Neuf procédés de moulage de précision de la céramique de zircone

Neuf procédés de moulage de précision de la céramique de zircone
Le processus de moulage joue un rôle de liaison dans l'ensemble du processus de préparation des matériaux céramiques et constitue la clé pour garantir la fiabilité des performances et la répétabilité de la production des matériaux et composants céramiques.
Avec le développement de la société, les méthodes traditionnelles de pétrissage manuel, de formage au tour et de coulis, etc., utilisées pour la céramique traditionnelle ne répondent plus aux besoins de production et de raffinage de la société moderne. Un nouveau procédé de moulage est donc né. Les céramiques fines à base de ZrO2 sont largement utilisées dans les neuf procédés de moulage suivants (deux procédés secs et sept procédés humides) :

1. Moulage à sec

1.1 Pressage à sec

Le pressage à sec utilise la pression pour presser la poudre céramique et lui donner une forme spécifique. Sous l'action d'une force externe, les particules de poudre se rapprochent les unes des autres dans le moule et se solidifient par frottement interne pour conserver leur forme. Le principal défaut des pièces crues pressées à sec est l'écaillage, dû au frottement interne entre les poudres et celui entre celles-ci et les parois du moule, ce qui entraîne une perte de pression à l'intérieur du corps.

Les avantages du pressage à sec sont la précision des dimensions de l'ébauche, la simplicité d'utilisation et la facilité d'utilisation de la machine. La teneur en humidité et en liant est plus faible, et le retrait au séchage et à la cuisson est faible. Il est principalement utilisé pour former des produits de formes simples et de faible rapport hauteur/largeur. L'inconvénient du pressage à sec est l'augmentation des coûts de production due à l'usure du moule.

1.2 Pressage isostatique

Le pressage isostatique est une méthode de formage spéciale, développée à partir du pressage à sec traditionnel. Il utilise la pression du fluide pour appliquer une pression uniforme sur la poudre à l'intérieur du moule élastique, dans toutes les directions. Grâce à la constance de la pression interne du fluide, la poudre subit la même pression dans toutes les directions, évitant ainsi les différences de densité du corps vert.

Le pressage isostatique se divise en pressage isostatique en sac humide et pressage isostatique en sac sec. Le pressage isostatique en sac humide permet de former des produits aux formes complexes, mais son fonctionnement est intermittent. Le pressage isostatique en sac sec permet un fonctionnement continu et automatique, mais ne permet de former que des produits aux formes simples, telles que des sections carrées, rondes et tubulaires. Le pressage isostatique permet d'obtenir une matière première uniforme et dense, avec un faible retrait à la cuisson et un retrait uniforme dans toutes les directions. Cependant, l'équipement est complexe et coûteux, et la productivité est faible. Il est donc réservé à la production de matériaux aux exigences particulières.

2. Formage humide

2.1 Jointoiement
Le procédé de moulage par coulis est similaire au coulage en bande, à la différence qu'il comprend une déshydratation physique et une coagulation chimique. La déshydratation physique élimine l'eau de la barbotine par capillarité dans le moule en plâtre poreux. Le Ca2+ généré par la dissolution du CaSO4 de surface augmente la force ionique de la barbotine, ce qui entraîne sa floculation.
Sous l'effet de la déshydratation physique et de la coagulation chimique, les particules de poudre céramique se déposent sur les parois du moule en plâtre. Le coulis est adapté à la préparation de pièces céramiques de grande taille aux formes complexes, mais la qualité du corps cru (forme, densité, résistance, etc.) est médiocre, la main-d'œuvre est importante et il ne se prête pas aux opérations automatisées.

2.2 Coulée sous pression à chaud
La coulée sous pression à chaud consiste à mélanger de la poudre céramique avec un liant (paraffine) à une température relativement élevée (60 à 100 °C) pour obtenir une barbotine destinée à la coulée sous pression à chaud. La barbotine est injectée dans le moule métallique sous air comprimé, la pression étant maintenue. Le refroidissement et le démoulage permettent d'obtenir une ébauche en cire. Celle-ci est ensuite décirée sous protection d'une poudre inerte pour obtenir une pièce crue, laquelle est ensuite frittée à haute température pour obtenir de la porcelaine.

Le corps vert obtenu par moulage sous pression à chaud présente des dimensions précises, une structure interne uniforme, une faible usure du moule et une grande efficacité de production. Il convient à diverses matières premières. La température de la barbotine et du moule doit être strictement contrôlée, sous peine de sous-injection ou de déformation. Il n'est donc pas adapté à la fabrication de pièces de grandes dimensions. Le processus de cuisson en deux étapes est complexe et consomme beaucoup d'énergie.

2.3 Coulée de bande
La coulée en bande consiste à mélanger la poudre céramique avec une grande quantité de liants organiques, de plastifiants, de dispersants, etc. afin d'obtenir une pâte visqueuse et fluide. Cette pâte est ensuite versée dans la trémie de la machine de coulée et contrôlée à l'aide d'un racleur. Elle s'écoule ensuite vers le tapis roulant via la buse d'alimentation, et le film vierge est obtenu après séchage.

Ce procédé est adapté à la préparation de films. Pour une meilleure flexibilité, une grande quantité de matière organique est ajoutée et les paramètres du procédé doivent être strictement contrôlés, sous peine de provoquer des défauts tels que le décollement, les stries, une faible résistance du film ou un décollement difficile. La matière organique utilisée est toxique et pollue l'environnement. Il est donc recommandé d'utiliser autant que possible un système non toxique ou peu toxique afin de réduire la pollution environnementale.

2.4 Moulage par injection de gel
La technologie de moulage par injection de gel est un nouveau procédé de prototypage rapide colloïdal inventé pour la première fois par des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge au début des années 1990. À la base se trouve l'utilisation de solutions de monomères organiques qui polymérisent en gels polymère-solvant à haute résistance et liés latéralement.

Une suspension de poudre céramique dissoute dans une solution de monomères organiques est coulée dans un moule, puis le mélange de monomères polymérise pour former une pièce gélifiée. Comme le polymère-solvant à liaison latérale ne contient que 10 à 20 % (fraction massique) de polymère, il est facile d'éliminer le solvant de la pièce gélifiée par séchage. De plus, grâce à la liaison latérale des polymères, ceux-ci ne peuvent pas migrer avec le solvant pendant le séchage.

Cette méthode permet de fabriquer des pièces céramiques monophasées et composites, permettant de former des pièces céramiques de formes complexes et de dimensions quasi nettes. Sa résistance à l'état vert peut atteindre 20 à 30 MPa, voire plus, et elle est recyclable. Le principal problème de cette méthode réside dans le taux de retrait relativement élevé du corps embryonnaire lors de la densification, ce qui entraîne facilement sa déformation. Certains monomères organiques présentent une inhibition de l'oxygène, ce qui entraîne un décollement et une chute de la surface. La polymérisation des monomères organiques induite par la température entraîne des contraintes internes, responsables de la rupture des ébauches, etc.

2.5 Moulage par injection à solidification directe
Le moulage par injection à solidification directe est une technologie de moulage développée par l'ETH Zurich : l'eau solvante, la poudre céramique et les additifs organiques sont entièrement mélangés pour former une boue électrostatiquement stable, à faible viscosité et à haute teneur en solides, qui peut être modifiée en ajoutant du pH à la boue ou des produits chimiques qui augmentent la concentration en électrolytes, puis la boue est injectée dans un moule non poreux.

Contrôler l'évolution des réactions chimiques tout au long du processus. La réaction avant le moulage par injection est lente, la viscosité de la barbotine est maintenue à un faible niveau, et la réaction est accélérée après le moulage par injection. La barbotine se solidifie et se transforme en un corps solide. Le corps cru obtenu présente de bonnes propriétés mécaniques et une résistance pouvant atteindre 5 kPa. Le corps cru est ensuite démoulé, séché et fritté pour former une pièce céramique à la forme souhaitée.

Ses avantages sont l'absence ou la faible quantité d'additifs organiques (moins de 1 %), l'absence de dégraissage, l'uniformité de la densité du corps vert et sa densité relative élevée (55 à 70 %), ainsi que la possibilité de former des pièces céramiques de grandes dimensions et de formes complexes. Son inconvénient réside dans le coût élevé des additifs et le dégagement de gaz lors de la réaction.

2.6 Moulage par injection
Le moulage par injection est utilisé depuis longtemps pour le moulage de produits en plastique et de moules métalliques. Ce procédé utilise la polymérisation à basse température des matières organiques thermoplastiques ou à haute température des matières organiques thermodurcissables. La poudre et le support organique sont mélangés dans un équipement de mélange spécial, puis injectés dans le moule sous haute pression (de quelques dizaines à plusieurs centaines de MPa). Grâce à la forte pression de moulage, les ébauches obtenues présentent des dimensions précises, une grande régularité et une structure compacte ; l'utilisation d'équipements de moulage spéciaux améliore considérablement l'efficacité de la production.

À la fin des années 1970 et au début des années 1980, le moulage par injection a été appliqué au moulage de pièces en céramique. Ce procédé permet le moulage plastique de matériaux stériles par ajout d'une grande quantité de matière organique, un procédé courant de moulage de plastique céramique. Dans la technologie du moulage par injection, outre l'utilisation de matières organiques thermoplastiques (comme le polyéthylène, le polystyrène), de matières organiques thermodurcissables (comme la résine époxy, la résine phénolique) ou de polymères hydrosolubles comme liants principaux, il est nécessaire d'ajouter des quantités spécifiques d'auxiliaires de fabrication tels que des plastifiants, des lubrifiants et des agents de couplage pour améliorer la fluidité de la suspension d'injection céramique et garantir la qualité du corps moulé par injection.

Le procédé de moulage par injection présente les avantages d'un haut degré d'automatisation et d'une taille précise de l'ébauche. Cependant, la teneur en matières organiques dans le corps cru des pièces céramiques moulées par injection peut atteindre 50 % vol. L'élimination de ces substances organiques lors du frittage ultérieur prend beaucoup de temps, voire plusieurs jours, et peut entraîner des défauts de qualité.

2.7 Moulage par injection colloïdale
Afin de résoudre les problèmes de la grande quantité de matière organique ajoutée et la difficulté d'éliminer les difficultés du processus de moulage par injection traditionnel, l'Université Tsinghua a proposé de manière créative un nouveau processus de moulage par injection colloïdale de céramique et a développé indépendamment un prototype de moulage par injection colloïdale pour réaliser l'injection de boue céramique stérile. formage.

L'idée de base est de combiner le moulage colloïdal et le moulage par injection, grâce à un équipement d'injection exclusif et à une nouvelle technologie de durcissement issue du procédé de moulage par solidification colloïdale in situ. Ce nouveau procédé utilise moins de 4 % en poids de matière organique. Une faible quantité de monomères ou de composés organiques dans la suspension aqueuse permet d'induire rapidement la polymérisation des monomères organiques après injection dans le moule, formant ainsi un réseau organique enrobant uniformément la poudre céramique. Ceci permet non seulement de réduire considérablement le temps de dégommage, mais aussi de réduire considérablement le risque de fissuration.

Il existe une différence majeure entre le moulage par injection de céramique et le moulage colloïdal. La principale différence réside dans le fait que le premier appartient à la catégorie du moulage plastique, tandis que le second appartient au moulage par barbotine, c'est-à-dire que la barbotine est dépourvue de plasticité et constitue un matériau stérile. L'absence de plasticité de la barbotine dans le moulage colloïdal rend le concept traditionnel de moulage par injection de céramique inadapté. Si le moulage colloïdal est combiné au moulage par injection, le moulage par injection colloïdale de matériaux céramiques est réalisé grâce à un équipement d'injection exclusif et à une nouvelle technologie de durcissement grâce au procédé de moulage colloïdal in situ.

Le nouveau procédé de moulage par injection colloïdale de céramique se distingue du moulage colloïdal classique et du moulage par injection traditionnel. L'avantage d'un haut degré d'automatisation du moulage réside dans une sublimation qualitative du procédé de moulage colloïdal, qui deviendra un espoir pour l'industrialisation des céramiques de haute technologie.