Chín quy trình đúc chính xác của gốm sứ zirconia

Chín quy trình đúc chính xác của gốm sứ zirconia
Quá trình đúc đóng vai trò liên kết trong toàn bộ quá trình chuẩn bị vật liệu gốm và là chìa khóa để đảm bảo độ tin cậy về hiệu suất và khả năng lặp lại sản xuất của vật liệu và linh kiện gốm.
Cùng với sự phát triển của xã hội, phương pháp nhào thủ công truyền thống, phương pháp tạo hình bằng bánh xe, phương pháp rót vữa, v.v. của gốm sứ truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu sản xuất và tinh chế của xã hội hiện đại, do đó một quy trình đúc mới đã ra đời. Vật liệu gốm sứ ZrO2 mịn được sử dụng rộng rãi trong 9 loại quy trình đúc sau (2 loại phương pháp khô và 7 loại phương pháp ướt):

1. Đúc khô

1.1 Ép khô

Ép khô sử dụng áp lực để ép bột gốm thành một hình dạng nhất định của thân. Bản chất của phương pháp này là dưới tác động của ngoại lực, các hạt bột tiếp cận nhau trong khuôn, và được kết hợp chặt chẽ nhờ ma sát bên trong để duy trì hình dạng nhất định. Nhược điểm chính của vật liệu xanh ép khô là hiện tượng bong tróc, do ma sát bên trong giữa bột và ma sát giữa bột và thành khuôn, dẫn đến mất áp suất bên trong thân.

Ưu điểm của ép khô là kích thước thân xanh chính xác, thao tác đơn giản, dễ dàng thực hiện thao tác cơ giới; hàm lượng ẩm và chất kết dính trong ép khô xanh thấp, độ co ngót khi sấy và nung nhỏ. Máy chủ yếu được sử dụng để tạo hình các sản phẩm có hình dạng đơn giản, tỷ lệ kích thước nhỏ. Nhược điểm của ép khô là chi phí sản xuất tăng do hao mòn khuôn.

1.2 Ép đẳng tĩnh

Ép đẳng tĩnh là một phương pháp tạo hình đặc biệt được phát triển dựa trên phương pháp ép khô truyền thống. Phương pháp này sử dụng áp suất truyền chất lỏng để tạo áp lực đều đặn lên bột bên trong khuôn đàn hồi từ mọi hướng. Nhờ áp suất bên trong của chất lỏng đồng đều, bột chịu áp lực đồng đều theo mọi hướng, do đó có thể tránh được sự khác biệt về mật độ của khối bột xanh.

Ép đẳng tĩnh được chia thành ép đẳng tĩnh túi ướt và ép đẳng tĩnh túi khô. Ép đẳng tĩnh túi ướt có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp, nhưng chỉ có thể hoạt động ngắt quãng. Ép đẳng tĩnh túi khô có thể thực hiện vận hành liên tục tự động, nhưng chỉ có thể tạo ra các sản phẩm có hình dạng đơn giản như hình vuông, hình tròn và hình ống. Ép đẳng tĩnh có thể tạo ra vật liệu xanh đồng đều và đặc, độ co ngót nung nhỏ và co ngót đồng đều theo mọi hướng, nhưng thiết bị phức tạp và đắt tiền, hiệu suất sản xuất không cao, chỉ phù hợp để sản xuất các vật liệu có yêu cầu đặc biệt.

2. Tạo hình ướt

2.1 Trát vữa
Quy trình đúc vữa tương tự như đúc băng, điểm khác biệt là quy trình đúc bao gồm quá trình khử nước vật lý và quá trình đông tụ hóa học. Quá trình khử nước vật lý loại bỏ nước trong bùn thông qua tác động mao dẫn của khuôn thạch cao xốp. Ca2+ sinh ra do sự hòa tan của CaSO4 bề mặt làm tăng cường độ ion của bùn, dẫn đến quá trình keo tụ.
Dưới tác động của quá trình khử nước vật lý và đông tụ hóa học, các hạt bột gốm được lắng đọng trên thành khuôn thạch cao. Phương pháp rót vữa thích hợp để chế tạo các chi tiết gốm quy mô lớn có hình dạng phức tạp, nhưng chất lượng của vật liệu thô, bao gồm hình dạng, mật độ, cường độ, v.v., kém, cường độ lao động của công nhân cao, không phù hợp cho các thao tác tự động.

2.2 Đúc khuôn nóng
Đúc khuôn nóng là quá trình trộn bột gốm với chất kết dính (parafin) ở nhiệt độ tương đối cao (60-100℃) để thu được hỗn hợp dùng cho đúc khuôn nóng. Hỗn hợp được phun vào khuôn kim loại dưới tác động của khí nén, duy trì áp suất. Làm nguội, tháo khuôn để thu được phôi sáp, phôi sáp được tách sáp dưới sự bảo vệ của bột trơ để thu được vật thể xanh, và vật thể xanh này được thiêu kết ở nhiệt độ cao để trở thành sứ.

Thân xanh hình thành bằng phương pháp đúc khuôn nóng có kích thước chính xác, cấu trúc bên trong đồng đều, ít hao mòn khuôn và hiệu suất sản xuất cao, phù hợp với nhiều loại nguyên liệu thô. Nhiệt độ của hỗn hợp sáp và khuôn cần được kiểm soát chặt chẽ, nếu không sẽ gây ra hiện tượng phun thiếu hoặc biến dạng, do đó không thích hợp để sản xuất các chi tiết lớn, quy trình nung hai bước phức tạp và tiêu thụ năng lượng cao.

2.3 Đúc băng
Đúc băng là quá trình trộn đều bột gốm với một lượng lớn chất kết dính hữu cơ, chất hóa dẻo, chất phân tán, v.v. để thu được hỗn hợp sệt có thể chảy được, sau đó đổ hỗn hợp vào phễu của máy đúc, dùng dao cạo để kiểm soát độ dày. Hỗn hợp chảy ra băng tải thông qua vòi phun, và sau khi sấy khô sẽ thu được phôi màng.

Quy trình này phù hợp để chế tạo vật liệu màng. Để đạt được độ dẻo tốt hơn, cần bổ sung một lượng lớn vật liệu hữu cơ, đồng thời cần kiểm soát chặt chẽ các thông số quy trình, nếu không sẽ dễ gây ra các khuyết tật như bong tróc, vệt, độ bền màng thấp hoặc khó bong tróc. Vật liệu hữu cơ được sử dụng có tính độc hại và sẽ gây ô nhiễm môi trường, do đó cần sử dụng hệ thống không độc hại hoặc ít độc hại hơn để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

2.4 Ép phun gel
Công nghệ ép phun gel là một quy trình tạo mẫu nhanh dạng keo mới được các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge phát minh lần đầu tiên vào đầu những năm 1990. Cốt lõi của công nghệ này là sử dụng các dung dịch monome hữu cơ trùng hợp thành gel polyme-dung môi liên kết ngang có độ bền cao.

Một hỗn hợp bột gốm hòa tan trong dung dịch monome hữu cơ được đúc trong khuôn, và hỗn hợp monome này trùng hợp tạo thành một phần gel. Vì polyme-dung môi liên kết ngang chỉ chứa 10%–20% (phần khối lượng) polyme, nên việc loại bỏ dung môi khỏi phần gel bằng bước sấy là dễ dàng. Đồng thời, do polyme liên kết ngang, polyme không thể di chuyển cùng với dung môi trong quá trình sấy.

Phương pháp này có thể được sử dụng để chế tạo các chi tiết gốm đơn pha và gốm composite, có thể tạo thành các chi tiết gốm có hình dạng phức tạp, kích thước gần như lưới, và cường độ xanh của nó cao tới 20-30Mpa hoặc hơn, có thể được tái chế. Vấn đề chính của phương pháp này là tốc độ co ngót của phôi tương đối cao trong quá trình cô đặc, dễ dẫn đến biến dạng phôi; một số monome hữu cơ bị ức chế oxy, khiến bề mặt bị bong tróc và rơi ra; do quá trình trùng hợp monome hữu cơ do nhiệt độ gây ra, dẫn đến hiện tượng bào mòn do nhiệt độ dẫn đến ứng suất bên trong, khiến phôi bị vỡ, v.v.

2.5 Ép phun đông đặc trực tiếp
Ép phun đông đặc trực tiếp là công nghệ ép phun do ETH Zurich phát triển: dung môi nước, bột gốm và phụ gia hữu cơ được trộn đều để tạo thành hỗn hợp có độ nhớt thấp, hàm lượng chất rắn cao, ổn định tĩnh điện, có thể thay đổi bằng cách thêm pH của hỗn hợp hoặc hóa chất làm tăng nồng độ chất điện phân, sau đó hỗn hợp được bơm vào khuôn không xốp.

Kiểm soát tiến trình phản ứng hóa học trong quá trình. Phản ứng trước khi ép phun được thực hiện chậm, độ nhớt của bùn được giữ ở mức thấp, và phản ứng được tăng tốc sau khi ép phun, bùn đông đặc lại, và bùn lỏng được chuyển thành thể rắn. Vật liệu xanh thu được có tính chất cơ học tốt và cường độ có thể đạt tới 5kPa. Vật liệu xanh được tách khuôn, sấy khô và thiêu kết để tạo thành chi tiết gốm có hình dạng mong muốn.

Ưu điểm của phương pháp này là không cần hoặc chỉ cần một lượng nhỏ phụ gia hữu cơ (dưới 1%), thân xanh không cần tẩy dầu mỡ, mật độ thân xanh đồng đều, tỷ trọng tương đối cao (55%~70%), có thể tạo thành các chi tiết gốm kích thước lớn và hình dạng phức tạp. Nhược điểm của phương pháp này là phụ gia đắt tiền, phản ứng thường sinh ra khí.

2.6 Ép phun
Ép phun từ lâu đã được sử dụng trong đúc các sản phẩm nhựa và đúc khuôn kim loại. Quy trình này sử dụng phương pháp đóng rắn ở nhiệt độ thấp đối với vật liệu hữu cơ nhiệt dẻo hoặc đóng rắn ở nhiệt độ cao đối với vật liệu hữu cơ nhiệt rắn. Bột và chất mang hữu cơ được trộn trong thiết bị trộn đặc biệt, sau đó được phun vào khuôn dưới áp suất cao (hàng chục đến hàng trăm MPa). Nhờ áp suất đúc lớn, phôi thu được có kích thước chính xác, độ mịn cao và cấu trúc chặt chẽ; việc sử dụng thiết bị đúc đặc biệt giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất.

Vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980, quy trình ép phun đã được áp dụng để đúc các chi tiết gốm. Quy trình này thực hiện đúc nhựa các vật liệu thô bằng cách bổ sung một lượng lớn vật liệu hữu cơ, đây là một quy trình đúc nhựa gốm phổ biến. Trong công nghệ ép phun, ngoài việc sử dụng các chất hữu cơ nhiệt dẻo (như polyethylene, polystyrene), các chất hữu cơ nhiệt rắn (như nhựa epoxy, nhựa phenolic) hoặc các polyme tan trong nước làm chất kết dính chính, cần phải bổ sung một lượng nhất định các chất hỗ trợ quy trình như chất hóa dẻo, chất bôi trơn và chất kết dính để cải thiện tính lưu động của hỗn dịch phun gốm và đảm bảo chất lượng của vật thể được đúc phun.

Quy trình ép phun có ưu điểm là độ tự động hóa cao và kích thước phôi đúc chính xác. Tuy nhiên, hàm lượng hữu cơ trong vật liệu xanh của các chi tiết gốm ép phun lên tới 50% thể tích. Phải mất một thời gian dài, thậm chí vài ngày đến hàng chục ngày, để loại bỏ các chất hữu cơ này trong quá trình thiêu kết tiếp theo, và dễ gây ra lỗi chất lượng.

2.7 Ép phun keo
Để giải quyết vấn đề về lượng lớn vật chất hữu cơ được thêm vào và khó khăn trong việc loại bỏ những khó khăn trong quy trình ép phun truyền thống, Đại học Thanh Hoa đã sáng tạo đề xuất một quy trình mới để ép phun keo gốm sứ và tự phát triển nguyên mẫu ép phun keo để thực hiện việc phun bùn gốm cằn cỗi.

Ý tưởng cơ bản là kết hợp đúc keo với đúc phun, sử dụng thiết bị phun độc quyền và công nghệ đóng rắn mới được cung cấp bởi quy trình đúc đông đặc tại chỗ dạng keo. Quy trình mới này sử dụng ít hơn 4% khối lượng vật liệu hữu cơ. Một lượng nhỏ monome hữu cơ hoặc hợp chất hữu cơ trong dung dịch huyền phù gốc nước được sử dụng để nhanh chóng thúc đẩy quá trình trùng hợp các monome hữu cơ sau khi phun vào khuôn, tạo thành một bộ khung mạng lưới hữu cơ, bao bọc đều bột gốm. Nhờ đó, không chỉ thời gian tách keo được rút ngắn đáng kể mà khả năng nứt vỡ do tách keo cũng giảm đáng kể.

Có một sự khác biệt rất lớn giữa ép phun gốm sứ và đúc keo. Sự khác biệt chính là ép phun thuộc về loại đúc nhựa, còn đúc keo thuộc về đúc bùn, tức là bùn không có tính dẻo và là vật liệu trơ. Vì bùn không có tính dẻo trong đúc keo, nên quan niệm truyền thống về đúc phun gốm sứ không thể áp dụng được. Nếu đúc keo được kết hợp với đúc phun, đúc phun keo vật liệu gốm sứ được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị phun độc quyền và công nghệ đóng rắn mới do quy trình đúc keo tại chỗ cung cấp.

Quy trình ép phun keo gốm sứ mới khác biệt so với phương pháp ép phun keo thông thường và ép phun truyền thống. Ưu điểm của mức độ tự động hóa cao trong quá trình ép phun là khả năng thăng hoa chất lượng của quy trình ép phun keo, hứa hẹn sẽ trở thành hy vọng cho công nghiệp hóa gốm sứ công nghệ cao.