділігі жоқ және ол бос материал болып табылады. Коллоидты қалыптауда суспензияның икемділігі болмағандықтан, керамикалық инъекциялық қалыптаудың дәстүрлі идеясын қабылдау мүмкін емес. Егер коллоидты қалыптау инъекциялық қалыптаумен біріктірілсе, керамикалық материалдарды коллоидты инъекциялық қалыптау меншікті инъекциялық жабдықты және коллоидты in-situ қалыптау процесімен қамтамасыз етілген жаңа қатайту технологиясын пайдалану арқылы жүзеге асырылады.

Керамиканы коллоидты инъекциялық қалыптаудың жаңа процесі жалпы коллоидты қалыптаудан және дәстүрлі инъекциялық қалыптаудан ерекшеленеді. Қалыптауды автоматтандырудың жоғары дәрежесінің артықшылығы - коллоидты қалыптау процесінің сапалы сублимациясы, бұл жоғары технологиялық керамиканы индустрияландырудың үмітіне айналады.