نه فرآیند قالب‌گیری دقیق سرامیک‌های زیرکونیا
فرآیند قالب‌گیری نقش پیوند دهنده‌ای در کل فرآیند آماده‌سازی مواد سرامیکی ایفا می‌کند و کلید تضمین قابلیت اطمینان عملکرد و تکرارپذیری تولید مواد و قطعات سرامیکی است.
با توسعه جامعه، روش سنتی ورز دادن دستی، روش تشکیل چرخ، روش دوغاب ریزی و غیره برای سرامیک‌های سنتی دیگر نمی‌تواند نیازهای جامعه مدرن را برای تولید و پالایش برآورده کند، بنابراین یک فرآیند قالب‌گیری جدید متولد شد. مواد سرامیکی ریز ZrO2 به طور گسترده در 9 نوع فرآیند قالب‌گیری زیر (2 نوع روش خشک و 7 نوع روش مرطوب) استفاده می‌شوند:
۱. قالب‌گیری خشک
۱.۱ پرس خشک
پرس خشک از فشار برای پرس کردن پودر سرامیکی به شکل خاصی از بدنه استفاده می‌کند. اساس آن این است که تحت عمل نیروی خارجی، ذرات پودر در قالب به یکدیگر نزدیک می‌شوند و توسط اصطکاک داخلی محکم به هم متصل می‌شوند تا شکل خاصی را حفظ کنند. عیب اصلی در بدنه‌های خام پرس خشک، پوسته پوسته شدن است که به دلیل اصطکاک داخلی بین پودرها و اصطکاک بین پودرها و دیواره قالب ایجاد می‌شود و در نتیجه باعث افت فشار در داخل بدنه می‌شود.
مزایای پرس خشک این است که اندازه بدنه خام دقیق است، عملیات ساده است و انجام عملیات مکانیزه آن راحت است؛ میزان رطوبت و چسب در پرس خشک خام کمتر است و انقباض خشک شدن و پخت نیز کم است. عمدتاً برای شکل‌دهی محصولات با اشکال ساده استفاده می‌شود و نسبت ابعاد کوچک است. افزایش هزینه تولید ناشی از سایش قالب، از معایب پرس خشک است.
۱.۲ پرس ایزواستاتیک
پرس ایزواستاتیک یک روش شکل‌دهی ویژه است که بر اساس پرس خشک سنتی توسعه یافته است. این روش از فشار انتقال سیال برای اعمال فشار یکنواخت به پودر داخل قالب الاستیک از همه جهات استفاده می‌کند. به دلیل ثابت بودن فشار داخلی سیال، پودر در همه جهات فشار یکسانی را تحمل می‌کند، بنابراین می‌توان از تفاوت در چگالی بدنه خام جلوگیری کرد.
پرس ایزواستاتیک به پرس ایزواستاتیک کیسه مرطوب و پرس ایزواستاتیک کیسه خشک تقسیم می‌شود. پرس ایزواستاتیک کیسه مرطوب می‌تواند محصولاتی با اشکال پیچیده را شکل دهد، اما فقط می‌تواند به صورت متناوب کار کند. پرس ایزواستاتیک کیسه خشک می‌تواند عملکرد مداوم خودکار را انجام دهد، اما فقط می‌تواند محصولاتی با اشکال ساده مانند مربع، گرد و مقاطع لوله‌ای را شکل دهد. پرس ایزواستاتیک می‌تواند یک بدنه خام یکنواخت و متراکم، با انقباض پخت کم و انقباض یکنواخت در همه جهات، به دست آورد، اما تجهیزات آن پیچیده و گران است و راندمان تولید بالا نیست و فقط برای تولید موادی با نیازهای خاص مناسب است.
۲. شکل‌دهی مرطوب
۲.۱ دوغاب ریزی
فرآیند قالب‌گیری دوغابی مشابه ریخته‌گری نواری است، با این تفاوت که فرآیند قالب‌گیری شامل فرآیند آبگیری فیزیکی و فرآیند انعقاد شیمیایی است. آبگیری فیزیکی، آب موجود در دوغاب را از طریق خاصیت مویینگی قالب گچی متخلخل حذف می‌کند. Ca2+ تولید شده توسط انحلال CaSO4 سطحی، قدرت یونی دوغاب را افزایش می‌دهد و در نتیجه باعث لخته شدن دوغاب می‌شود.
تحت عمل آبگیری فیزیکی و انعقاد شیمیایی، ذرات پودر سرامیک روی دیواره قالب گچی رسوب می‌کنند. دوغاب‌ریزی برای تهیه قطعات سرامیکی در مقیاس بزرگ با اشکال پیچیده مناسب است، اما کیفیت بدنه خام، از جمله شکل، چگالی، استحکام و غیره، ضعیف است، شدت کار کارگران زیاد است و برای عملیات خودکار مناسب نیست.
۲.۲ ریخته‌گری داغ
ریخته‌گری داغ (Hot Die Casting) به مخلوط کردن پودر سرامیک با چسب (پارافین) در دمای نسبتاً بالا (60 تا 100 درجه سانتیگراد) برای بدست آوردن دوغاب برای ریخته‌گری داغ گفته می‌شود. دوغاب تحت فشار هوای فشرده به قالب فلزی تزریق می‌شود و فشار آن حفظ می‌شود. پس از خنک شدن، از قالب خارج شده و یک نمونه مومی بدست می‌آید. نمونه مومی تحت محافظت یک پودر بی‌اثر موم‌زدایی می‌شود تا یک بدنه خام بدست آید و بدنه خام در دمای بالا تف‌جوشی می‌شود تا به پرسلن تبدیل شود.
بدنه خام حاصل از ریخته‌گری داغ، ابعاد دقیقی دارد، ساختار داخلی آن یکنواخت است، سایش قالب کمتر و راندمان تولید بالایی دارد و برای مواد اولیه مختلف مناسب است. دمای دوغاب موم و قالب باید به شدت کنترل شود، در غیر این صورت باعث تزریق ناقص یا تغییر شکل می‌شود، بنابراین برای ساخت قطعات بزرگ مناسب نیست و فرآیند پخت دو مرحله‌ای پیچیده و مصرف انرژی بالایی دارد.
۲.۳ ریخته‌گری نواری
ریخته‌گری نواری به معنای مخلوط کردن کامل پودر سرامیک با مقدار زیادی چسب‌های آلی، نرم‌کننده‌ها، پراکنده‌کننده‌ها و غیره برای به دست آوردن یک دوغاب چسبناک روان است، دوغاب را به قیف دستگاه ریخته‌گری اضافه کنید و با استفاده از یک خراشنده ضخامت را کنترل کنید. دوغاب از طریق نازل تغذیه به تسمه نقاله جریان می‌یابد و پس از خشک شدن، فیلم خام به دست می‌آید.
این فرآیند برای تهیه مواد فیلم مناسب است. برای به دست آوردن انعطاف پذیری بهتر، مقدار زیادی ماده آلی اضافه می‌شود و پارامترهای فرآیند باید به شدت کنترل شوند، در غیر این صورت به راحتی باعث ایجاد نقص‌هایی مانند لایه برداری، رگه دار شدن، استحکام پایین فیلم یا لایه برداری دشوار می‌شود. ماده آلی مورد استفاده سمی است و باعث آلودگی محیط زیست می‌شود و باید تا حد امکان از یک سیستم غیر سمی یا کمتر سمی برای کاهش آلودگی محیط زیست استفاده شود.
۲.۴ قالب‌گیری تزریقی ژل
فناوری قالب‌گیری تزریقی ژل، یک فرآیند نمونه‌سازی سریع کلوئیدی جدید است که اولین بار توسط محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج در اوایل دهه ۱۹۹۰ اختراع شد. در هسته آن، استفاده از محلول‌های مونومر آلی است که به ژل‌های پلیمری-حلال با استحکام بالا و اتصال جانبی تبدیل می‌شوند.
دوغابی از پودر سرامیکی حل شده در محلولی از مونومرهای آلی در قالب ریخته می‌شود و مخلوط مونومر پلیمریزه شده و یک قطعه ژلی تشکیل می‌دهد. از آنجایی که پلیمر-حلال با اتصال جانبی تنها حاوی 10٪ تا 20٪ (کسر جرمی) پلیمر است، حذف حلال از قطعه ژلی با یک مرحله خشک کردن آسان است. در عین حال، به دلیل اتصال جانبی پلیمرها، پلیمرها نمی‌توانند در طول فرآیند خشک شدن با حلال مهاجرت کنند.
این روش می‌تواند برای ساخت قطعات سرامیکی تک فاز و کامپوزیتی استفاده شود که می‌توانند قطعات سرامیکی با شکل پیچیده و اندازه شبه خالص تشکیل دهند و استحکام خام آن به 20 تا 30 مگاپاسکال یا بیشتر می‌رسد که قابل پردازش مجدد است. مشکل اصلی این روش این است که میزان انقباض بدنه جنین در طول فرآیند تراکم نسبتاً زیاد است که به راحتی منجر به تغییر شکل بدنه جنین می‌شود. برخی از مونومرهای آلی دارای مهار اکسیژن هستند که باعث پوسته پوسته شدن و ریزش سطح می‌شود. به دلیل فرآیند پلیمریزاسیون مونومر آلی ناشی از دما، اصلاح دما منجر به وجود استرس داخلی می‌شود که باعث شکستگی قطعات و غیره می‌شود.
۲.۵ قالب‌گیری تزریقی انجماد مستقیم
قالب‌گیری تزریقی انجماد مستقیم یک فناوری قالب‌گیری است که توسط ETH زوریخ توسعه داده شده است: آب حلال، پودر سرامیک و افزودنی‌های آلی کاملاً مخلوط می‌شوند تا دوغابی با پایداری الکترواستاتیکی، ویسکوزیته پایین و محتوای جامد بالا تشکیل شود که می‌توان pH دوغاب یا مواد شیمیایی که غلظت الکترولیت را افزایش می‌دهند را تغییر داد، سپس دوغاب به یک قالب غیر متخلخل تزریق می‌شود.
پیشرفت واکنش‌های شیمیایی را در طول فرآیند کنترل کنید. واکنش قبل از قالب‌گیری تزریقی به آرامی انجام می‌شود، ویسکوزیته دوغاب پایین نگه داشته می‌شود و واکنش پس از قالب‌گیری تزریقی تسریع می‌شود، دوغاب جامد می‌شود و دوغاب سیال به یک جسم جامد تبدیل می‌شود. جسم خام به‌دست‌آمده خواص مکانیکی خوبی دارد و استحکام آن می‌تواند به 5 کیلوپاسکال برسد. جسم خام از قالب خارج، خشک و تف‌جوشی می‌شود تا یک قطعه سرامیکی با شکل دلخواه تشکیل شود.
مزایای آن این است که به مقدار کمی افزودنی آلی (کمتر از ۱٪) نیاز ندارد یا به آن نیاز دارد، بدنه خام نیازی به چربی‌زدایی ندارد، چگالی بدنه خام یکنواخت است، چگالی نسبی بالا است (۵۵٪ تا ۷۰٪) و می‌تواند قطعات سرامیکی بزرگ و با شکل پیچیده را تشکیل دهد. عیب آن این است که افزودنی‌ها گران هستند و عموماً در طول واکنش گاز آزاد می‌شود.
۲.۶ قالب‌گیری تزریقی
قالب‌گیری تزریقی مدت‌هاست که در قالب‌گیری محصولات پلاستیکی و قالب‌گیری قالب‌های فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرآیند از پخت مواد آلی ترموپلاستیک در دمای پایین یا پخت مواد آلی ترموست در دمای بالا استفاده می‌کند. پودر و حامل آلی در یک دستگاه اختلاط مخصوص مخلوط می‌شوند و سپس تحت فشار بالا (ده‌ها تا صدها مگاپاسکال) به قالب تزریق می‌شوند. به دلیل فشار قالب‌گیری زیاد، قطعات خام به دست آمده دارای ابعاد دقیق، صافی بالا و ساختار جمع و جور هستند. استفاده از تجهیزات قالب‌گیری مخصوص، راندمان تولید را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.
در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل دهه ۱۹۸۰، فرآیند قالب‌گیری تزریقی برای قالب‌گیری قطعات سرامیکی به کار گرفته شد. این فرآیند، قالب‌گیری پلاستیکی مواد بی‌ثمر را با افزودن مقدار زیادی ماده آلی، که یک فرآیند قالب‌گیری پلاستیکی سرامیکی رایج است، محقق می‌کند. در فناوری قالب‌گیری تزریقی، علاوه بر استفاده از مواد آلی ترموپلاستیک (مانند پلی‌اتیلن، پلی‌استایرن)، مواد آلی ترموست (مانند رزین اپوکسی، رزین فنلی) یا پلیمرهای محلول در آب به عنوان چسب اصلی، لازم است مقادیر مشخصی از کمک‌فرآیندها مانند نرم‌کننده‌ها، روان‌کننده‌ها و عوامل اتصال‌دهنده برای بهبود سیالیت سوسپانسیون تزریقی سرامیکی و تضمین کیفیت بدنه قالب‌گیری تزریقی اضافه شود.
فرآیند قالب‌گیری تزریقی مزایایی از جمله درجه بالای اتوماسیون و اندازه دقیق قطعه قالب‌گیری را دارد. با این حال، محتوای آلی در بدنه خام قطعات سرامیکی قالب‌گیری تزریقی به 50 درصد حجمی می‌رسد. حذف این مواد آلی در فرآیند پخت بعدی، زمان زیادی، حتی از چند روز تا ده‌ها روز، طول می‌کشد و به راحتی می‌تواند باعث ایجاد نقص‌های کیفی شود.
۲.۷ قالب‌گیری تزریقی کلوئیدی
به منظور حل مشکلات مربوط به مقدار زیاد مواد آلی اضافه شده و دشواری رفع مشکلات موجود در فرآیند قالب‌گیری تزریقی سنتی، دانشگاه چینهوا به طور خلاقانه فرآیند جدیدی را برای قالب‌گیری تزریقی کلوئیدی سرامیک پیشنهاد داد و به طور مستقل یک نمونه اولیه قالب‌گیری تزریقی کلوئیدی را برای تحقق تزریق دوغاب سرامیکی بی‌ثمر توسعه داد.
ایده اصلی، ترکیب قالب‌گیری کلوئیدی با قالب‌گیری تزریقی، با استفاده از تجهیزات تزریق اختصاصی و فناوری جدید پخت ارائه شده توسط فرآیند قالب‌گیری جامدسازی درجا کلوئیدی است. این فرآیند جدید کمتر از 4 درصد وزنی ماده آلی استفاده می‌کند. مقدار کمی از مونومرهای آلی یا ترکیبات آلی در سوسپانسیون پایه آب برای القای سریع پلیمریزاسیون مونومرهای آلی پس از تزریق به قالب برای تشکیل یک اسکلت شبکه‌ای آلی استفاده می‌شود که به طور یکنواخت پودر سرامیکی را در بر می‌گیرد. در این میان، نه تنها زمان صمغ‌گیری بسیار کوتاه می‌شود، بلکه احتمال ترک خوردن صمغ‌گیری نیز بسیار کاهش می‌یابد.
تفاوت زیادی بین قالب‌گیری تزریقی سرامیک و قالب‌گیری کلوئیدی وجود دارد. تفاوت اصلی این است که اولی متعلق به دسته قالب‌گیری پلاستیک و دومی متعلق به قالب‌گیری دوغابی است، یعنی دوغاب هیچ خاصیت انعطاف‌پذیری ندارد و یک ماده بی‌حاصل است. از آنجا که دوغاب در قالب‌گیری کلوئیدی هیچ خاصیت انعطاف‌پذیری ندارد، ایده سنتی قالب‌گیری تزریقی سرامیک قابل اجرا نیست. اگر قالب‌گیری کلوئیدی با قالب‌گیری تزریقی ترکیب شود، قالب‌گیری تزریقی کلوئیدی مواد سرامیکی با استفاده از تجهیزات تزریق اختصاصی و فناوری جدید پخت ارائه شده توسط فرآیند قالب‌گیری درجا کلوئیدی محقق می‌شود.
فرآیند جدید قالب‌گیری تزریقی کلوئیدی سرامیک‌ها با قالب‌گیری کلوئیدی عمومی و قالب‌گیری تزریقی سنتی متفاوت است. مزیت درجه بالای اتوماسیون قالب‌گیری، تصعید کیفی فرآیند قالب‌گیری کلوئیدی است که به امیدی برای صنعتی شدن سرامیک‌های با تکنولوژی بالا تبدیل خواهد شد.
زمان ارسال: ۱۸ ژانویه ۲۰۲۲