Усовершенствованное литье керамики под давлением — отличный процесс

Литье под давлением было изобретено в 1850 году и впервые использовалось для литья металла. После вступления в середину 20-го века оно широко использовалось в литье пластмасс, а затем изучалось и применялось в литье керамики. Литье керамики под давлением (CIM) — это технология, основанная на технологии литья пластмасс под давлением, которая объединяет реологию материалов, полимеры и процессы удаления связующего. Самое раннее использование керамики было в производстве изоляторов свечей зажигания.

I. Обзор
Процесс подготовки литья керамики под давлением в основном включает в себя следующие этапы: во-первых, подготовка литьевого сырья, смешивание керамического порошка с подходящим органическим носителем в определенном соотношении при определенной температуре, а затем сушка и гранулирование; затем добавление литьевого сырья в литьевую машину, впрыскивание его в форму при определенной температуре и давлении, охлаждение и отверждение, затем удаление органического вещества из заготовки путем нагревания или другими физическими и химическими методами и, наконец, спекание и уплотнение для получения различных керамических изделий.

По сравнению с традиционными методами формования технология литья керамики под давлением имеет следующие преимущества:
(1) Он может формовать практически чистые небольшие керамические детали со сложной геометрической формой и особыми требованиями, так что спеченные керамические изделия не нуждаются в механической обработке или в меньшей степени подвергаются обработке, тем самым снижая дорогостоящие затраты на обработку керамики;
(2) Плотность формованных изделий в сыром виде равномерная, а прочность высокая. Плотность изделия может достигать 99,8%, спеченное тело имеет отличные эксплуатационные характеристики, а постоянство качества изделия хорошее;
(3) Процесс формования отличается высокой степенью механизации и автоматизации, высокой эффективностью производства, коротким циклом формования, высокой прочностью заготовки, а также удобным управлением и контролем в ходе производственного процесса, что позволяет легко добиться крупносерийного и крупносерийного производства;
(4) Формованные керамические изделия имеют чрезвычайно высокую точность размеров и чистоту поверхности, а чистота поверхности может достигать 5 мкм.
Таким образом, технология CIM стала одним из высокоточных и высокоэффективных методов формования в существующей технологии керамического формования и широко применяется и изучается как в стране, так и за рубежом.

II. Кормление
Подача заключается в смешивании порошка и связующего в однородную и стабильную суспензию при определенной температуре путем замешивания, равномерного перемешивания, экструзии и других методов. Подготовка подачи занимает очень важное место во всем процессе литья керамического порошка под давлением. Основным дефектом процесса смешивания является неравномерность смеси, в том числе разделение порошка и связующего и сегрегация порошка в связующем, вызванная размером частиц, что приведет к снижению плотности и структурной деформации конечных керамических деталей.

Порошок является основным сырьем для литья керамики под давлением. При литье керамики под давлением очень важны объемные характеристики частиц керамического порошка. В естественном состоянии укладки, чем больше поры между частицами, тем больше поры заполняются связующими веществами в процессе подготовки и подачи, содержание твердого вещества в порошке уменьшается, а размер образца сильно уменьшается после испарения связующего вещества при спекании, а точность образца и структурную форму трудно контролировать.

Теоретически, чем ниже пористость керамического порошка в естественном состоянии укладки, тем лучше, так что меньше связующего удаляется на этапе обезжиривания, сырое тело после обезжиривания плотнее, а объем образца меньше изменяется на этапе спекания, что позволяет легко поддерживать форму. Керамические порошки, как правило, должны иметь небольшой размер частиц и правильную форму. Сырье, приготовленное в сферической или почти сферической форме, имеет хорошую текучесть и высокое содержание твердого вещества, но трение между частицами порошка плохое, что может легко вызвать деформацию образца на этапе обезжиривания. Поэтому форма порошка не является сферической.
Связующие играют важную роль в процессе литья под давлением. Связующие обычно состоят из первичных полимерных компонентов, а затем добавляются различные добавки, такие как диспергаторы, стабилизаторы и пластификаторы. Основная цель связующего — сохранить форму формованной детали перед спеканием и придать формованной детали определенную прочность.

III.Процесс инъекции
Процесс впрыска включает три этапа: впрыск, выдержка под давлением и охлаждение. То есть порошок сначала нагревается и размягчается, а затем впрыскивается в форму, давление удерживается в форме в течение определенного периода времени, а затем охлаждается для получения желаемой формы заготовки. Каждый этап в процессе впрыска имеет решающее значение. Неправильный контроль приведет к появлению множества дефектов, таких как трещины, расслоение, разделение порошка и органического связующего в керамических деталях. Ниже приведены задействованные параметры и причины дефектов:

(1) Скорость впрыска: Если скорость впрыска слишком высока, расплавленная смесь будет локально выбрасываться и возвращаться в полость формы. Это приведет к образованию волн на поверхности изделия и дефектов, таких как линии сварки и поры внутри. Скорость впрыска часто контролируется давлением впрыска. Слишком высокая скорость впрыска требует высокого давления впрыска, что часто приводит к неравномерному распределению давления внутри изделия. Слишком низкое локальное давление приведет к дефектам коробления. Если скорость впрыска слишком низкая, рост слоя конденсата вблизи стенки формы приведет к дефектам недостаточного впрыска, что увеличит время производства и снизит производительность.
(2) Температура впрыска: Более низкая температура впрыска приведет к недоливу и дефектам из-за нехватки материала. Для облегчения литья под давлением часто требуется более высокая температура впрыска, чтобы снизить вязкость сырья, избегая при этом разложения связующих компонентов.
(3) Давление впрыска: Слишком низкое давление впрыска приведет к нехватке материала, и в процессе заполнения возникнет турбулентность, что приведет к расслоению порошка и связующего. И наоборот, слишком высокое давление впрыска часто требует большего усилия зажима, что приводит к более высоким требованиям к оборудованию. Исследования показали, что каждое изменение давления впрыска на 2 МПа эквивалентно изменению вязкости подачи при изменении температуры на 1 °C.
(4) Давление выдержки: Оно составляет около 50%~65% от давления впрыска. Основная функция давления выдержки — обратный поток и компенсация усадки. Слишком высокое давление выдержки приведет к чрезмерному заполнению и концентрации напряжений; слишком низкое давление выдержки приведет к невозможности компенсировать усадку вовремя, что приведет к большей скорости усадки сырого тела.
(5) Время выдержки: близко к времени, необходимому для затвердевания литника.
(6) Температура формы: небольшая разница температур между формой и загружаемым материалом может снизить потери тепла и дефекты, такие как недостаточный впрыск и недостаток материала, но слишком высокая температура формы увеличит время выдержки.

IV.Процесс обезжиривания
Процесс обезжиривания является важнейшим этапом литья под давлением, который в определенной степени определяет качество конечного продукта. Поскольку большинство дефектов керамических материалов образуются на этапе обезжиривания, такие как трещины, поры, деформация, пузырение и т. д., а дефекты, образующиеся в процессе обезжиривания, не могут быть компенсированы на более позднем этапе спекания. Поэтому люди совершенствуют и ищут новые процессы обезжиривания, чтобы уменьшить дефекты, образующиеся в процессе обезжиривания литья керамики под давлением, так что литье керамики под давлением может играть большую роль.

4.1 Термическое обезжиривание Термическое обезжиривание является одним из первых разработанных и наиболее широко используемых процессов обезжиривания. Он особенно подходит для прецизионных керамических деталей с относительно небольшими размерами поперечного сечения. Однако скорость его обезжиривания очень низкая, а время обезжиривания очень длительное; особенно для толстостенных керамических деталей, термическое обезжиривание подвержено дефектам, таким как образование пузырей, вздутие и деформация, в результате чего размер керамических деталей ограничивается, как правило, контролируемым в пределах 10 мм. Обезжиривание с помощью микроволнового нагрева, разработанное в последние годы, представляет собой метод объемного нагрева с быстрым и равномерным процессом нагрева и занимает всего половину времени обычного обезжиривания.

4.2 Обезжиривание растворителем Обезжиривание растворителем (также известное как обезжиривание экстракцией растворением) - это метод, при котором низкомолекулярный растворитель (такой как ацетон, гептан, гексан и т. д.) диффундирует в тело, контактирует и растворяет связующее, образует раствор связующего-растворителя и, наконец, диффундирует к поверхности тела. По сравнению с термическим обезжириванием, обезжиривание растворителем является эффективным, а требуемое время значительно сокращено, но оно имеет высокие требования к оборудованию, сложные процессы, и большинство растворителей вредны для человеческого организма и окружающей среды.

4.3 Сифонное обезжиривание Сифонное обезжиривание заключается в размещении сформированного тела на пористом субстрате и последующем нагревании тела до тех пор, пока вязкость связующего не станет достаточно низкой, чтобы обеспечить капиллярный поток. В это время связующее всасывается в материал всасывания под действием капиллярной силы. Скорость сифонного обезжиривания высокая, но порошок органического носителя будет прилипать к керамическому телу и его будет трудно удалить.

4.4 Каталитическое обезжиривание Каталитическое обезжиривание было впервые разработано известной немецкой химической компанией BASF. Его принцип заключается в использовании катализаторов для разложения макромолекул органических носителей на более мелкие летучие молекулы, которые могут быстро диффундировать в заготовке. В качестве катализаторов обычно используют азотную кислоту, щавелевую кислоту и т. д. Исследования показали, что при использовании азотной кислоты в качестве катализатора скорость удаления составляет 0,7-1,5 мм/ч, а порядок скорости удаления - Si3N4>ZrO2>SiC; при использовании щавелевой кислоты в качестве катализатора скорость удаления составляет 0,9-1,5 мм/ч, а порядок обезжиривания - ZrO2>SiC>Si3N4.

4.5 Сверхкритическое обезжиривание Сверхкритическое обезжиривание использует передовую сверхкритическую технологию для нагрева и повышения давления жидкости до уровня выше ее сверхкритической точки для растворения и удаления части связующего вещества. Обычно используется жидкость CO2, которую удобно получать и с которой легко работать. Сверхкритическая жидкость CO2 обладает свойством растворять неполярные молекулы или низкомолекулярные органические вещества (например, парафин), но не полярные молекулы или высокомолекулярные органические вещества (например, полипропилен и полиэтилен). Поэтому сначала можно извлечь низкомолекулярные органические вещества, а затем удалить остальное путем быстрого нагрева, тем самым повышая эффективность обезжиривания.

4.6 Обезжиривание экстракцией на водной основе Обезжиривание экстракцией на водной основе является усовершенствованием обезжиривания растворителем и широко используется в литье керамического порошка под давлением. Используемые связующие вещества делятся на две категории: одна из них водорастворимая, такая как полиэтиленгликоль (ПЭГ), полиэтиленоксид (ПЭО) и т. д., которая может быть напрямую удалена путем фильтрации воды; другая часть - это часть, которая нерастворима в воде, такая как поливинилбутиральная смола, которая обычно удаляется путем нагревания. Обезжиривание экстракцией на водной основе имеет характеристики быстрой скорости обезжиривания, небольшого повреждения заготовки и является безопасным для человеческого организма и окружающей среды. Это важное направление исследований в системе обезжиривания.

Как новая технология точного производства, технология литья керамики под давлением имеет свои несравненные уникальные преимущества. В частности, непрерывное расширение индустриализации во всем мире в последние годы еще раз продемонстрировало привлекательные перспективы развития технологии CIM. Органическое сочетание превосходных физических и химических свойств керамических материалов и точного литья под давлением, несомненно, сделает технологию CIM все более важной в таких высокотехнологичных областях, как аэрокосмическая промышленность, национальная оборона и военное дело, а также медицинское оборудование, и станет самой выгодной передовой технологией подготовки прецизионных керамических деталей в стране и за рубежом.