Zirkonyum seramiklerin dokuz hassas kalıplama işlemi
Kalıplama işlemi, seramik malzemelerin tüm hazırlık sürecinde bağlayıcı bir rol oynar ve seramik malzeme ve bileşenlerin performans güvenilirliğini ve üretim tekrarlanabilirliğini sağlamanın anahtarıdır.
Toplumun gelişmesiyle birlikte, geleneksel seramiklerin geleneksel el yoğurma yöntemi, tekerlek şekillendirme yöntemi, enjeksiyon yöntemi vb. artık modern toplumun üretim ve rafine etme ihtiyaçlarını karşılayamamakta, bu nedenle yeni bir kalıplama yöntemi ortaya çıkmaktadır. ZrO2 ince seramik malzemeler, aşağıdaki 9 tip kalıplama işleminde (2 tip kuru yöntem ve 7 tip ıslak yöntem) yaygın olarak kullanılmaktadır:
1. Kuru kalıplama
1.1 Kuru presleme
Kuru presleme, seramik tozunu gövdeye belirli bir şekil vermek için basınç kullanır. Özü, dış kuvvetin etkisi altında toz parçacıklarının kalıp içinde birbirine yaklaşması ve belirli bir şekli korumak için iç sürtünmeyle sıkıca birleşmesidir. Kuru preslenmiş ham gövdelerdeki temel kusur, tozlar arasındaki iç sürtünmeden ve tozlar ile kalıp duvarı arasındaki sürtünmeden kaynaklanan ve gövde içinde basınç kaybına neden olan parçalanmadır.
Kuru preslemenin avantajları, ham gövdenin boyutunun hassas olması, işlemin basit olması ve mekanize işlemin kolay gerçekleştirilmesidir; ham kuru preslemedeki nem ve bağlayıcı içeriği daha azdır ve kurutma ve pişirme büzülmesi düşüktür. Genellikle basit şekilli ürünler oluşturmak için kullanılır ve en boy oranı küçüktür. Kalıp aşınmasının neden olduğu artan üretim maliyeti, kuru preslemenin dezavantajıdır.
1.2 İzostatik presleme
İzostatik presleme, geleneksel kuru presleme temelinde geliştirilmiş özel bir şekillendirme yöntemidir. Elastik kalıp içindeki toza her yönden eşit basınç uygulamak için sıvı iletim basıncını kullanır. Sıvının iç basıncının tutarlılığı sayesinde, toz her yönde aynı basınca maruz kalır, böylece ham gövdenin yoğunluk farkı önlenebilir.
İzostatik presleme, ıslak torba izostatik presleme ve kuru torba izostatik presleme olarak ikiye ayrılır. Islak torba izostatik presleme, karmaşık şekillere sahip ürünler oluşturabilir, ancak yalnızca aralıklı olarak çalışabilir. Kuru torba izostatik presleme, otomatik sürekli çalışma gerçekleştirebilir, ancak yalnızca kare, yuvarlak ve boru kesitli gibi basit şekillere sahip ürünler oluşturabilir. İzostatik presleme, düşük pişirme büzülmesi ve her yönde homojen büzülme ile homojen ve yoğun bir ham gövde elde edebilir, ancak ekipman karmaşık ve pahalıdır ve üretim verimliliği yüksek değildir. Bu yöntem, yalnızca özel gereksinimleri olan malzemelerin üretimi için uygundur.
2. Islak şekillendirme
2.1 Harçlama
Harçlı kalıplama işlemi, bant dökümüne benzer; ancak kalıplama işleminin fiziksel dehidrasyon ve kimyasal koagülasyon işlemlerini içermesi fark yaratır. Fiziksel dehidrasyon, gözenekli alçı kalıbın kılcal hareketi yoluyla bulamaçtaki suyu uzaklaştırır. Yüzeydeki CaSO4'ün çözünmesiyle oluşan Ca2+, bulamacın iyonik dayanımını artırarak bulamacın flokülasyonuna neden olur.
Fiziksel dehidrasyon ve kimyasal pıhtılaşma etkisi altında, seramik toz parçacıkları alçı kalıp duvarına birikir. Harçlama, karmaşık şekillere sahip büyük ölçekli seramik parçaların hazırlanması için uygundur, ancak şekil, yoğunluk, mukavemet vb. dahil olmak üzere ham gövdenin kalitesi düşüktür, işçilerin iş yoğunluğu yüksektir ve otomatik işlemler için uygun değildir.
2.2 Sıcak döküm
Sıcak kalıp döküm, seramik tozunun bağlayıcı (parafin) ile nispeten yüksek bir sıcaklıkta (60-100℃) karıştırılarak sıcak kalıp dökümü için bulamaç elde edilmesidir. Bulamaç, basınçlı havanın etkisi altında metal kalıba enjekte edilir ve basınç korunur. Soğutulduktan sonra kalıptan çıkarılarak bir balmumu kalıbı elde edilir, balmumu kalıbı inert bir tozun koruması altında balmumu alınarak yeşil bir gövde elde edilir ve yeşil gövde yüksek sıcaklıkta sinterlenerek porselen haline getirilir.
Sıcak dökümle üretilen yeşil gövde, hassas ölçülere, homojen iç yapıya, daha az kalıp aşınmasına ve yüksek üretim verimliliğine sahiptir ve çeşitli hammaddeler için uygundur. Balmumu bulamacının ve kalıbın sıcaklığının sıkı bir şekilde kontrol edilmesi gerekir, aksi takdirde yetersiz enjeksiyon veya deformasyona neden olur, bu nedenle büyük parçaların üretimi için uygun değildir ve iki aşamalı pişirme işlemi karmaşıktır ve enerji tüketimi yüksektir.
2.3 Bant dökümü
Bant döküm, seramik tozunun büyük miktarda organik bağlayıcı, plastikleştirici, dağıtıcı vb. ile karıştırılarak akışkan, viskoz bir bulamaç elde edilmesidir. Bulamaç, döküm makinesinin haznesine eklenir ve kalınlığını kontrol etmek için bir kazıyıcı kullanılır. Besleme nozulundan konveyör bandına akar ve kurutulduktan sonra film ham maddesi elde edilir.
Bu işlem, film malzemelerinin hazırlanması için uygundur. Daha iyi esneklik elde etmek için bol miktarda organik madde eklenir ve işlem parametrelerinin sıkı bir şekilde kontrol edilmesi gerekir; aksi takdirde soyulma, çizgilenme, düşük film mukavemeti veya zor soyulma gibi kusurlar kolayca oluşabilir. Kullanılan organik madde toksiktir ve çevre kirliliğine neden olur; çevre kirliliğini azaltmak için mümkün olduğunca toksik olmayan veya daha az toksik bir sistem kullanılmalıdır.
2.4 Jel enjeksiyon kalıplama
Jel enjeksiyon kalıplama teknolojisi, ilk olarak 1990'ların başında Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı araştırmacıları tarafından icat edilen yeni bir kolloidal hızlı prototipleme sürecidir. Özünde, yüksek mukavemetli, yanal bağlı polimer-çözücü jellere polimerize olan organik monomer çözeltilerinin kullanımı yer alır.
Organik monomer çözeltisinde çözünmüş bir seramik tozu bulamacı bir kalıba dökülür ve monomer karışımı polimerleşerek jelleşmiş bir parça oluşturur. Yanal olarak bağlı polimer-çözücü yalnızca %10-%20 (kütle kesri) oranında polimer içerdiğinden, çözücünün jel parçadan bir kurutma adımıyla uzaklaştırılması kolaydır. Aynı zamanda, polimerlerin yanal bağlantısı sayesinde, polimerler kurutma işlemi sırasında çözücüyle birlikte göç edemez.
Bu yöntem, karmaşık şekilli, yarı net boyutlu seramik parçalar oluşturabilen tek fazlı ve kompozit seramik parçaların üretiminde kullanılabilir ve ham mukavemeti 20-30 MPa veya daha fazlasına kadar ulaşarak yeniden işlenebilir. Bu yöntemin temel sorunu, yoğunlaştırma işlemi sırasında embriyo gövdesinin büzülme hızının nispeten yüksek olması ve bunun embriyo gövdesinin kolayca deformasyonuna yol açmasıdır; bazı organik monomerler oksijen inhibisyonuna sahiptir ve bu da yüzeyin soyulup düşmesine neden olur; sıcaklığa bağlı organik monomer polimerizasyon süreci nedeniyle, sıcaklık tıraşı iç gerilime yol açarak boşlukların kırılmasına vb. neden olur.
2.5 Doğrudan katılaştırma enjeksiyon kalıplama
Doğrudan katılaşma enjeksiyon kalıplama, ETH Zürih tarafından geliştirilen bir kalıplama teknolojisidir: çözücü su, seramik tozu ve organik katkı maddeleri tamamen karıştırılarak elektrostatik olarak kararlı, düşük viskoziteli, yüksek katı içerikli bir bulamaç oluşturulur. Bu bulamaç pH'ı veya elektrolit konsantrasyonunu artıran kimyasallar eklenerek değiştirilebilir, ardından bulamaç gözeneksiz bir kalıba enjekte edilir.
İşlem sırasında kimyasal reaksiyonların ilerleyişini kontrol edin. Enjeksiyon kalıplama öncesi reaksiyon yavaş gerçekleştirilir, bulamacın viskozitesi düşük tutulur ve enjeksiyon kalıplama sonrası reaksiyon hızlandırılarak bulamaç katılaşır ve akışkan bulamaç katı bir gövdeye dönüşür. Elde edilen ham gövde iyi mekanik özelliklere sahiptir ve mukavemeti 5 kPa'ya ulaşabilir. Ham gövde kalıptan çıkarılır, kurutulur ve sinterlenerek istenen şekle sahip seramik bir parça oluşturulur.
Avantajları arasında organik katkı maddelerine hiç ihtiyaç duymaması veya çok az miktarda (yüzde 1'den az) ihtiyaç duyması, ham maddenin yağdan arındırılmasına gerek olmaması, ham madde yoğunluğunun homojen olması, bağıl yoğunluğunun yüksek olması (%55-70) ve büyük boyutlu ve karmaşık şekilli seramik parçalar oluşturabilmesi yer alır. Dezavantajları ise katkı maddelerinin pahalı olması ve reaksiyon sırasında genellikle gaz salınımı olmasıdır.
2.6 Enjeksiyon kalıplama
Enjeksiyon kalıplama, plastik ürünlerin ve metal kalıpların kalıplanmasında uzun süredir kullanılmaktadır. Bu işlem, termoplastik organiklerin düşük sıcaklıkta kürlenmesini veya termoset organiklerin yüksek sıcaklıkta kürlenmesini içerir. Toz ve organik taşıyıcı, özel bir karıştırma ekipmanında karıştırılır ve ardından yüksek basınç (onlarca ila yüzlerce MPa) altında kalıba enjekte edilir. Yüksek kalıplama basıncı sayesinde elde edilen ham parçalar hassas boyutlara, yüksek pürüzsüzlüğe ve kompakt bir yapıya sahiptir; özel kalıplama ekipmanının kullanımı üretim verimliliğini büyük ölçüde artırır.
1970'lerin sonları ve 1980'lerin başlarında, seramik parçaların kalıplanmasında enjeksiyon kalıplama yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntem, yaygın bir seramik plastik kalıplama yöntemi olan büyük miktarda organik madde ekleyerek çorak malzemelerin plastik kalıplanmasını sağlar. Enjeksiyon kalıplama teknolojisinde, ana bağlayıcı olarak termoplastik organikler (polietilen, polistiren gibi), termoset organikler (epoksi reçine, fenolik reçine gibi) veya suda çözünür polimerler kullanılmasının yanı sıra, seramik enjeksiyon süspansiyonunun akışkanlığını artırmak ve enjeksiyon kalıplanmış gövdenin kalitesini sağlamak için plastikleştiriciler, yağlayıcılar ve bağlayıcı maddeler gibi belirli miktarlarda işlem yardımcıları eklemek gerekir.
Enjeksiyon kalıplama işlemi, yüksek otomasyon seviyesi ve hassas kalıplama ham maddesi boyutu gibi avantajlara sahiptir. Ancak, enjeksiyon kalıplama ile üretilen seramik parçaların ham gövdesindeki organik madde miktarı hacimce %50'ye kadar çıkabilmektedir. Bu organik maddelerin sonraki sinterleme işleminde ortadan kaldırılması uzun zaman alır, hatta birkaç günden onlarca güne kadar sürebilir ve kalite kusurlarına yol açması kolaydır.
2.7 Kolloidal enjeksiyon kalıplama
Geleneksel enjeksiyon kalıplama sürecinde eklenen büyük miktardaki organik madde ve zorlukların ortadan kaldırılmasındaki zorluk sorunlarını çözmek için, Tsinghua Üniversitesi seramiklerin kolloidal enjeksiyon kalıplaması için yaratıcı bir şekilde yeni bir süreç önerdi ve çorak seramik bulamacının enjeksiyonunu gerçekleştirmek için bağımsız olarak bir kolloidal enjeksiyon kalıplama prototipi geliştirdi.
Temel fikir, kolloidal kalıplama ile enjeksiyon kalıplamayı, özel enjeksiyon ekipmanı ve kolloidal yerinde katılaştırma kalıplama işleminin sağladığı yeni kürleme teknolojisini kullanarak birleştirmektir. Bu yeni işlem, ağırlıkça %4'ten daha az organik madde kullanır. Su bazlı süspansiyondaki az miktarda organik monomer veya organik bileşik, kalıba enjekte edildikten sonra organik monomerlerin polimerizasyonunu hızla tetikleyerek seramik tozunu eşit şekilde saran organik bir ağ iskeleti oluşturmak için kullanılır. Bunlar arasında, sadece zamk giderme süresi önemli ölçüde kısalmakla kalmaz, aynı zamanda zamk giderme işleminin çatlama olasılığı da büyük ölçüde azalır.
Seramik enjeksiyon kalıplama ile kolloidal kalıplama arasında büyük bir fark vardır. Temel fark, ilkinin plastik kalıplama kategorisine, ikincisinin ise bulamaç kalıplamaya ait olmasıdır; yani bulamacın plastisitesi yoktur ve çorak bir malzemedir. Kolloidal kalıplamada bulamacın plastisitesi olmadığı için, geleneksel seramik enjeksiyon kalıplama yöntemi benimsenemez. Kolloidal kalıplama enjeksiyon kalıplama ile birleştirildiğinde, seramik malzemelerin kolloidal enjeksiyon kalıplaması, özel enjeksiyon ekipmanı ve kolloidal yerinde kalıplama işleminin sağladığı yeni kürleme teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilir.
Seramiklerin kolloidal enjeksiyon kalıplamasının yeni süreci, genel kolloidal kalıplama ve geleneksel enjeksiyon kalıplamadan farklıdır. Yüksek düzeyde kalıplama otomasyonunun avantajı, kolloidal kalıplama sürecinin niteliksel bir süblimleşmesidir ve bu, yüksek teknoloji seramiklerinin endüstriyelleşmesi için umut olacaktır.
Gönderim zamanı: 18 Ocak 2022