Zirkonya seramiklerinin dokuz hassas kalıplama işlemi

Zirkonya seramiklerinin dokuz hassas kalıplama işlemi
Kalıplama işlemi, seramik malzemelerin tüm hazırlık sürecinde bağlantı noktası görevi görür ve seramik malzemelerin ve bileşenlerin performans güvenilirliğini ve üretim tekrarlanabilirliğini sağlamanın anahtarıdır.
Toplumun gelişmesiyle birlikte, geleneksel seramik üretiminde kullanılan el yoğurma, tekerlek üzerinde şekillendirme, harçlama vb. yöntemler artık modern toplumun üretim ve incelik ihtiyaçlarını karşılayamaz hale gelmiş, bu nedenle yeni bir kalıplama süreci ortaya çıkmıştır. ZrO2 ince seramik malzemeleri, aşağıdaki 9 farklı kalıplama işleminde (2 kuru yöntem ve 7 ıslak yöntem) yaygın olarak kullanılmaktadır:

1. Kuru kalıplama

1.1 Kuru presleme

Kuru presleme, seramik tozunu belirli bir gövde şekline getirmek için basınç kullanır. Özü, dış kuvvetin etkisi altında toz parçacıklarının kalıpta birbirine yaklaşması ve iç sürtünme ile sıkıca birleşerek belirli bir şekli korumasıdır. Kuru preslenmiş ham gövdelerdeki ana kusur, tozlar arasındaki iç sürtünme ve tozlar ile kalıp duvarı arasındaki sürtünme nedeniyle gövde içinde basınç kaybına yol açan pul pul dökülmedir.

Kuru preslemenin avantajları arasında ham malzemenin boyutunun doğru olması, işlemin basit olması ve mekanize işlemin kolay gerçekleştirilebilmesi yer alır; ham kuru preslemede nem ve bağlayıcı madde içeriği daha azdır ve kurutma ve pişirme büzülmesi azdır. Esas olarak basit şekilli ve küçük en-boy oranına sahip ürünlerin şekillendirilmesinde kullanılır. Kuru preslemenin dezavantajı ise kalıp aşınmasından kaynaklanan artan üretim maliyetidir.

1.2 İzostatik presleme

İzostatik presleme, geleneksel kuru presleme yöntemine dayalı olarak geliştirilmiş özel bir şekillendirme yöntemidir. Esnek kalıbın 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 malzemenin yoğunluğundaki farklılık önlenir.

İzostatik presleme, ıslak torba izostatik presleme ve kuru torba izostatik presleme olmak üzere ikiye ayrılır. Islak torba izostatik presleme, karmaşık şekillere sahip ürünler oluşturabilir, ancak yalnızca aralıklı olarak çalışabilir. Kuru torba izostatik presleme ise otomatik sürekli çalışma sağlayabilir, ancak yalnızca kare, yuvarlak ve boru kesitli gibi basit şekillere sahip ürünler oluşturabilir. İzostatik presleme, düşük pişirme büzülmesi ve her yönde eşit büzülme ile düzgün ve yoğun bir ham madde elde etmeyi sağlar, ancak ekipman karmaşık ve pahalıdır, üretim verimliliği yüksek değildir ve yalnızca özel gereksinimleri olan malzemelerin üretimi için uygundur.

2. Islak şekillendirme

2.1 Derz Dolgu
Harç kalıplama işlemi, bant dökümüne benzer; farkı, kalıplama işleminin fiziksel susuzlaştırma ve kimyasal pıhtılaşma işlemlerini içermesidir. Fiziksel susuzlaştırma, gözenekli alçı kalıbının kılcal etkisiyle bulamaçtaki suyu uzaklaştırır. Yüzeydeki CaSO4'ün çözünmesiyle oluşan Ca2+, bulamacın iyonik gücünü artırarak bulamacın topaklanmasına neden olur.
Fiziksel dehidrasyon ve kimyasal pıhtılaşmanın etkisiyle seramik toz parçacıkları alçı kalıp duvarına çökelir. Derz dolgu yöntemi, karmaşık şekillere sahip büyük ölçekli seramik parçaların hazırlanması için uygundur, ancak şekil, yoğunluk, mukavemet vb. dahil olmak üzere ham gövdenin kalitesi düşüktür, işçi yoğunluğu yüksektir ve otomatik işlemler için uygun değildir.

2.2 Sıcak kalıp döküm
Sıcak döküm, seramik tozunun bağlayıcı (parafin) ile nispeten yüksek bir sıcaklıkta (60~100℃) karıştırılarak sıcak döküm için bulamaç elde edilmesidir. Bulamaç, basınçlı hava etkisi altında metal kalıba enjekte edilir ve basınç korunur. Soğutulduktan sonra kalıptan çıkarılarak mumdan bir boşluk elde edilir; mumdan yapılmış boşluk, inert bir tozun koruması altında mumdan arındırılarak ham gövde elde edilir ve ham gövde yüksek sıcaklıkta sinterlenerek porselen haline getirilir.

Sıcak kalıp döküm yöntemiyle oluşturulan ham gövde, hassas boyutlara, 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 karmaşık ve enerji tüketimi yüksektir.

2.3 Bant dökümü
Bant döküm yöntemi, seramik tozunun büyük miktarda organik bağlayıcı, plastikleştirici, dağıtıcı vb. ile tamamen karıştırılarak akışkan, viskoz bir bulamaç elde edilmesi, bulamacın döküm makinesinin haznesine eklenmesi ve kalınlığın bir sıyırıcı yardımıyla kontrol edilmesi işlemidir. Besleme nozülünden konveyör bandına akar ve kurutulduktan sonra film kalıbı elde edilir.

Bu işlem film malzemelerinin hazırlanması için uygundur. Daha iyi esneklik elde etmek için büyük miktarda organik madde eklenir ve işlem parametrelerinin sıkı bir şekilde kontrol edilmesi gerekir; aksi takdirde soyulma, çizgilenme, düşük film mukavemeti veya zor soyulma gibi kusurlara kolayca neden olur. Kullanılan organik madde zehirlidir ve çevre kirliliğine neden olur; çevre kirliliğini azaltmak için mümkün olduğunca zehirli olmayan veya daha az zehirli bir sistem kullanılmalıdır.

2.4 Jel enjeksiyon kalıplama
Jel enjeksiyon kalıplama teknolojisi, ilk olarak 1990'ların başında Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar tarafından icat edilen yeni bir kolloidal hızlı prototipleme işlemidir. Temelinde, yüksek mukavemetli, yanal olarak bağlı polimer-çözücü jellerine polimerleşen organik monomer çözeltilerinin kullanımı yer almaktadır.

Organik monomer çözeltisinde çözülmüş seramik tozundan oluşan bir bulamaç bir kalıba dökülür ve monomer karışımı polimerleşerek jel kıvamında bir kısım oluşturur. Yanal olarak bağlanmış polimer-çözücü sadece %10-20 (kütle oranı) polimer içerdiğinden, kurutma işlemiyle çözücünün jel kısmından uzaklaştırılması kolaydır. Aynı zamanda, polimerlerin yanal bağlantısı nedeniyle, polimerler kurutma işlemi sırasında çözücü ile birlikte hareket edemezler.

Bu yöntem, tek fazlı ve kompozit seramik parçaların üretiminde kullanılabilir; karmaşık şekilli, neredeyse net boyutlu seramik parçalar oluşturulabilir ve ham mukavemeti 20-30 MPa veya daha yüksek olup yeniden işlenebilir. Bu yöntemin ana sorunu, yoğunlaştırma işlemi sırasında embriyo gövdesinin büzülme oranının nispeten yüksek olması ve bunun da embriyo gövdesinin deformasyonuna kolayca yol açmasıdır; bazı organik monomerlerin oksijen inhibisyonu, yüzeyin soyulmasına ve dökülmesine neden olur; sıcaklığa bağlı organik monomer polimerizasyon işlemi nedeniyle, sıcaklık tıraşlaması iç gerilime yol açarak parçaların kırılmasına neden olur, vb.

2.5 Doğrudan katılaştırma enjeksiyon kalıplama
Doğrudan katılaştırma 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 madde 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 ilerleyişi kontrol edilir. Enjeksiyon kalıplamadan önce reaksiyon yavaşça gerçekleştirilir, bulamacın viskozitesi düşük tutulur ve enjeksiyon kalıplamadan sonra reaksiyon hızlandırılır, 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 istenilen şekle sahip seramik parça oluşturmak için sinterlenir.

Avantajları arasında organik katkı maddelerine ihtiyaç duymaması veya çok az miktarda ( %1'den az) ihtiyaç duyması, ham malzemenin yağdan arındırılmasına gerek olmaması, ham malzemenin yoğunluğunun homojen olması, bağıl yoğunluğunun yüksek olması (%55~%70) ve büyük boyutlu ve karmaşık şekilli seramik parçalar oluşturabilmesi yer almaktadır. Dezavantajı ise katkı maddelerinin pahalı olması ve reaksiyon sırasında genellikle gaz açığa çıkmasıdır.

2.6 Enjeksiyon kalıplama
Enjeksiyon kalıplama, uzun zamandır plastik ürünlerin ve metal kalıpların kalıplanmasında kullanılmaktadır. Bu işlemde, termoplastik organiklerin düşük sıcaklıkta kürlenmesi veya termoset organiklerin yüksek sıcaklıkta kürlenmesi kullanılır. Toz ve organik taşıyıcı, özel bir karıştırma ekipmanında karıştırılır ve daha sonra yüksek basınç altında (onlarca ila yüzlerce MPa) kalıba enjekte edilir. Yüksek kalıplama basıncı nedeniyle, elde edilen parçalar hassas boyutlara, yüksek pürüzsüzlüğe ve kompakt bir yapıya sahiptir; özel kalıplama ekipmanının kullanımı üretim verimliliğini büyük ölçüde artırır.

1970'lerin sonlarında ve 1980'lerin başlarında, enjeksiyon kalıplama işlemi seramik parçaların kalıplanmasında uygulanmaya başlandı. Bu işlem, büyük miktarda organik madde eklenerek ham malzemelerin plastik kalıplanmasını gerçekleştirir ve yaygın bir seramik plastik kalıplama işlemidir. Enjeksiyon kalıplama teknolojisinde, ana bağlayıcı olarak termoplastik organikler (örneğin polietilen, polistiren), termoset organikler (örneğin epoksi reçine, fenolik reçine) veya suda çözünen polimerlerin kullanılmasının yanı sıra, seramik enjeksiyon süspansiyonunun akışkanlığını iyileştirmek ve enjeksiyon kalıplı gövdenin kalitesini sağlamak için plastikleştiriciler, yağlayıcılar ve bağlayıcı maddeler gibi belirli miktarlarda işlem yardımcı maddelerinin eklenmesi gereklidir.

Enjeksiyon kalıplama işlemi, yüksek otomasyon derecesi ve kalıplama boşluğunun hassas boyutlandırılması avantajlarına sahiptir. Bununla birlikte, enjeksiyon kalıplama yöntemiyle üretilen seramik parçaların ham gövdesindeki organik içerik %50'ye kadar çıkabilmektedir. Bu organik maddelerin sonraki sinterleme işleminde ortadan kaldırılması uzun zaman alabilir, hatta birkaç günden onlarca güne kadar uzayabilir ve kalite kusurlarına yol açması kolaydır.

2.7 Kolloidal enjeksiyon kalıplama
Organik madde ilavesinin yüksek miktarı ve geleneksel enjeksiyon kalıplama sürecindeki zorlukların giderilmesi sorununu çözmek amacıyla, Tsinghua Üniversitesi seramiklerin kolloidal enjeksiyon kalıplaması için yaratıcı bir şekilde yeni bir süreç önerdi ve ham seramik bulamacının enjeksiyon yoluyla şekillendirilmesini sağlamak için bağımsız olarak bir kolloidal enjeksiyon kalıplama prototipi geliştirdi.

Temel fikir, özel enjeksiyon ekipmanı ve kolloidal yerinde katılaşma kalıplama prosesinin sağladığı yeni kürleme teknolojisi kullanılarak kolloidal kalıplama ile enjeksiyon kalıplamayı birleştirmektir. Bu yeni proses, %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 bir organik ağ iskeleti oluşturmak için kullanılır. Bu sayede, sadece yapışkan giderme süresi büyük ölçüde kısalmakla kalmaz, aynı zamanda yapışkan giderme sırasında çatlama olasılığı da büyük ölçüde azalır.

Seramiklerin enjeksiyon kalıplama yöntemi ile kolloidal kalıplama yöntemi arasında büyük bir fark vardır. Başlıca fark, ilkinin plastik kalıplama kategorisine, ikincisinin ise bulamaç kalıplama yöntemine ait olmasıdır; yani bulamaç plastik özelliğe sahip değildir ve verimsiz bir malzemedir. Kolloidal kalıplamada bulamaç plastik özelliğe sahip olmadığı için, geleneksel seramik enjeksiyon kalıplama yöntemi uygulanamaz. Kolloidal kalıplama ile enjeksiyon kalıplama birleştirildiğinde, özel enjeksiyon ekipmanları ve kolloidal yerinde kalıplama prosesinin sağladığı yeni kürleme teknolojisi kullanılarak seramik malzemelerin kolloidal enjeksiyon kalıplaması gerçekleştirilir.

Seramiklerin kolloidal enjeksiyon kalıplama yöntemi, genel kolloidal kalıplama ve geleneksel enjeksiyon kalıplama yöntemlerinden farklıdır. Yüksek otomasyon derecesine sahip olması, kolloidal kalıplama sürecinin niteliksel olarak üstünleştirilmesini sağlar ve bu da yüksek teknoloji seramiklerinin sanayileşmesi için umut ışığı olacaktır.