Neun Präzisionsformverfahren für Zirkonoxidkeramik

Neun Präzisionsformverfahren für Zirkonoxidkeramik
Der Formprozess spielt eine verbindende Rolle im gesamten Herstellungsprozess keramischer Materialien und ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Leistungszuverlässigkeit und Produktionswiederholbarkeit keramischer Materialien und Komponenten.
Mit der Entwicklung der Gesellschaft können die traditionelle Handknetmethode, die Radformmethode, die Verfugungsmethode usw. traditioneller Keramik nicht mehr den Anforderungen der modernen Gesellschaft an Produktion und Verfeinerung gerecht werden, sodass ein neues Formverfahren geboren wurde.ZrO2-Feinkeramikmaterialien werden häufig in den folgenden 9 Arten von Formverfahren verwendet (2 Arten von Trockenverfahren und 7 Arten von Nassverfahren):

1. Trockenformen

1.1 Trockenpressen

Beim Trockenpressen wird Keramikpulver durch Druck in eine bestimmte Körperform gepresst.Sein Wesen besteht darin, dass sich die Pulverpartikel unter Einwirkung äußerer Kraft in der Form einander annähern und durch innere Reibung fest miteinander verbunden werden, um eine bestimmte Form beizubehalten.Der Hauptfehler bei trocken gepressten Grünkörpern ist die Abplatzung, die auf die innere Reibung zwischen den Pulvern und die Reibung zwischen den Pulvern und der Formwand zurückzuführen ist und zu einem Druckverlust im Inneren des Körpers führt.

Die Vorteile des Trockenpressens bestehen darin, dass die Größe des Grünkörpers genau ist, der Vorgang einfach ist und es bequem ist, einen mechanisierten Vorgang zu realisieren;Der Feuchtigkeits- und Bindemittelgehalt beim grünen Trockenpressen ist geringer und die Trocknungs- und Brennschrumpfung ist gering.Es wird hauptsächlich zur Herstellung von Produkten mit einfachen Formen verwendet und das Seitenverhältnis ist klein.Der Nachteil des Trockenpressens ist der durch Formverschleiß erhöhte Produktionsaufwand.

1.2 Isostatisches Pressen

Das isostatische Pressen ist ein spezielles Umformverfahren, das auf der Grundlage des traditionellen Trockenpressens entwickelt wurde.Es nutzt den Flüssigkeitsübertragungsdruck, um aus allen Richtungen gleichmäßig Druck auf das Pulver in der elastischen Form auszuüben.Aufgrund der Konstanz des Innendrucks der Flüssigkeit steht das Pulver in allen Richtungen unter dem gleichen Druck, sodass Dichteunterschiede des Grünkörpers vermieden werden können.

Das isostatische Pressen wird in isostatisches Nasspressen und isostatisches Trockenpressen unterteilt.Das isostatische Pressen im Nassbeutel kann Produkte mit komplexen Formen formen, funktioniert jedoch nur intermittierend.Durch isostatisches Trockenbeutelpressen kann ein automatischer kontinuierlicher Betrieb realisiert werden, es können jedoch nur Produkte mit einfachen Formen wie quadratischen, runden und röhrenförmigen Querschnitten geformt werden.Durch isostatisches Pressen kann ein gleichmäßiger und dichter Grünkörper mit geringer Brennschrumpfung und gleichmäßiger Schrumpfung in alle Richtungen erhalten werden. Die Ausrüstung ist jedoch komplex und teuer, die Produktionseffizienz ist nicht hoch und es eignet sich nur für die Herstellung von Materialien mit besonderen Anforderungen Anforderungen.

2. Nassformen

2.1 Verfugung
Der Injektionsformprozess ähnelt dem Bandguss. Der Unterschied besteht darin, dass der Formprozess einen physikalischen Dehydrierungsprozess und einen chemischen Koagulationsprozess umfasst.Bei der physikalischen Entwässerung wird das Wasser in der Aufschlämmung durch die Kapillarwirkung der porösen Gipsform entfernt.Das durch die Auflösung des Oberflächen-CaSO4 erzeugte Ca2+ erhöht die Ionenstärke der Aufschlämmung, was zur Ausflockung der Aufschlämmung führt.
Durch physikalische Dehydrierung und chemische Koagulation lagern sich die Keramikpulverpartikel an der Wand der Gipsform ab.Das Verfugen eignet sich für die Herstellung großformatiger Keramikteile mit komplexen Formen, aber die Qualität des Grünkörpers, einschließlich Form, Dichte, Festigkeit usw., ist schlecht, die Arbeitsintensität der Arbeiter ist hoch und es ist nicht geeignet für automatisierte Abläufe.

2.2 Warmdruckguss
Beim Heißdruckguss wird Keramikpulver mit Bindemittel (Paraffin) bei relativ hoher Temperatur (60–100 °C) gemischt, um eine Aufschlämmung für den Heißdruckguss zu erhalten.Die Aufschlämmung wird unter Einwirkung von Druckluft in die Metallform eingespritzt und der Druck aufrechterhalten.Durch Abkühlen und Entformen erhält man einen Wachsrohling, der Wachsrohling wird unter dem Schutz eines inerten Pulvers entparaffiniert, um einen Grünkörper zu erhalten, und der Grünkörper wird bei hoher Temperatur zu Porzellan gesintert.

Der durch Heißdruckguss gebildete Grünkörper weist präzise Abmessungen, eine gleichmäßige Innenstruktur, einen geringeren Formverschleiß und eine hohe Produktionseffizienz auf und ist für verschiedene Rohstoffe geeignet.Die Temperatur der Wachsaufschlämmung und der Form muss streng kontrolliert werden, da es sonst zu einer Unterspritzung oder Verformung kommt. Daher ist sie nicht für die Herstellung großer Teile geeignet, und der zweistufige Brennprozess ist kompliziert und der Energieverbrauch ist hoch.

2.3 Bandguss
Beim Bandgießen wird Keramikpulver vollständig mit einer großen Menge organischer Bindemittel, Weichmacher, Dispergiermittel usw. gemischt, um eine fließfähige, viskose Aufschlämmung zu erhalten, die Aufschlämmung in den Trichter der Gießmaschine zu geben und die Dicke mit einem Schaber zu kontrollieren.Durch die Zuführdüse fließt es auf das Förderband und nach dem Trocknen entsteht der Folienzuschnitt.

Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Filmmaterialien.Um eine bessere Flexibilität zu erreichen, wird eine große Menge organischer Stoffe zugesetzt und die Prozessparameter müssen streng kontrolliert werden, da es sonst leicht zu Fehlern wie Abblättern, Streifen, geringer Filmfestigkeit oder schwierigem Ablösen kommt.Die verwendeten organischen Stoffe sind giftig und verursachen Umweltverschmutzung. Um die Umweltverschmutzung zu verringern, sollte so weit wie möglich ein ungiftiges oder weniger giftiges System verwendet werden.

2.4 Gelspritzguss
Die Gelspritzgusstechnologie ist ein neues kolloidales Rapid-Prototyping-Verfahren, das erstmals Anfang der 1990er Jahre von Forschern am Oak Ridge National Laboratory erfunden wurde.Im Mittelpunkt steht die Verwendung organischer Monomerlösungen, die zu hochfesten, lateral verknüpften Polymer-Lösungsmittel-Gelen polymerisieren.

Eine Aufschlämmung aus Keramikpulver, gelöst in einer Lösung organischer Monomere, wird in eine Form gegossen, und die Monomermischung polymerisiert, um ein geliertes Teil zu bilden.Da das lateral verbundene Polymer-Lösungsmittel nur 10–20 % (Massenanteil) Polymer enthält, ist es einfach, das Lösungsmittel durch einen Trocknungsschritt aus dem Gelteil zu entfernen.Gleichzeitig ist durch die seitliche Anbindung der Polymere eine Migration der Polymere mit dem Lösungsmittel während des Trocknungsprozesses nicht möglich.

Mit diesem Verfahren können einphasige und zusammengesetzte Keramikteile hergestellt werden, die komplex geformte Keramikteile in Quasi-Nettogröße bilden können. Die Grünfestigkeit beträgt bis zu 20–30 MPa oder mehr und kann wiederverarbeitet werden.Das Hauptproblem dieser Methode besteht darin, dass die Schrumpfungsrate des Embryokörpers während des Verdichtungsprozesses relativ hoch ist, was leicht zu einer Verformung des Embryokörpers führt.Einige organische Monomere wirken sauerstoffhemmend, was dazu führt, dass sich die Oberfläche ablöst und abfällt.Aufgrund des temperaturinduzierten Polymerisationsprozesses organischer Monomere führt die Temperaturveränderung zu inneren Spannungen, die zum Bruch der Rohlinge usw. führen.

2.5 Direkterstarrungsspritzguss
Direkterstarrungsspritzguss ist eine von der ETH Zürich entwickelte Formtechnologie: Lösungsmittelwasser, Keramikpulver und organische Additive werden vollständig gemischt, um eine elektrostatisch stabile, niedrigviskose Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt zu bilden, die durch Zugabe des pH-Werts der Aufschlämmung oder von Chemikalien geändert werden kann Dadurch wird die Elektrolytkonzentration erhöht. Anschließend wird die Aufschlämmung in eine nicht poröse Form eingespritzt.

Kontrollieren Sie den Fortschritt chemischer Reaktionen während des Prozesses.Die Reaktion vor dem Spritzgießen erfolgt langsam, die Viskosität der Aufschlämmung wird niedrig gehalten und die Reaktion wird nach dem Spritzgießen beschleunigt, die Aufschlämmung verfestigt sich und die flüssige Aufschlämmung wird in einen festen Körper umgewandelt.Der erhaltene Grünkörper weist gute mechanische Eigenschaften auf und die Festigkeit kann 5 kPa erreichen.Der Grünkörper wird entformt, getrocknet und gesintert, um ein Keramikteil mit der gewünschten Form zu bilden.

Seine Vorteile bestehen darin, dass es keine oder nur eine geringe Menge organischer Zusätze benötigt (weniger als 1 %), der Grünkörper nicht entfettet werden muss, die Grünkörperdichte gleichmäßig ist und die relative Dichte hoch ist (55 %). 70 %), und es können großformatige und komplex geformte Keramikteile gebildet werden.Der Nachteil besteht darin, dass die Additive teuer sind und während der Reaktion in der Regel Gas freigesetzt wird.

2.6 Spritzguss
Spritzguss wird seit langem beim Formen von Kunststoffprodukten und beim Formen von Metallformen eingesetzt.Dieses Verfahren nutzt die Aushärtung thermoplastischer organischer Stoffe bei niedriger Temperatur oder die Aushärtung duroplastischer organischer Stoffe bei hoher Temperatur.Das Pulver und der organische Träger werden in einer speziellen Mischanlage gemischt und dann unter hohem Druck (zehn bis hunderte MPa) in die Form eingespritzt.Aufgrund des hohen Formdrucks weisen die erhaltenen Rohlinge präzise Abmessungen, eine hohe Glätte und eine kompakte Struktur auf;Der Einsatz spezieller Formgeräte verbessert die Produktionseffizienz erheblich.

In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren wurde das Spritzgussverfahren zum Formen von Keramikteilen eingesetzt.Bei diesem Verfahren werden unfruchtbare Materialien plastisch geformt, indem eine große Menge organischer Stoffe hinzugefügt wird. Dies ist ein übliches Verfahren zum Formen keramischer Kunststoffe.In der Spritzgusstechnik ist es neben der Verwendung thermoplastischer organischer Stoffe (z. B. Polyethylen, Polystyrol), duroplastischer organischer Stoffe (z. B. Epoxidharz, Phenolharz) oder wasserlöslicher Polymere als Hauptbindemittel erforderlich, bestimmte Prozessmengen zuzugeben Hilfsmittel wie Weichmacher, Gleitmittel und Haftvermittler, um die Fließfähigkeit der keramischen Injektionssuspension zu verbessern und die Qualität des Spritzgusskörpers sicherzustellen.

Der Spritzgussprozess bietet die Vorteile eines hohen Automatisierungsgrades und einer präzisen Größe des Formrohlings.Allerdings beträgt der organische Anteil im Grünkörper spritzgegossener Keramikteile bis zu 50 Vol.-%.Es dauert lange, sogar mehrere Tage bis Dutzende von Tagen, bis diese organischen Substanzen im anschließenden Sinterprozess entfernt werden, und es kann leicht zu Qualitätsmängeln kommen.

2.7 Kolloidales Spritzgießen
Um die Probleme der großen Menge hinzugefügter organischer Stoffe und die Schwierigkeit, die Schwierigkeiten beim traditionellen Spritzgussverfahren zu beseitigen, zu lösen, schlug die Tsinghua-Universität kreativ ein neues Verfahren für das kolloidale Spritzgießen von Keramik vor und entwickelte unabhängig einen kolloidalen Spritzguss-Prototyp um die Injektion von unfruchtbarem Keramikschlamm zu realisieren.Bildung.

Die Grundidee besteht darin, kolloidales Formen mit Spritzgießen zu kombinieren, wobei proprietäre Einspritzgeräte und neue Härtungstechnologien verwendet werden, die durch das kolloidale In-situ-Erstarrungsformverfahren bereitgestellt werden.Dieses neue Verfahren verbraucht weniger als 4 Gew.-% organische Substanz.Eine kleine Menge organischer Monomere oder organischer Verbindungen in der wasserbasierten Suspension wird verwendet, um die Polymerisation organischer Monomere nach dem Einspritzen in die Form schnell einzuleiten und so ein organisches Netzwerkskelett zu bilden, das das Keramikpulver gleichmäßig umhüllt.Dadurch wird nicht nur die Entschleimungszeit erheblich verkürzt, sondern auch die Möglichkeit von Rissen bei der Entschleimung erheblich verringert.

Es gibt einen großen Unterschied zwischen dem Spritzgießen von Keramik und dem Kolloidformen.Der Hauptunterschied besteht darin, dass Ersteres zur Kategorie des Kunststoffformens und Letzteres zum Schlammformen gehört, d. h. der Schlamm weist keine Plastizität auf und ist ein unfruchtbares Material.Da die Aufschlämmung beim kolloidalen Formen keine Plastizität aufweist, kann die traditionelle Idee des Keramikspritzgießens nicht übernommen werden.Wenn das kolloidale Formen mit dem Spritzgießen kombiniert wird, wird das kolloidale Spritzgießen von Keramikmaterialien durch den Einsatz proprietärer Injektionsgeräte und neuer Aushärtungstechnologie durch das kolloidale In-situ-Formverfahren realisiert.

Das neue Verfahren des kolloidalen Spritzgießens von Keramik unterscheidet sich vom allgemeinen kolloidalen Formen und dem herkömmlichen Spritzgießen.Der Vorteil eines hohen Grades an Formautomatisierung ist eine qualitative Sublimation des kolloidalen Formprozesses, der zur Hoffnung für die Industrialisierung von Hightech-Keramik werden wird.