Neuf procédés de moulage de précision de céramiques de zircone

Neuf procédés de moulage de précision de céramiques 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, la méthode traditionnelle de pétrissage à la main, la méthode de formage des roues, la méthode de jointoiement, etc. de la céramique traditionnelle ne peuvent plus répondre aux besoins de la société moderne en matière de production et de raffinement, c'est pourquoi un nouveau processus de moulage est né.Les matériaux céramiques fins ZrO2 sont largement utilisés dans les 9 types de procédés de moulage suivants (2 types de méthodes sèches et 7 types de méthodes humides) :

1. Moulage à sec

1.1 Pressurage à sec

Le pressage à sec utilise la pression pour presser la poudre de céramique dans une certaine forme du corps.Son essence est que sous l'action d'une force externe, les particules de poudre se rapprochent dans le moule et sont fermement combinées par friction interne pour conserver une certaine forme.Le principal défaut des corps crus pressés à sec est la spallation, qui est due au frottement interne entre les poudres et au frottement entre les poudres et la paroi du moule, entraînant une perte de pression à l'intérieur du corps.

Les avantages du pressage à sec sont que la taille du corps vert est précise, l'opération est simple et il est pratique de réaliser une opération mécanisée ;la teneur en humidité et en liant dans le pressage à sec vert est moindre et le retrait au séchage et à la cuisson est faible.Il est principalement utilisé pour former des produits aux formes simples et le rapport hauteur/largeur est petit.L'augmentation du coût de production causée par l'usure du moule est l'inconvénient du pressage à sec.

1.2 Pressage isostatique

Le pressage isostatique est une méthode de formage spéciale développée sur la base du pressage à sec traditionnel.Il utilise la pression de transmission du fluide pour appliquer une pression uniforme sur la poudre à l'intérieur du moule élastique dans toutes les directions.En raison de la constance de la pression interne du fluide, la poudre supporte la même pression dans toutes les directions, de sorte que la différence de densité du corps vert peut être évitée.

Le pressage isostatique est divisé en pressage isostatique en sac humide et en pressage isostatique en sac sec.Le pressage isostatique des sacs humides peut former des produits aux formes complexes, mais il ne peut fonctionner que par intermittence.Le pressage isostatique des sacs secs peut réaliser un fonctionnement continu automatique, mais ne peut former que des produits de formes simples telles que des sections transversales carrées, rondes et tubulaires.Le pressage isostatique peut obtenir un corps vert uniforme et dense, avec un faible retrait à la cuisson et un retrait uniforme dans toutes les directions, mais l'équipement est complexe et coûteux, et l'efficacité de la production n'est pas élevée, et il ne convient que pour la production de matériaux avec des propriétés spéciales. exigences.

2. Formage humide

2.1 Injection de coulis
Le processus de moulage par jointoiement est similaire au moulage de bandes, la différence est que le processus de moulage comprend un processus de déshydratation physique et un processus de coagulation chimique.La déshydratation physique élimine l'eau contenue dans le coulis grâce à l'action capillaire du moule de gypse poreux.Le Ca2+ généré par la dissolution du CaSO4 de surface augmente la force ionique de la suspension, entraînant la floculation de la suspension.
Sous l’action de la déshydratation physique et de la coagulation chimique, les particules de poudre céramique se déposent sur la paroi du moule en plâtre.Le jointoiement convient à la préparation de pièces en céramique à grande échelle aux formes complexes, mais la qualité du corps vert, y compris la forme, la densité, la résistance, etc., est médiocre, l'intensité de travail des travailleurs est élevée et ne convient pas. pour les opérations automatisées.

2.2 Coulée sous pression à chaud
Le moulage sous pression à chaud consiste à mélanger de la poudre de céramique avec un liant (paraffine) à une température relativement élevée (60 ~ 100 ℃) pour obtenir une suspension pour le moulage sous pression à chaud.La boue est injectée dans le moule métallique sous l'action de l'air comprimé et la pression est maintenue.Refroidissement, démoulage pour obtenir un flan de cire, le flan de cire est déciré sous la protection d'une poudre inerte pour obtenir un corps cru, et le corps cru est fritté à haute température pour devenir de la porcelaine.

Le corps vert formé par moulage sous pression à chaud a des dimensions précises, une structure interne uniforme, moins d'usure du moule et une efficacité de production élevée, et convient à diverses matières premières.La température de la pâte de cire et du moule doit être strictement contrôlée, sinon cela provoquerait une sous-injection ou une déformation, elle ne convient donc pas à la fabrication de grandes pièces, et le processus de cuisson en deux étapes est compliqué et la consommation d'énergie est élevée.

2.3 Coulage de la bande
Le moulage en bande consiste à mélanger entièrement la poudre de céramique avec une grande quantité de liants organiques, de plastifiants, de dispersants, etc. pour obtenir une suspension visqueuse fluide, à ajouter la suspension dans la trémie de la machine de coulée et à utiliser un grattoir pour contrôler l'épaisseur.Il s'écoule vers la bande transporteuse à travers la buse d'alimentation et le flan de film est obtenu après séchage.

Ce procédé convient à la préparation de matériaux filmiques.Afin d'obtenir une meilleure flexibilité, une grande quantité de matière organique est ajoutée et les paramètres du processus doivent être strictement contrôlés, sinon cela provoquera facilement des défauts tels qu'un pelage, des stries, une faible résistance du film ou un pelage difficile.La matière organique utilisée est toxique et entraînera une pollution de l'environnement, et un système non toxique ou moins toxique doit être utilisé autant que possible pour réduire la pollution de l'environnement.

2.4 Moulage par injection de gel
La technologie de moulage par injection de gel est un nouveau processus 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, et le mélange de monomères polymérise pour former une pièce gélifiée.Étant donné que le polymère-solvant lié latéralement ne contient que 10 à 20 % (fraction massique) de polymère, il est facile d’éliminer le solvant de la partie gel par une étape de séchage.Dans le même temps, en raison de la connexion latérale des polymères, ceux-ci ne peuvent pas migrer avec le solvant pendant le processus de séchage.

Ce procédé peut être utilisé pour fabriquer des pièces en céramique monophasées et composites, qui peuvent former des pièces en céramique de forme complexe et de taille quasi nette, et sa résistance à l'état vert atteint 20 à 30 MPa ou plus, qui peuvent être retraitées.Le principal problème de cette méthode est que le taux de rétrécissement du corps de l’embryon est relativement élevé lors du processus de densification, ce qui conduit facilement à la déformation du corps de l’embryon ;certains monomères organiques ont une inhibition de l'oxygène, ce qui provoque le pelage et la chute de la surface ;en raison du processus de polymérisation des monomères organiques induit par la température, le rasage de la température entraîne l'existence de contraintes internes, ce qui provoque la rupture des ébauches, etc.

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

Contrôler la progression des réactions chimiques au cours du processus.La réaction avant le moulage par injection est effectuée lentement, la viscosité de la suspension est maintenue faible et la réaction est accélérée après le moulage par injection, la suspension se solidifie et la suspension fluide est transformée en un corps solide.Le corps vert obtenu possède de bonnes propriétés mécaniques et la résistance peut atteindre 5 kPa.Le corps vert est démoulé, séché et fritté pour former une pièce en céramique de la forme souhaitée.

Ses avantages sont qu'il n'a pas besoin ou seulement d'une petite quantité d'additifs organiques (moins de 1 %), le corps vert n'a pas besoin d'être dégraissé, la densité du corps vert est uniforme, la densité relative est élevée (55 % ~ 70%), et il peut former des pièces en céramique de grande taille et de forme complexe.Son inconvénient est que les additifs sont coûteux et que des gaz sont généralement libérés lors de la réaction.

2.6 Moulage par injection
Le moulage par injection est utilisé depuis longtemps dans le moulage de produits en plastique et le moulage de moules métalliques.Ce processus utilise un durcissement à basse température des matières organiques thermoplastiques ou un durcissement 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 (des dizaines à des centaines de MPa).En raison de la grande pression de moulage, les ébauches obtenues ont des dimensions précises, une douceur élevée 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 procédé de moulage par injection a été appliqué au moulage de pièces en céramique.Ce processus réalise le moulage plastique de matériaux stériles en ajoutant une grande quantité de matière organique, ce qui est un processus courant de moulage de plastique céramique.Dans la technologie de moulage par injection, en plus d'utiliser des matières organiques thermoplastiques (telles que le polyéthylène, le polystyrène), des matières organiques thermodurcissables (telles que la résine époxy, la résine phénolique) ou des polymères solubles dans l'eau comme liant principal, il est nécessaire d'ajouter certaines quantités de processus des adjuvants 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 processus de moulage par injection présente les avantages d’un degré élevé d’automatisation et d’une taille précise de l’ébauche de moulage.Cependant, la teneur en matières organiques du corps vert des pièces en céramique moulées par injection atteint 50 % en volume.Il faut beaucoup de temps, voire plusieurs jours, voire plusieurs dizaines de jours, pour éliminer ces substances organiques lors du processus de frittage ultérieur, et il est facile de provoquer des défauts de qualité.

2.7 Moulage par injection colloïdale
Afin de résoudre les problèmes liés à la grande quantité de matière organique ajoutée et à 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 de céramique stérile.formant.

L'idée de base est de combiner le moulage colloïdal avec le moulage par injection, en utilisant un équipement d'injection exclusif et une nouvelle technologie de durcissement fournie par le processus de moulage par solidification colloïdale in situ.Ce nouveau procédé utilise moins de 4% en poids de matière organique.Une petite quantité de monomères organiques ou de composés organiques dans la suspension à base d'eau est utilisée pour induire rapidement la polymérisation des monomères organiques après injection dans le moule afin de former un squelette de réseau organique qui enveloppe uniformément la poudre céramique.Parmi eux, non seulement le temps de dégommage est considérablement réduit, mais la possibilité de fissuration du dégommage est également considérablement réduite.

Il existe une énorme différence entre le moulage par injection de céramiques et le moulage colloïdal.La principale différence est que le premier appartient à la catégorie du moulage plastique et le second appartient au moulage en boue, c'est-à-dire que la boue n'a aucune plasticité et est un matériau stérile.Parce que la boue n'a pas de plasticité dans le moulage colloïdal, l'idée traditionnelle du moulage par injection de céramique ne peut pas être adoptée.Si le moulage colloïdal est combiné au moulage par injection, le moulage par injection colloïdale de matériaux céramiques est réalisé en utilisant un équipement d'injection exclusif et une nouvelle technologie de durcissement fournie par le processus de moulage colloïdal in situ.

Le nouveau processus de moulage par injection colloïdale de céramiques est différent du moulage colloïdal général et du moulage par injection traditionnel.L’avantage d’un haut degré d’automatisation du moulage est une sublimation qualitative du processus de moulage colloïdal, qui deviendra l’espoir de l’industrialisation des céramiques de haute technologie.