تسع عمليات تشكيل دقيقة لسيراميك الزركونيا

تسع عمليات تشكيل دقيقة لسيراميك الزركونيا
تلعب عملية التشكيل دورًا محوريًا في عملية التحضير الكاملة للمواد الخزفية، وهي المفتاح لضمان موثوقية الأداء وقابلية تكرار إنتاج المواد والمكونات الخزفية.
مع تطور المجتمع، لم تعد طرق العجن اليدوي التقليدية، والتشكيل على الدولاب، والحقن، وغيرها من طرق صناعة السيراميك التقليدية، قادرة على تلبية احتياجات المجتمع الحديث في الإنتاج والتحسين، فظهرت عملية تشكيل جديدة. تُستخدم مواد السيراميك الدقيقة المصنوعة من أكسيد الزركونيوم (ZrO2) على نطاق واسع في الأنواع التسعة التالية من عمليات التشكيل (نوعان من الطرق الجافة وسبعة أنواع من الطرق الرطبة):

1. التشكيل الجاف

1.1 الضغط الجاف

تعتمد عملية الكبس الجاف على الضغط لتشكيل مسحوق السيراميك في قالب ذي شكل محدد. وتتلخص هذه العملية في أن جزيئات المسحوق تتقارب داخل القالب تحت تأثير قوة خارجية، وتتحد بقوة بفعل الاحتكاك الداخلي للحفاظ على الشكل المطلوب. أما العيب الرئيسي في القوالب الخضراء المكبوسة جافاً فهو التقشر، والذي ينتج عن الاحتكاك الداخلي بين جزيئات المسحوق، والاحتكاك بين المسحوق وجدار القالب، مما يؤدي إلى فقدان الضغط داخل القالب.

تتميز عملية الكبس الجاف بدقة حجم الجسم الخام، وسهولة التشغيل، وإمكانية تطبيقها آليًا؛ كما أن نسبة الرطوبة والمواد الرابطة في الجسم الخام بعد الكبس الجاف تكون منخفضة، مما يقلل من انكماشه أثناء التجفيف والحرق. تُستخدم هذه العملية بشكل أساسي لتشكيل منتجات ذات أشكال بسيطة ونسبة أبعاد صغيرة. أما عيوبها فتتمثل في ارتفاع تكلفة الإنتاج نتيجة لتآكل القوالب.

1.2 الضغط المتساوي

الضغط المتساوي الضغط هو أسلوب تشكيل خاص تم تطويره بناءً على الضغط الجاف التقليدي. يعتمد هذا الأسلوب على ضغط انتقال السوائل لتطبيق ضغط متساوٍ على المسحوق داخل القالب المرن من جميع الاتجاهات. وبفضل ثبات الضغط الداخلي للسائل، يتحمل المسحوق نفس الضغط في جميع الاتجاهات، مما يمنع اختلاف كثافة الجسم الخام.

تنقسم عملية الضغط المتساوي إلى نوعين: الضغط المتساوي في الأكياس الرطبة والضغط المتساوي في الأكياس الجافة. يُمكن للضغط المتساوي في الأكياس الرطبة تشكيل منتجات ذات أشكال معقدة، ولكنه يعمل بشكل متقطع فقط. أما الضغط المتساوي في الأكياس الجافة، فيُمكنه العمل بشكل مستمر آليًا، ولكنه يقتصر على تشكيل منتجات ذات أشكال بسيطة مثل المربعات والدوائر والأسطوانات. يُنتج الضغط المتساوي جسمًا أوليًا متجانسًا وكثيفًا، مع انكماش حراري منخفض وانكماش منتظم في جميع الاتجاهات، إلا أن معداته معقدة ومكلفة، وكفاءته الإنتاجية منخفضة، وهو مناسب فقط لإنتاج المواد ذات المتطلبات الخاصة.

2. التشكيل الرطب

2.1 الترويب
تتشابه عملية صبّ الخرسانة بالحقن مع عملية صبّ الشرائط، إلا أن الفرق يكمن في أن عملية الصبّ تتضمن عملية تجفيف فيزيائي وعملية تخثير كيميائي. يزيل التجفيف الفيزيائي الماء من الملاط بفعل الخاصية الشعرية لقالب الجبس المسامي. وتؤدي أيونات الكالسيوم (Ca2+) الناتجة عن ذوبان كبريتات الكالسيوم (CaSO4) السطحية إلى زيادة القوة الأيونية للملاط، مما ينتج عنه تكتل الملاط.
بفعل التجفيف الفيزيائي والتخثر الكيميائي، تترسب جزيئات مسحوق السيراميك على جدار قالب الجبس. يُعدّ الحقن مناسبًا لتحضير قطع السيراميك كبيرة الحجم ذات الأشكال المعقدة، إلا أن جودة المادة الخام، بما في ذلك الشكل والكثافة والمتانة، تكون رديئة، كما أن الجهد المبذول من قِبل العمال كبير، ولا يُناسب العمليات الآلية.

2.2 صب القوالب الساخنة
تعتمد عملية الصب بالقوالب الساخنة على خلط مسحوق السيراميك مع مادة رابطة (البارافين) عند درجة حرارة عالية نسبيًا (60-100 درجة مئوية) للحصول على معجون مناسب للصب. يُحقن المعجون في القالب المعدني تحت تأثير الهواء المضغوط، مع الحفاظ على الضغط. بعد التبريد، يُخرج القالب للحصول على قطعة شمعية أولية، ثم تُزال طبقة الشمع من القطعة الشمعية الأولية تحت غطاء من مسحوق خامل للحصول على جسم أولي، يُلبّد هذا الجسم الأولي عند درجة حرارة عالية ليصبح خزفًا.

يتميز الجسم الأخضر المُشكّل بالصب الساخن بأبعاد دقيقة، وبنية داخلية متجانسة، وتآكل أقل للقالب، وكفاءة إنتاجية عالية، وهو مناسب لمختلف المواد الخام. يتطلب الأمر تحكمًا دقيقًا في درجة حرارة معجون الشمع والقالب، وإلا سيحدث نقص في الحقن أو تشوه، لذا فهو غير مناسب لتصنيع الأجزاء الكبيرة، كما أن عملية الحرق على مرحلتين معقدة وتستهلك طاقة عالية.

2.3 صب الشريط
تعتمد عملية صب الشريط على خلط مسحوق السيراميك جيدًا مع كمية كبيرة من المواد الرابطة العضوية، والملدنات، والمشتتات، وغيرها، للحصول على معجون لزج سائل. يُضاف هذا المعجون إلى قادوس آلة الصب، ويُستخدم مكشطة للتحكم في سمكه. يتدفق المعجون إلى سير النقل عبر فوهة التغذية، ويتم الحصول على الفيلم الخام بعد التجفيف.

تُعدّ هذه العملية مناسبة لتحضير مواد الأغشية الرقيقة. وللحصول على مرونة أفضل، تُضاف كمية كبيرة من المواد العضوية، ويجب التحكم بدقة في معايير العملية، وإلا ستحدث عيوب بسهولة مثل التقشر، والخطوط، وضعف قوة الغشاء، أو صعوبة تقشيره. المواد العضوية المستخدمة سامة وتُسبب تلوثًا بيئيًا، لذا ينبغي استخدام نظام غير سام أو أقل سمية قدر الإمكان للحد من التلوث البيئي.

2.4 قولبة حقن الجل
تقنية قولبة حقن الجل هي عملية جديدة للنماذج الأولية الغروية السريعة ابتكرها باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني في أوائل التسعينيات. وتعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على استخدام محاليل المونومر العضوية التي تتفاعل مع بعضها البعض لتكوين هلامات بوليمر-مذيب عالية القوة ومترابطة جانبياً.

يُصبّ خليط من مسحوق السيراميك المذاب في محلول من المونومرات العضوية في قالب، ثم يتصلب الخليط ليشكل جزءًا هلاميًا. ولأن البوليمر-المذيب المرتبط جانبيًا لا يحتوي إلا على 10-20% (نسبة كتلية) من البوليمر، فمن السهل إزالة المذيب من الجزء الهلامي عن طريق التجفيف. في الوقت نفسه، وبفضل الارتباط الجانبي للبوليمرات، لا تستطيع البوليمرات الانتقال مع المذيب أثناء عملية التجفيف.

يمكن استخدام هذه الطريقة لتصنيع أجزاء خزفية أحادية الطور ومركبة، قادرة على تشكيل أجزاء خزفية معقدة الشكل وشبه نهائية الحجم، وتصل قوتها الأولية إلى 20-30 ميجا باسكال أو أكثر، مما يسمح بإعادة معالجتها. تكمن المشكلة الرئيسية لهذه الطريقة في ارتفاع معدل انكماش الجسم الأولي أثناء عملية التكثيف، مما يؤدي بسهولة إلى تشوهه؛ كما أن بعض المونومرات العضوية تعاني من تثبيط الأكسجين، مما يتسبب في تقشر السطح وسقوطه؛ ونظرًا لعملية بلمرة المونومرات العضوية الناتجة عن الحرارة، فإن انخفاض درجة الحرارة يؤدي إلى وجود إجهاد داخلي، مما يتسبب في كسر القطع، وغير ذلك.

2.5 قولبة الحقن بالتصليد المباشر
يُعدّ قولبة الحقن بالتصلب المباشر تقنية قولبة طورتها جامعة ETH زيورخ: حيث يتم خلط الماء المذيب ومسحوق السيراميك والمواد المضافة العضوية بالكامل لتشكيل معلق مستقر كهروستاتيكيًا ومنخفض اللزوجة وعالي المحتوى الصلب، والذي يمكن تغييره عن طريق إضافة درجة حموضة المعلق أو مواد كيميائية تزيد من تركيز الإلكتروليت، ثم يتم حقن المعلق في قالب غير مسامي.

يتم التحكم في سير التفاعلات الكيميائية أثناء العملية. يُجرى التفاعل قبل عملية التشكيل بالحقن ببطء، مع الحفاظ على لزوجة منخفضة للملاط. بعد التشكيل بالحقن، يُسرّع التفاعل، فيتصلب الملاط ويتحول إلى جسم صلب. يتميز الجسم الأخضر الناتج بخصائص ميكانيكية جيدة، حيث تصل قوته إلى 5 كيلو باسكال. يُفكّك الجسم الأخضر من القالب، ويُجفف، ثم يُلبّد لتشكيل قطعة خزفية بالشكل المطلوب.

من مزايا هذه الطريقة أنها لا تحتاج إلى إضافات عضوية أو تحتاج إلى كمية ضئيلة منها (أقل من 1%)، ولا تتطلب إزالة الشحوم من المادة الأولية، وتتميز بكثافة متجانسة وكثافة نسبية عالية (55% إلى 70%)، كما أنها قادرة على تشكيل قطع خزفية كبيرة الحجم ومعقدة الشكل. أما عيوبها فتتمثل في ارتفاع تكلفة الإضافات، وانبعاث الغازات عادةً أثناء التفاعل.

2.6 قولبة الحقن
لطالما استُخدمت تقنية قولبة الحقن في تشكيل المنتجات البلاستيكية وقوالب المعادن. تعتمد هذه العملية على معالجة المواد العضوية الحرارية في درجات حرارة منخفضة، أو معالجة المواد العضوية المتصلبة حراريًا في درجات حرارة عالية. يُخلط المسحوق مع المادة العضوية الحاملة في جهاز خلط خاص، ثم يُحقن الخليط في القالب تحت ضغط عالٍ (يتراوح بين عشرات ومئات الميغاباسكال). وبفضل ضغط القولبة العالي، تتميز القطع الناتجة بأبعاد دقيقة، ونعومة فائقة، وبنية متماسكة؛ كما يُسهم استخدام معدات القولبة المتخصصة في تحسين كفاءة الإنتاج بشكل كبير.

في أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن الماضي، طُبقت عملية قولبة الحقن على قولبة الأجزاء الخزفية. تُحقق هذه العملية قولبة البلاستيك للمواد الخام بإضافة كمية كبيرة من المواد العضوية، وهي عملية شائعة في قولبة البلاستيك الخزفي. في تقنية قولبة الحقن، بالإضافة إلى استخدام المواد العضوية الحرارية (مثل البولي إيثيلين والبوليسترين)، أو المواد العضوية المتصلبة بالحرارة (مثل راتنج الإيبوكسي وراتنج الفينول)، أو البوليمرات القابلة للذوبان في الماء كمادة رابطة رئيسية، من الضروري إضافة كميات معينة من مواد مساعدة مثل الملدنات ومواد التشحيم وعوامل الربط لتحسين سيولة معلق حقن السيراميك وضمان جودة الجسم المصبوب بالحقن.

تتميز عملية التشكيل بالحقن بدرجة عالية من الأتمتة ودقة أبعاد القالب. مع ذلك، تصل نسبة المواد العضوية في المادة الخام للأجزاء الخزفية المشكلة بالحقن إلى 50% حجمًا. ويستغرق التخلص من هذه المواد العضوية في عملية التلبيد اللاحقة وقتًا طويلًا، قد يمتد من عدة أيام إلى عشرات الأيام، مما قد يؤدي إلى عيوب في الجودة.

2.7 قولبة الحقن الغرواني
لحل مشكلات الكمية الكبيرة من المواد العضوية المضافة وصعوبة التغلب على الصعوبات في عملية قولبة الحقن التقليدية، اقترحت جامعة تسينغهوا بشكل مبتكر عملية جديدة لقولبة الحقن الغرواني للسيراميك، وقامت بشكل مستقل بتطوير نموذج أولي لقولبة الحقن الغرواني لتحقيق حقن معجون السيراميك الخالي من المواد العضوية.

تعتمد الفكرة الأساسية على دمج التشكيل الغرواني مع التشكيل بالحقن، باستخدام معدات حقن خاصة وتقنية معالجة جديدة مستمدة من عملية التشكيل بالتصلب الغرواني الموضعي. تستخدم هذه العملية الجديدة أقل من 4% من وزن المادة العضوية. تُستخدم كمية صغيرة من المونومرات العضوية أو المركبات العضوية في معلق مائي لتحفيز بلمرة المونومرات العضوية بسرعة بعد الحقن في القالب، لتشكيل هيكل شبكي عضوي يغلف مسحوق السيراميك بشكل متجانس. ومن بين مزايا هذه العملية، تقصير وقت إزالة الصمغ بشكل كبير، وتقليل احتمالية تشققه بشكل ملحوظ.

يوجد فرق شاسع بين قولبة حقن السيراميك والقولبة الغروية. يكمن الفرق الرئيسي في أن الأولى تُصنف ضمن قولبة البلاستيك، بينما تُصنف الثانية ضمن قولبة الملاط، أي أن الملاط المستخدم فيها عديم اللدونة ومادة خاملة. ولأن الملاط عديم اللدونة في القولبة الغروية، لا يمكن تطبيق المفهوم التقليدي لقولبة حقن السيراميك. عند دمج القولبة الغروية مع قولبة الحقن، يُمكن تحقيق قولبة حقن المواد السيراميكية الغروية باستخدام معدات حقن خاصة وتقنية معالجة جديدة توفرها عملية القولبة الغروية الموضعية.

تختلف عملية التشكيل بالحقن الغرواني الجديدة للسيراميك عن التشكيل الغرواني العام والتشكيل بالحقن التقليدي. وتكمن ميزة أتمتة التشكيل بدرجة عالية في الارتقاء بجودة عملية التشكيل الغرواني، مما يُبشر بإمكانية تصنيع السيراميك عالي التقنية على نطاق صناعي واسع.