Цирконий керамикийн есөн нарийвчлалтай хэвлэх үйл явц

Цирконий керамикийн есөн нарийвчлалтай хэвлэх үйл явц
Хэвлэх үйл явц нь керамик материалыг бэлтгэх бүх үйл явцад холбох үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд керамик материал, эд ангиудын гүйцэтгэлийн найдвартай байдал, үйлдвэрлэлийн давтагдах чадварыг хангах гол түлхүүр юм.
Нийгмийн хөгжлийг дагаад уламжлалт керамик эдлэлийг гараар зуурах, дугуй хэлбэржүүлэх, зуурмаглах гэх мэт уламжлалт керамик эдлэлүүд нь орчин үеийн нийгмийн үйлдвэрлэл, боловсронгуй болгох хэрэгцээг хангахаа больсон тул шинэ хэвний процесс бий болсон. ZrO2 нарийн керамик материалыг дараах 9 төрлийн хэвний процесст өргөн ашигладаг (2 төрлийн хуурай арга, 7 төрлийн нойтон арга):

1. Хуурай хэв

1.1 Хуурай шахалт

Хуурай шахалт нь керамик нунтагыг биеийн тодорхой хэлбэрт оруулахын тулд даралт ашигладаг. Үүний мөн чанар нь гадны хүчний нөлөөн дор нунтаг хэсгүүд хэвэнд бие биедээ ойртож, тодорхой хэлбэрийг хадгалахын тулд дотоод үрэлтээр нягт нийлдэгт оршино. Хуурай шахалттай ногоон биетүүдийн гол дутагдал нь нунтаг хоорондын дотоод үрэлт болон нунтаг ба хэвний хананы хоорондох үрэлтээс үүдэлтэй тархалт бөгөөд ингэснээр биеийн дотор даралтын алдагдал үүсдэг.

Хуурай шахалтын давуу тал нь ногоон биеийн хэмжээ нь нарийвчлалтай, үйл ажиллагаа нь энгийн, механикжсан ажиллагааг хэрэгжүүлэхэд тохиромжтой; ногоон хуурай шахалтын чийг ба холбогчийн агууламж бага, хатаах, галлах агшилт бага байдаг. Үүнийг голчлон энгийн хэлбэртэй бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэхэд ашигладаг бөгөөд талын харьцаа бага байдаг. Хэвний элэгдлээс үүдэлтэй үйлдвэрлэлийн өртөг нэмэгдэх нь хуурай шахалтын сул тал юм.

1.2 Изостатик шахалт

Изостатик шахалт нь уламжлалт хуурай шахалтын үндсэн дээр боловсруулсан тусгай хэлбэржүүлэх арга юм. Энэ нь шингэний дамжуулалтын даралтыг ашиглан уян хатан хэвний доторх нунтагт бүх чиглэлээс жигд даралтыг өгдөг. Шингэний дотоод даралтын тогтвортой байдлаас шалтгаалан нунтаг бүх чиглэлд ижил даралтыг даах тул ногоон биеийн нягтралын зөрүүгээс зайлсхийх боломжтой.

Изостатик шахалтыг нойтон ууттай изостатик шахалт болон хуурай ууттай изостатик шахалт гэж хуваадаг. Нойтон ууттай изостатик шахалт нь нарийн төвөгтэй хэлбэртэй бүтээгдэхүүн үүсгэж болох боловч зөвхөн завсарлагатайгаар ажиллах боломжтой. Хуурай ууттай изостатик шахалт нь автомат тасралтгүй ажиллагааг хангаж чадах боловч зөвхөн дөрвөлжин, дугуй, хоолой хэлбэртэй хөндлөн огтлол гэх мэт энгийн хэлбэртэй бүтээгдэхүүн үүсгэж болно. Изостатик шахалт нь жигд, нягт ногоон биетэй болж, бүх чиглэлд бага агшилт, жигд агшилттай боловч тоног төхөөрөмж нь нарийн төвөгтэй, үнэтэй бөгөөд үйлдвэрлэлийн үр ашиг өндөр биш бөгөөд зөвхөн тусгай шаардлага бүхий материал үйлдвэрлэхэд тохиромжтой.

2. Нойтон хэлбэржүүлэх

2.1 Зуурмаг хийх
Зуурмаг хэвлэх үйл явц нь тууз цутгахтай төстэй бөгөөд ялгаа нь хэвлэх үйл явцад физик шингэн алдалтын үйл явц болон химийн коагуляцийн үйл явц багтдаг. Физик шингэн алдалт нь сүвэрхэг гипсэн хэвний капилляр үйлчлэлээр зутан дахь усыг зайлуулдаг. CaSO4 гадаргуугийн уусалтын үр дүнд үүссэн Ca2+ нь зутангийн ионы хүчийг нэмэгдүүлж, зутан флокуляци үүсгэдэг.
Физик шингэн алдалт болон химийн коагуляцийн нөлөөгөөр керамик нунтаг хэсгүүд гипсэн хэвний хананд хуримтлагддаг. Зуурмаг нь нарийн төвөгтэй хэлбэртэй том хэмжээтэй керамик эд анги бэлтгэхэд тохиромжтой боловч ногоон биеийн чанар, түүний дотор хэлбэр, нягтрал, бат бэх чанар муу, ажилчдын хөдөлмөрийн эрчим өндөр бөгөөд автоматжуулсан ажиллагаанд тохиромжгүй.

2.2 Халуун цутгамал
Халуун цутгах арга нь керамик нунтагыг харьцангуй өндөр температурт (60~100℃) хольж, халуун цутгах зориулалттай зутан гаргаж авах явдал юм. Зутанг шахсан агаарын нөлөөгөөр металл хэвэнд шахаж, даралтыг хадгалдаг. Хөргөх, буулгах замаар лав хоосон зай гаргаж авахын тулд лав хоосон зайг идэвхгүй нунтаг хамгаалалтын дор лавгүйжүүлж, ногоон биет гаргаж авахын тулд ногоон биетийг өндөр температурт шатааж, шаазан болгоно.

Халуун цутгах аргаар үүссэн ногоон бие нь нарийн хэмжээстэй, жигд дотоод бүтэцтэй, хэвний элэгдэл багатай, үйлдвэрлэлийн өндөр үр ашигтай бөгөөд янз бүрийн түүхий эдэд тохиромжтой. Лавны зуурмаг болон хэвний температурыг хатуу хянах шаардлагатай, эс тэгвээс шахах доройтол эсвэл деформацид хүргэж болзошгүй тул том эд анги үйлдвэрлэхэд тохиромжгүй бөгөөд хоёр үе шаттай галлах үйл явц нь төвөгтэй бөгөөд эрчим хүчний хэрэглээ өндөр байдаг.

2.3 Тууз цутгах
Тууз цутгах нь керамик нунтагыг их хэмжээний органик холбогч, хуванцаржуулагч, тараагч гэх мэттэй бүрэн хольж, урсдаг наалдамхай зутан гаргаж авах, зутанг цутгах машины бункерт нэмж, хусуур ашиглан зузааныг нь хянадаг. Энэ нь тэжээлийн цоргоор дамжин конвейерийн тууз руу урсаж, хатаасны дараа хальсан хоосон зайг гаргаж авдаг.

Энэ процесс нь хальсан материалыг бэлтгэхэд тохиромжтой. Илүү уян хатан байдлыг хангахын тулд их хэмжээний органик бодис нэмж, процессын параметрүүдийг хатуу хянах шаардлагатай бөгөөд эс тэгвээс хальслах, зураас үүсэх, хальсны бат бөх чанар багатай эсвэл хальслахад хэцүү зэрэг согог амархан үүснэ. Ашигласан органик бодис нь хортой бөгөөд хүрээлэн буй орчны бохирдол үүсгэдэг тул хүрээлэн буй орчны бохирдлыг бууруулахын тулд аль болох хоргүй эсвэл хор багатай системийг ашиглах хэрэгтэй.

2.4 Гель шахах хэв
Гель шахах хэвлэх технологи нь 1990-ээд оны эхээр Оак Риджийн Үндэсний Лабораторийн судлаачид анх зохион бүтээсэн шинэ коллоид хурдан загварчлалын процесс юм. Үүний гол цөм нь өндөр бат бэхтэй, хажуу тийш холбогдсон полимер-уусгагч гель болж полимерждэг органик мономер уусмалыг ашиглах явдал юм.

Органик мономеруудын уусмалд ууссан керамик нунтаг зутанг хэвэнд цутгаж, мономерийн холимог нь гель хэлбэртэй хэсэг үүсгэхийн тулд полимерждэг. Хажуу тийш холбогдсон полимер-уусгагч нь зөвхөн 10%–20% (массын фракц) полимер агуулдаг тул хатаах алхамаар уусгагчийг гель хэсгээс салгахад хялбар байдаг. Үүний зэрэгцээ, полимерүүдийн хажуугийн холболтын улмаас полимерүүд хатаах явцад уусгагчтай хамт шилжиж чадахгүй.

Энэ аргыг нэг фазын болон нийлмэл керамик эд анги үйлдвэрлэхэд ашиглаж болох бөгөөд эдгээр нь нарийн төвөгтэй хэлбэртэй, бараг торон хэмжээтэй керамик эд анги үүсгэдэг бөгөөд ногоон бат бэх нь 20-30Mpa ба түүнээс дээш бөгөөд дахин боловсруулж болно. Энэ аргын гол асуудал нь нягтруулах процессын үед үр хөврөлийн биеийн агшилтын хурд харьцангуй өндөр байдаг бөгөөд энэ нь үр хөврөлийн биеийн деформацид амархан хүргэдэг; зарим органик мономерууд нь хүчилтөрөгчийн дарангуйлалтай байдаг тул гадаргууг хуулж, унахад хүргэдэг; температураас үүдэлтэй органик мономерийн полимержилтийн процессоос болж температурын хусах нь дотоод стресс үүсэхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь хоосон зайг эвдэх гэх мэт шалтгаан болдог.

2.5 Шууд хатууруулах шахах хэв
Шууд хатууруулах шахах хэв нь ETH Zurich-ийн боловсруулсан хэвний технологи юм: уусгагч ус, керамик нунтаг болон органик нэмэлтүүдийг бүрэн хольж электростатик тогтвортой, бага зуурамтгай чанар бүхий, өндөр хатуу агууламжтай зутан үүсгэдэг бөгөөд үүнийг зутангийн рН эсвэл электролитийн концентрацийг нэмэгдүүлдэг химийн бодис нэмж өөрчлөх боломжтой бөгөөд дараа нь зутанг сүвэрхэг бус хэвэнд шахдаг.

Үйл явцын явцад химийн урвалын явцыг хянана. Тарилгын хэвэнд оруулахаас өмнөх урвалыг удаан явуулж, зуурмагийн зуурамтгай чанарыг бага байлгаж, тарилгын хэвэнд оруулсны дараа урвалыг хурдасгаж, зуурмаг хатуурч, шингэн зуурмаг нь хатуу биет болж хувирдаг. Гарган авсан ногоон биет нь сайн механик шинж чанартай бөгөөд бат бэх нь 5кПа хүрч чаддаг. Ногоон биетийг задалж, хатааж, хүссэн хэлбэрийн керамик хэсэг болгон шатаадаг.

Үүний давуу талууд нь органик нэмэлт бага хэмжээгээр (1%-иас бага) шаардлагагүй эсвэл зөвхөн шаардлагатай, ногоон биетийг тосгүйжүүлэх шаардлагагүй, ногоон биеийн нягтрал жигд, харьцангуй нягтрал өндөр (55% ~ 70%), том хэмжээтэй, нарийн төвөгтэй хэлбэртэй керамик эд анги үүсгэж чаддаг явдал юм. Үүний сул тал нь нэмэлтүүд нь үнэтэй бөгөөд урвалын явцад хий ерөнхийдөө ялгардаг.

2.6 Тарилгын хэв
Хуванцар бүтээгдэхүүн хэвлэх болон металл хэв хэвлэхэд шахах хэвийг удаан хугацаанд ашиглаж ирсэн. Энэ процесст термопластик органик бодисыг бага температурт хатаах эсвэл термосет органик бодисыг өндөр температурт хатаах аргыг ашигладаг. Нунтаг болон органик зөөгчийг тусгай холих төхөөрөмжид хольж, дараа нь өндөр даралтаар (арван хэдэн зуун МПа) хэвэнд шахдаг. Хэвлэх даралт ихтэй тул гаргаж авсан хоосон зай нь нарийн хэмжээстэй, өндөр гөлгөр, авсаархан бүтэцтэй байдаг; тусгай хэвний төхөөрөмж ашиглах нь үйлдвэрлэлийн үр ашгийг эрс сайжруулдаг.

1970-аад оны сүүл, 1980-аад оны эхээр керамик эд ангиудыг хэвлэхэд шахах хэвний процессыг хэрэглэсэн. Энэ процесс нь их хэмжээний органик бодис нэмж, үржил шимгүй материалыг хуванцар хэвэнд оруулах ажлыг гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь керамик хуванцар хэвний нийтлэг процесс юм. Шахах хэвний технологид термопластик органик бодис (полиэтилен, полистирол гэх мэт), термосет органик бодис (эпоксид давирхай, фенолын давирхай гэх мэт) эсвэл усанд уусдаг полимерийг гол холбогч болгон ашиглахаас гадна керамик шахах суспензийн шингэн чанарыг сайжруулж, шахах хэвний биеийн чанарыг баталгаажуулахын тулд хуванцаржуулагч, тослох материал, холбогч бодис зэрэг тодорхой хэмжээний процессын туслах бодисыг нэмэх шаардлагатай байдаг.

Тарилгын хэвний процесс нь өндөр түвшний автоматжуулалт болон хэвний хоосон зайны нарийн хэмжээ зэрэг давуу талуудтай. Гэсэн хэдий ч тарилгын хэвний керамик эд ангийн ногоон биед агуулагдах органик агууламж 50% хүртэл өндөр байдаг. Дараагийн шатаах процесст эдгээр органик бодисыг арилгахад хэдэн өдрөөс хэдэн арван өдөр хүртэл хугацаа шаардагддаг бөгөөд чанарын согог үүсгэхэд хялбар байдаг.

2.7 Коллоид шахах хэв
Уламжлалт шахах хэвний процессын хүндрэлийг арилгахад тулгардаг органик бодисын их хэмжээний нэмэгдэл болон бэрхшээлийг шийдвэрлэхийн тулд Цинхуа Их Сургууль керамикийг коллоид шахах хэвний шинэ аргыг бүтээлчээр санал болгож, үржил шимгүй керамик зутан шахах ажлыг хэрэгжүүлэхийн тулд коллоид шахах хэвний туршилтын загварыг бие даан боловсруулсан.

Үндсэн санаа нь коллоид хэвийг шахах хэвтэй хослуулах бөгөөд тусгай зориулалтын шахах тоног төхөөрөмж болон коллоид in situ хатууруулах хэвний процессоор хангагдсан шинэ хатууруулах технологийг ашиглах явдал юм. Энэхүү шинэ процесс нь 4wt.%-иас бага органик бодис ашигладаг. Усан суурьтай суспензийн бага хэмжээний органик мономер эсвэл органик нэгдлүүдийг ашиглан хэвэнд шахаж оруулсны дараа органик мономеруудын полимержилтийг хурдан өдөөж, керамик нунтагыг жигд ороодог органик сүлжээний араг яс үүсгэдэг. Эдгээрээс зөвхөн гуужуулах хугацааг эрс богиносгосноос гадна гуужуулах явцад хагарах магадлалыг эрс бууруулдаг.

Керамик шахах хэв болон коллоид хэвний хооронд асар их ялгаа бий. Гол ялгаа нь эхнийх нь хуванцар хэвний ангилалд багтдаг бол сүүлийнх нь зутан хэвний ангилалд багтдаг, өөрөөр хэлбэл зутан нь уян хатан чанаргүй бөгөөд үржил шимгүй материал юм. Коллоид хэвний үед зутан нь уян хатан чанаргүй тул керамик шахах хэвний уламжлалт санааг хэрэгжүүлэх боломжгүй юм. Хэрэв коллоид хэвийг шахах хэвтэй хослуулсан бол керамик материалыг коллоид шахах хэвийг өөрийн шахах тоног төхөөрөмж болон коллоид in-situ хэвний процессоор хангасан шинэ хатууруулах технологийг ашиглан хэрэгжүүлдэг.

Керамикийг коллоид шахаж хэвлэх шинэ процесс нь ерөнхий коллоид хэв болон уламжлалт шахаж хэвлэх процессоос ялгаатай. Хэвлэх автоматжуулалтын өндөр түвшний давуу тал нь коллоид хэвлэх процессыг чанарын хувьд сублимацид оруулах явдал бөгөөд энэ нь өндөр технологийн керамикийг аж үйлдвэржүүлэх найдвар болно.