تسع عمليات صب دقيقة لسيراميك الزركونيا

تسع عمليات صب دقيقة لسيراميك الزركونيا
تلعب عملية القولبة دور الرابط في عملية تحضير المواد السيراميكية بأكملها، وهي المفتاح لضمان موثوقية الأداء وإمكانية تكرار إنتاج المواد والمكونات السيراميكية.
مع تطور المجتمع، لم تعد طرق العجن اليدوي التقليدية، وتشكيل العجلات، والحشو، وغيرها من طرق السيراميك التقليدية قادرة على تلبية احتياجات المجتمع الحديث من حيث الإنتاج والتحسين، فظهرت عملية صب جديدة. تُستخدم مواد السيراميك الدقيقة من أكسيد الزركونيوم (ZrO2) على نطاق واسع في تسعة أنواع من عمليات الصب (نوعان من الطرق الجافة وسبعة أنواع من الطرق الرطبة):

1. الصب الجاف

1.1 الضغط الجاف

يعتمد الضغط الجاف على ضغط مسحوق السيراميك لتشكيل هيكل معين. يكمن جوهره في أن جزيئات المسحوق تتقارب داخل القالب تحت تأثير قوة خارجية، وتتحد بقوة بفضل الاحتكاك الداخلي للحفاظ على شكل معين. العيب الرئيسي في الهياكل الخضراء المضغوطة جافًا هو التشقق، الناتج عن الاحتكاك الداخلي بين المساحيق وبينها وبين جدار القالب، مما يؤدي إلى فقدان الضغط داخل الهيكل.

من مزايا الضغط الجاف دقة حجم الجسم الأخضر، وسهولة التشغيل، وسهولة التشغيل الآلي؛ ومحتوى الرطوبة والمواد الرابطة في الضغط الجاف الأخضر أقل، وانخفاض انكماش التجفيف والحرق. يُستخدم بشكل رئيسي لتشكيل منتجات ذات أشكال بسيطة ونسبة أبعاد صغيرة. ومن عيوب الضغط الجاف ارتفاع تكلفة الإنتاج الناتجة عن تآكل القالب.

1.2 الضغط المتساوي القياس

الضغط المتساوي الضغط هو طريقة تشكيل خاصة، طُوّرت على أساس الضغط الجاف التقليدي. يعتمد هذا الضغط على نقل السوائل لتطبيق ضغط متساوٍ على المسحوق داخل القالب المرن من جميع الاتجاهات. بفضل اتساق الضغط الداخلي للسائل، يتحمل المسحوق ضغطًا متساويًا في جميع الاتجاهات، مما يُجنّب اختلاف كثافة الجسم الأخضر.

يُقسم الضغط المتساوي الضغط إلى ضغط الأكياس الرطبة والأكياس الجافة. يُمكن الضغط المتساوي الضغط للأكياس الرطبة إنتاج منتجات ذات أشكال معقدة، ولكنه يعمل بشكل متقطع فقط. أما الضغط المتساوي الضغط للأكياس الجافة، فيُمكنه التشغيل التلقائي المستمر، ولكنه يُنتج فقط منتجات ذات أشكال بسيطة، مثل المقاطع العرضية المربعة والمستديرة والأنبوبية. يُمكن الضغط المتساوي الضغط الحصول على جسم أخضر موحد وكثيف، مع انكماش طفيف عند الحرق وانكماش موحد في جميع الاتجاهات، إلا أن المعدات مُعقدة ومكلفة، وكفاءة الإنتاج منخفضة، وهي مناسبة فقط لإنتاج مواد ذات متطلبات خاصة.

2. التشكيل الرطب

2.1 الحقن
تشبه عملية صبّ الجص عملية صبّ الشريط، ويكمن الفرق في أن عملية الصب تتضمن عمليتي تجفيف فيزيائي وتخثر كيميائي. يزيل التجفيف الفيزيائي الماء من الملاط من خلال الخاصية الشعرية لقالب الجبس المسامي. يزيد أيون الكالسيوم الناتج عن ذوبان كبريتات الكالسيوم السطحية من القوة الأيونية للملاط، مما يؤدي إلى تجلطه.
تحت تأثير الجفاف الفيزيائي والتخثر الكيميائي، تترسب جزيئات مسحوق السيراميك على جدار قالب الجبس. يُعدّ الحقن مناسبًا لتحضير قطع سيراميك كبيرة الحجم ذات أشكال معقدة، إلا أن جودة الجسم الأخضر، من حيث الشكل والكثافة والقوة، رديئة، ويتطلب جهدًا بشريًا كبيرًا، وهو غير مناسب للعمليات الآلية.

2.2 الصب بالقالب الساخن
الصب بالقالب الساخن هو خلط مسحوق السيراميك مع مادة رابطة (بارافين) عند درجة حرارة عالية نسبيًا (60-100 درجة مئوية) للحصول على عجينة مناسبة للصب بالقالب الساخن. تُحقن العجينة في قالب معدني تحت تأثير الهواء المضغوط، مع الحفاظ على الضغط. بعد التبريد، تُزال العجينة من القالب للحصول على قالب شمعي، ثم يُزال شمعها تحت حماية مسحوق خامل للحصول على جسم أخضر، ثم يُلبّد هذا الجسم عند درجة حرارة عالية ليتحول إلى خزف.

يتميز الجسم الأخضر المُشكّل بتقنية الصب بالقالب الساخن بأبعاد دقيقة، وهيكل داخلي موحد، وتآكل أقل للقالب، وكفاءة إنتاج عالية، وهو مناسب لمختلف المواد الخام. يجب التحكم بدقة في درجة حرارة عجينة الشمع والقالب، وإلا فسيؤدي ذلك إلى نقص في الحقن أو تشوه، لذا فهو غير مناسب لتصنيع القطع الكبيرة، كما أن عملية الحرق على مرحلتين معقدة، واستهلاك الطاقة مرتفع.

2.3 صب الشريط
صب الشريط هو خلط مسحوق السيراميك بالكامل مع كمية كبيرة من المواد الرابطة العضوية، والمُلَيِّنات، والمشتتات، وغيرها، للحصول على عجينة لزجة قابلة للتدفق. تُضاف العجينة إلى قادوس آلة الصب، وتُضبط سماكتها باستخدام مكشطة. يتدفق السائل إلى الحزام الناقل عبر فوهة التغذية، وبعد التجفيف، يُحصل على قالب الفيلم.

هذه العملية مناسبة لتحضير مواد الأغشية. ولزيادة مرونتها، تُضاف كمية كبيرة من المواد العضوية، ويجب التحكم بدقة في معايير العملية، وإلا ستؤدي بسهولة إلى عيوب مثل التقشير، والخطوط، وانخفاض قوة الغشاء، وصعوبة التقشير. المواد العضوية المستخدمة سامة وتُسبب تلوثًا بيئيًا، لذا يُنصح باستخدام نظام غير سام أو أقل سمية قدر الإمكان للحد من التلوث البيئي.

2.4 حقن الجل
تقنية حقن الهلام هي عملية جديدة للنمذجة السريعة باستخدام المواد الغروانية، ابتكرها باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني في أوائل التسعينيات. تعتمد هذه التقنية على استخدام محاليل مونومر عضوية تتبلمر لتتحول إلى هلامات بوليمرية مذيبة عالية القوة ومترابطة جانبيًا.

يُصبّ خليط من مسحوق السيراميك المذاب في محلول من المونومرات العضوية في قالب، ويتبلمر خليط المونومرات ليشكل جزءًا هلاميًا. ولأنّ البوليمر المتصل جانبيًا بالمذيب يحتوي على 10%-20% فقط (نسبة كتلة) من البوليمر، يسهل إزالة المذيب من الجزء الهلامي من خلال خطوة التجفيف. وفي الوقت نفسه، وبسبب الترابط الجانبي للبوليمرات، لا تنتقل البوليمرات مع المذيب أثناء عملية التجفيف.

يمكن استخدام هذه الطريقة لتصنيع قطع سيراميك أحادية الطور ومركبة، والتي يمكن أن تُشكل قطع سيراميك معقدة الشكل، شبه شبكية الحجم، وتصل قوتها الخضراء إلى 20-30 ميجا باسكال أو أكثر، ويمكن إعادة معالجتها. تكمن المشكلة الرئيسية لهذه الطريقة في أن معدل انكماش جسم الجنين مرتفع نسبيًا أثناء عملية التكثيف، مما يؤدي بسهولة إلى تشوهه؛ كما أن بعض المونومرات العضوية تعاني من تثبيط الأكسجين، مما يتسبب في تقشير السطح وتساقطه؛ وبسبب عملية بلمرة المونومرات العضوية الناتجة عن درجة الحرارة، يؤدي التخفيض الحراري إلى وجود إجهاد داخلي، مما يتسبب في كسر الفراغات، وما إلى ذلك.

2.5 حقن التصلب المباشر
حقن التصلب المباشر هو تقنية صب طورتها ETH زيورخ: يتم خلط الماء المذيب ومسحوق السيراميك والمواد المضافة العضوية بالكامل لتشكيل عجينة مستقرة كهروستاتيكيًا، منخفضة اللزوجة، وعالية المحتوى الصلب، والتي يمكن تغييرها عن طريق إضافة درجة حموضة العجينة أو المواد الكيميائية التي تزيد من تركيز الإلكتروليت، ثم يتم حقن العجينة في قالب غير مسامي.

التحكم في سير التفاعلات الكيميائية أثناء العملية. يتم التفاعل قبل حقن القالب ببطء، مع الحفاظ على لزوجة الملاط منخفضة، وبعد حقن القالب يتم تسريع التفاعل، فيتصلب الملاط، ويتحول الملاط السائل إلى مادة صلبة. يتميز الجسم الأخضر الناتج بخصائص ميكانيكية جيدة، ويمكن أن تصل قوته إلى 5 كيلو باسكال. يُفكك الجسم الأخضر من القالب، ويُجفف، ويُلبَّد لتشكيل قطعة خزفية بالشكل المطلوب.

من مزاياه أنه لا يحتاج، أو يحتاج فقط، إلى كمية قليلة من الإضافات العضوية (أقل من 1%)، ولا يحتاج الجسم الأخضر إلى إزالة الشحوم، وكثافته موحدة، وكثافته النسبية عالية (55% إلى 70%)، ويمكنه تكوين قطع سيراميك كبيرة الحجم ومعقدة الشكل. أما عيبه، فهو ارتفاع تكلفة الإضافات، وانبعاث الغازات بشكل عام أثناء التفاعل.

2.6 حقن القالب
لطالما استُخدمت تقنية القولبة بالحقن في تشكيل المنتجات البلاستيكية وقوالب المعادن. تعتمد هذه العملية على معالجة المواد العضوية بالحرارة في درجات حرارة منخفضة، أو معالجة المواد العضوية بالحرارة في درجات حرارة عالية. يُخلط المسحوق مع المادة الحاملة في جهاز خلط خاص، ثم يُحقن في القالب تحت ضغط عالٍ (من عشرات إلى مئات ميجا باسكال). بفضل ضغط القولبة العالي، تتميز القطع الخام الناتجة بأبعاد دقيقة، ونعومة عالية، وبنية مدمجة؛ ويؤدي استخدام معدات القولبة الخاصة إلى تحسين كفاءة الإنتاج بشكل كبير.

في أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن الماضي، طُبّقت عملية قولبة الحقن على قوالب السيراميك. تُحقّق هذه العملية قولبة بلاستيكية للمواد الخام بإضافة كمية كبيرة من المواد العضوية، وهي عملية شائعة في قولبة السيراميك. في تقنية قولبة الحقن، بالإضافة إلى استخدام المواد العضوية الحرارية (مثل البولي إيثيلين والبوليسترين)، والمواد العضوية الحرارية (مثل راتنجات الإيبوكسي والراتنجات الفينولية)، أو البوليمرات القابلة للذوبان في الماء كمادة رابطة رئيسية، من الضروري إضافة كميات معينة من مساعدات العملية، مثل الملدنات ومواد التشحيم وعوامل الربط، لتحسين سيولة مُعلق حقن السيراميك وضمان جودة هيكل القالب بالحقن.

تتميز عملية القولبة بالحقن بأتمتة عالية ودقة في حجم القالب. ومع ذلك، يصل المحتوى العضوي في الجسم الأخضر للقطع الخزفية المصبوبة بالحقن إلى 50% حجمًا. يستغرق التخلص من هذه المواد العضوية في عملية التلبيد اللاحقة وقتًا طويلاً، قد يصل إلى عدة أيام أو عشرات الأيام، مما يُسبب عيوبًا في الجودة.

2.7 حقن الغرواني
من أجل حل مشاكل كمية كبيرة من المواد العضوية المضافة وصعوبة القضاء على الصعوبات في عملية حقن صب التقليدية، اقترحت جامعة تسينغهوا بشكل إبداعي عملية جديدة لحقن صب الغرواني للسيراميك، وطورت بشكل مستقل نموذجًا أوليًا لحقن صب الغرواني لتحقيق حقن الملاط الخزفي القاحل. تشكيل.

الفكرة الأساسية هي دمج القولبة الغروانية مع القولبة بالحقن، باستخدام معدات حقن خاصة وتقنية معالجة جديدة توفرها عملية القولبة بالتصلب الغرواني في الموقع. تستخدم هذه العملية الجديدة أقل من 4% من وزن المادة العضوية. تُستخدم كمية صغيرة من المونومرات العضوية أو المركبات العضوية في المعلق المائي لتحفيز بلمرة المونومرات العضوية بسرعة بعد حقنها في القالب، لتشكيل هيكل شبكي عضوي يغلف مسحوق السيراميك بالتساوي. ومن بين هذه المزايا، لا يقتصر الأمر على تقصير وقت إزالة الصمغ بشكل كبير فحسب، بل يقلل أيضًا من احتمالية تشققه.

هناك فرق كبير بين حقن السيراميك والقولبة الغروانية. يكمن الفرق الرئيسي في أن الأول ينتمي إلى فئة القولبة البلاستيكية، بينما ينتمي الثاني إلى القولبة الملاطية، أي أن الملاط عديم اللدونة، وهو مادة عقيمة. ولأن الملاط عديم اللدونة في القولبة الغروانية، لا يمكن اعتماد الفكرة التقليدية لقولبة السيراميك بالحقن. عند دمج القولبة الغروانية مع القولبة بالحقن، يتم تحقيق قولبة السيراميك بالحقن الغروانية باستخدام معدات حقن خاصة وتقنية معالجة جديدة توفرها عملية القولبة الغروانية في الموقع.

تختلف عملية حقن السيراميك الغرواني الجديدة عن عملية حقن السيراميك الغرواني التقليدية. وتتميز هذه العملية بأتمتة عالية في عملية الصب، مما يُمثل أملاً في تطوير صناعة السيراميك عالي التقنية.