תשעה תהליכי יציקה מדויקים של קרמיקה זירקוניה

תשעה תהליכי יציקה מדויקים של קרמיקה זירקוניה
תהליך היציקה ממלא תפקיד מקשר בכל תהליך ההכנה של חומרים קרמיים, והוא המפתח להבטחת אמינות הביצועים וחזרתיות הייצור של חומרים ורכיבים קרמיים.
עם התפתחות החברה, שיטת הלישה הידנית המסורתית, שיטת עיצוב הגלגלים, שיטת הדיוס וכו' של קרמיקה מסורתית כבר לא יכולה לענות על צרכי החברה המודרנית לייצור ועידון, ולכן נולד תהליך יציקה חדש. חומרי קרמיקה עדינים מ-ZrO2 נמצאים בשימוש נרחב ב-9 סוגי תהליכי היציקה הבאים (2 סוגים של שיטות יבשות ו-7 סוגים של שיטות רטובות):

1. יציקה יבשה

1.1 כבישה יבשה

כבישה יבשה משתמשת בלחץ כדי ללחוץ אבקה קרמית לצורה מסוימת של הגוף. מהותה היא שתחת פעולת כוח חיצוני, חלקיקי האבקה מתקרבים זה לזה בתבנית, ומתאחדים בחוזקה באמצעות חיכוך פנימי כדי לשמור על צורה מסוימת. הפגם העיקרי בגופים ירוקים בכבישה יבשה הוא התפוררות, הנובעת מחיכוך פנימי בין האבקות והחיכוך בין האבקות לדופן התבנית, וכתוצאה מכך אובדן לחץ בתוך הגוף.

היתרונות של כבישה יבשה הם שגודל הגוף הירוק מדויק, הפעולה פשוטה ונוחה למימוש פעולה ממוכנת; תכולת הלחות והקלסר בכבישה היבשה הירוקה נמוכה יותר, וההצטמקות בייבוש ובשריפה קטנה. היא משמשת בעיקר ליצירת מוצרים בעלי צורות פשוטות, ויחס הממדים קטן. החיסרון של כבישה יבשה הוא עלות הייצור המוגברת הנגרמת עקב שחיקת התבנית.

1.2 כבישה איזוסטטית

כבישה איזוסטטית היא שיטת עיצוב מיוחדת שפותחה על בסיס כבישה יבשה מסורתית. היא משתמשת בלחץ העברת נוזלים כדי להפעיל לחץ באופן שווה על האבקה בתוך התבנית האלסטית מכל הכיוונים. בשל העקביות של הלחץ הפנימי של הנוזל, האבקה נושאת את אותו לחץ בכל הכיוונים, כך שניתן להימנע מהבדל בצפיפות הגוף הירוק.

כבישה איזוסטטית מחולקת לכבישה איזוסטטית של שקיות רטובות וכבישה איזוסטטית של שקיות יבשות. כבישה איזוסטטית של שקיות רטובות יכולה ליצור מוצרים בעלי צורות מורכבות, אך היא יכולה לפעול רק לסירוגין. כבישה איזוסטטית של שקיות יבשות יכולה לממש פעולה אוטומטית ורציפה, אך יכולה ליצור רק מוצרים בעלי צורות פשוטות כמו חתכים מרובעים, עגולים וצינוריים. כבישה איזוסטטית יכולה להשיג גוף ירוק אחיד וצפוף, עם הצטמקות קטנה בעת שריפה והצטמקות אחידה לכל הכיוונים, אך הציוד מורכב ויקר, ויעילות הייצור אינה גבוהה, והיא מתאימה רק לייצור חומרים עם דרישות מיוחדות.

2. עיצוב רטוב

2.1 דיוס
תהליך יציקת הדיוס דומה ליציקת סרט, ההבדל הוא שתהליך היציקה כולל תהליך התייבשות פיזיקלי ותהליך קרישה כימי. התייבשות פיזיקלית מסירה את המים מהתרחיף באמצעות פעולה נימית של תבנית הגבס הנקבובית. ה-Ca2+ שנוצר על ידי המסת ה-CaSO4 על פני השטח מגביר את חוזק היונים של התרחיף, וכתוצאה מכך נוצרת פלוקולציה של התרחיף.
תחת פעולת התייבשות פיזיקלית וקרישה כימית, חלקיקי אבקת הקרמיקה מושקעים על דופן תבנית הגבס. דיוס מתאים להכנת חלקים קרמיים בקנה מידה גדול עם צורות מורכבות, אך איכות הגוף הירוק, כולל צורה, צפיפות, חוזק וכו', ירודה, עצימות העבודה של העובדים גבוהה, והוא אינו מתאים לפעולות אוטומטיות.

2.2 יציקת גז חם
יציקה חמה היא ערבוב אבקה קרמית עם חומר מקשר (פרפין) בטמפרטורה גבוהה יחסית (60~100℃) כדי לקבל תרחיף ליציקה חמה. התרחיף מוזרק לתבנית המתכת תחת פעולת אוויר דחוס, והלחץ נשמר. לאחר קירור, פירוק התבנית לקבלת תבנית שעווה, תבנית השעווה מוסרת משעווה תחת הגנה של אבקה אינרטית לקבלת גוף ירוק, והגוף הירוק מסונטר בטמפרטורה גבוהה כדי להפוך לפורצלן.

לגוף הירוק הנוצר על ידי יציקה חמה יש מידות מדויקות, מבנה פנימי אחיד, פחות בלאי בתבנית ויעילות ייצור גבוהה, והוא מתאים למגוון חומרי גלם. יש לשלוט בקפדנות על טמפרטורת תרחיף השעווה והתבנית, אחרת זה יגרום לתת-הזרקה או עיוות, ולכן הוא אינו מתאים לייצור חלקים גדולים, ותהליך השריפה הדו-שלבי מסובך וצריכת האנרגיה גבוהה.

2.3 יציקת סרט
יציקת סרט היא ערבוב מלא של אבקת קרמיקה עם כמות גדולה של חומרים קלסרים אורגניים, פלסטייזרים, חומרי פיזור וכו' כדי לקבל תרחיף צמיג וזרם, הוספת התרחיף למיכל של מכונת היציקה, ושימוש במגרד לשליטה על העובי. התרחיף זורם החוצה אל המסוע דרך פיה ההזנה, ולאחר ייבוש מתקבל ריק הסרט.

תהליך זה מתאים להכנת חומרי סרט. על מנת להשיג גמישות טובה יותר, מוסיפים כמות גדולה של חומר אורגני, ויש צורך לשלוט בקפדנות בפרמטרי התהליך, אחרת הדבר יגרום בקלות לפגמים כגון קילוף, פסים, חוזק סרט נמוך או קושי בקילוף. החומר האורגני בו נעשה שימוש הוא רעיל ויגרום לזיהום סביבתי, ויש להשתמש במערכת לא רעילה או פחות רעילה ככל האפשר כדי להפחית את זיהום הסביבה.

2.4 יציקה בהזרקת ג'ל
טכנולוגיית הזרקת ג'ל היא תהליך חדש לייצור אב טיפוס קולואידי מהיר שהומצא לראשונה על ידי חוקרים במעבדה הלאומית אוק רידג' בתחילת שנות ה-90. בליבתה עומד השימוש בתמיסות מונומר אורגניות אשר מתפלמרות לג'לים פולימר-ממס בעלי חוזק גבוה, המקושרים לרוחב.

תרחיף של אבקה קרמית מומסת בתמיסה של מונומרים אורגניים נוצק בתבנית, ותערובת המונומרים מתפלמרת ליצירת חלק ג'לי. מכיוון שהפולימר-ממס המקושר לרוחב מכיל רק 10%-20% (חלק מסה) פולימר, קל להסיר את הממס מחלק הג'ל באמצעות שלב ייבוש. יחד עם זאת, בשל החיבור הצידי של הפולימרים, הפולימרים אינם יכולים לנדוד עם הממס במהלך תהליך הייבוש.

שיטה זו יכולה לשמש לייצור חלקים קרמיים חד-פאזיים ומרוכבים, שיכולים ליצור חלקים קרמיים מורכבים בגודל קוואזי-נטו, וחוזק הירוק שלהם גבוה של 20-30 מגה-פסקל או יותר, וניתן לעבד אותם מחדש. הבעיה העיקרית של שיטה זו היא שקצב ההתכווצות של גוף העובר גבוה יחסית במהלך תהליך הצפיפות, מה שמוביל בקלות לעיוות של גוף העובר; חלק מהמונומרים האורגניים מעכבים חמצן, מה שגורם למשטח להתקלף וליפול; עקב תהליך הפילמור של המונומרים האורגניים המושרה על ידי טמפרטורה, גילוח הטמפרטורה מוביל לקיומו של לחץ פנימי, מה שגורם לשבירת החסר וכן הלאה.

2.5 הזרקת התמצקות ישירה
הזרקה באמצעות התמצקות ישירה היא טכנולוגיית יציקה שפותחה על ידי ETH ציריך: מים ממסים, אבקה קרמית ותוספים אורגניים מעורבבים במלואם ליצירת תרחיף יציב מבחינה אלקטרוסטטית, בעל צמיגות נמוכה ותכולת מוצקים גבוהה, שניתן לשנותו על ידי הוספת רמת החומציות של התרחיף או כימיקלים המגבירים את ריכוז האלקטרוליטים, לאחר מכן התרחיף מוזרק לתבנית לא נקבובית.

לשלוט על התקדמות התגובות הכימיות במהלך התהליך. התגובה לפני הזרקה מתבצעת באיטיות, צמיגות התרחיף נשמרת נמוכה, והתגובה מואצת לאחר הזרקה, התרחיף מתמצק, והתרחיף הנוזלי הופך לגוף מוצק. לגוף הירוק המתקבל תכונות מכניות טובות והחוזק יכול להגיע ל-5kPa. הגוף הירוק מפורק, מיובש ומסונטר ליצירת חלק קרמי בצורה הרצויה.

יתרונותיו הם שהוא אינו זקוק או זקוק רק לכמות קטנה של תוספים אורגניים (פחות מ-1%), הגוף הירוק אינו זקוק להסרת שומנים, צפיפות הגוף הירוק אחידה, הצפיפות היחסית גבוהה (55%~70%), והוא יכול ליצור חלקים קרמיים גדולים ומורכבים. חסרונו הוא שהתוספים יקרים, ובדרך כלל משתחרר גז במהלך התגובה.

2.6 הזרקה
הזרקת חומרים משמשת זה מכבר ביציקת מוצרי פלסטיק וביציקת תבניות מתכת. תהליך זה משתמש בריפוי בטמפרטורה נמוכה של חומרים אורגניים תרמופלסטיים או בריפוי בטמפרטורה גבוהה של חומרים אורגניים תרמוסטיים. האבקה והנשא האורגני מעורבבים בציוד ערבוב מיוחד, ולאחר מכן מוזרקים לתבנית תחת לחץ גבוה (עשרות עד מאות מגה פסקל). בשל לחץ היציקה הגדול, לחלקים המתקבלים יש מידות מדויקות, חלקות גבוהה ומבנה קומפקטי; השימוש בציוד יציקה מיוחד משפר מאוד את יעילות הייצור.

בסוף שנות ה-70 ותחילת שנות ה-80, יושם תהליך הזרקה ליציקת חלקים קרמיים. תהליך זה מממש את היציקה הפלסטית של חומרים צחיחים על ידי הוספת כמות גדולה של חומר אורגני, שהוא תהליך נפוץ ליציקת פלסטיק קרמי. בטכנולוגיית הזרקה, בנוסף לשימוש בחומרים אורגניים תרמופלסטיים (כגון פוליאתילן, פוליסטירן), חומרים אורגניים תרמוסטיים (כגון שרף אפוקסי, שרף פנולי) או פולימרים מסיסים במים כקשר עיקרי, יש צורך להוסיף כמויות מסוימות של עזרי תהליך כגון פלסטייזרים, חומרי סיכה וחומרי צימוד כדי לשפר את נוזליות תרחיף ההזרקה הקרמי ולהבטיח את איכות גוף ההזרקה.

לתהליך הזרקה יתרונות של רמת אוטומציה גבוהה וגודל מדויק של ריק היציקה. עם זאת, התוכן האורגני בגוף הירוק של חלקים קרמיים יצוקים בהזרקה מגיע עד 50% נפח. סילוק חומרים אורגניים אלה בתהליך הסינטר שלאחר מכן לוקח זמן רב, אפילו מספר ימים עד עשרות ימים, וקל לגרום לפגמי איכות.

2.7 הזרקת קולואידים
על מנת לפתור את בעיות הכמות הגדולה של חומר אורגני שנוסף ואת הקושי בביטול הקשיים בתהליך ההזרקה המסורתי, אוניברסיטת צינגהואה הציעה באופן יצירתי תהליך חדש ליציקת קרמיקה בהזרקה קולואידית, ופיתחה באופן עצמאי אב טיפוס של יציקה בהזרקה קולואידית כדי לממש את הזרקת התערובת הקרמית הצחיחה.

הרעיון הבסיסי הוא לשלב יציקה קולואידלית עם יציקה בהזרקה, תוך שימוש בציוד הזרקה קנייני וטכנולוגיית ריפוי חדשה המסופקת על ידי תהליך יציקה קולואידלית באתר. תהליך חדש זה משתמש בפחות מ-4% משקלי של חומר אורגני. כמות קטנה של מונומרים אורגניים או תרכובות אורגניות בתרחיף על בסיס מים משמשת להאצת פילמור מהיר של מונומרים אורגניים לאחר הזרקה לתבנית ליצירת שלד רשת אורגני, העוטף באופן שווה את אבקת הקרמיקה. ביניהם, לא רק שזמן הסרת הגומי מתקצר משמעותית, אלא גם האפשרות לסדיקה של הסרת הגומי מצטמצמת משמעותית.

יש הבדל עצום בין הזרקת קרמיקה לעיצוב קולואידי. ההבדל העיקרי הוא שהראשון שייך לקטגוריית העיצוב הפלסטי, והשני שייך לקטגוריית העיצוב הבלתי גמיש, כלומר, התערובת חסרת פלסטיות והיא חומר צחיח. מכיוון שהתערובת חסרת פלסטיות בעיצוב קולואידי, לא ניתן לאמץ את הרעיון המסורתי של הזרקת קרמיקה. אם משלבים עיצוב קולואידי עם עיצוב הזרקה, הזרקת קולואידי של חומרים קרמיים מתממשת באמצעות ציוד הזרקה קנייני וטכנולוגיית ריפוי חדשה המסופקת על ידי תהליך העיצוב הקולואידי באתר.

התהליך החדש של הזרקת קרמיקה באמצעות קולואיד שונה מיציקה קולואידלית כללית ויציקה בהזרקה מסורתית. היתרון של רמה גבוהה של אוטומציה של יציקה הוא סובלימציה איכותית של תהליך היציקה הקולואידלית, שתהפוך לתקווה לתיעוש של קרמיקה מתקדמת.