Chín quy trình đúc chính xác gốm zirconia

Chín quy trình đúc chính xác gốm zirconia
Quá trình đúc khuôn đóng vai trò liên kết trong toàn bộ quy trình chế tạo vật liệu gốm, và là chìa khóa để đảm bảo độ tin cậy về hiệu suất và tính lặp lại trong sản xuất vật liệu và linh kiện gốm.
Với sự phát triển của xã hội, các phương pháp truyền thống như nhào nặn bằng tay, tạo hình bằng bàn xoay, phương pháp trát vữa, v.v. của gốm sứ truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu sản xuất và hoàn thiện của xã hội hiện đại, vì vậy quy trình tạo hình mới ra đời. Vật liệu gốm mịn ZrO2 được sử dụng rộng rãi trong 9 loại quy trình tạo hình sau (2 loại phương pháp khô và 7 loại phương pháp ướt):

1. Đúc khô

1.1 Ép khô

Phương pháp ép khô sử dụng áp lực để ép bột gốm thành hình dạng nhất định. Bản chất của nó là dưới tác động của lực bên ngoài, các hạt bột tiến lại gần nhau trong khuôn và được kết dính chặt chẽ nhờ ma sát bên trong để duy trì hình dạng nhất định. Nhược điểm chính của các sản phẩm gốm thô được ép khô là hiện tượng bong tróc, do ma sát bên trong giữa các hạt bột và ma sát giữa bột với thành khuôn, dẫn đến mất áp suất bên trong sản phẩm.

Ưu điểm của phương pháp ép khô là kích thước sản phẩm thô chính xác, thao tác đơn giản và dễ dàng cơ giới hóa; hàm lượng ẩm và chất kết dính trong sản phẩm ép khô thấp, độ co ngót khi sấy và nung nhỏ. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để tạo hình các sản phẩm có hình dạng đơn giản và tỷ lệ chiều dài/chiều rộng nhỏ. Nhược điểm của phương pháp ép khô là chi phí sản xuất tăng lên do hao mòn khuôn.

1.2 Ép tĩnh mạch

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 tác dụng đều áp suất lên bột bên trong khuôn đàn hồi từ mọi hướng. Do áp suất bên trong chất lỏng ổn định, bột chịu cùng một áp suất theo mọi hướng, do đó có thể tránh được sự chênh lệch về mật độ của sản phẩm thô.

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 hình sản phẩm có hình dạng phức tạp, nhưng chỉ có thể hoạt động gián đoạn. Ép đẳng tĩnh túi khô có thể thực hiện hoạt động liên tục tự động, nhưng chỉ có thể tạo hình sản phẩm có hình dạng đơn giản như mặt cắt ngang hình vuông, hình tròn và hình ống. Ép đẳng tĩnh có thể thu được sản phẩm thô đồng nhất và đặc, độ co ngót khi nung nhỏ và độ co ngót đồng đều theo mọi hướng, nhưng thiết bị phức tạp và đắt tiền, hiệu suất sản xuất không cao, chỉ phù hợp với việc sản xuất các vật liệu có yêu cầu đặc biệt.

2. Tạo hình ướt

2.1 Vữa
Quá trình tạo khuôn bằng vữa tương tự như quá trình đúc băng, điểm khác biệt là quá trình tạo khuôn 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 hỗn hợp vữa thông qua hiện tượng mao dẫn của khuôn thạch cao xốp. Ion Ca2+ được tạo ra do sự hòa tan của CaSO4 trên bề mặt làm tăng cường độ ion của hỗn hợp vữa, dẫn đến sự kết tụ của hỗn hợp vữa.
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 đổ vữa thích hợp cho việc chế tạo các chi tiết gốm quy mô lớn có hình dạng phức tạp, nhưng chất lượng của sản phẩm thô, bao gồm hình dạng, mật độ, độ bền, v.v., còn kém, cường độ lao động cao và không phù hợp với các hoạt động tự động hóa.

2.2 Đúc khuôn nóng
Đúc 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 sệt dùng cho đúc nóng. Hỗn hợp sệt được bơm vào khuôn kim loại dưới tác dụng của khí nén và duy trì áp suất. Sau khi làm nguội, tháo khuôn để thu được phôi sáp, phôi sáp được loại bỏ sáp dưới sự bảo vệ của bột trơ để thu được phôi thô, và phôi thô được nung kết ở nhiệt độ cao để trở thành sứ.

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

2.3 Đúc băng
Phương pháp đúc màng là 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 độ nhớt cao, sau đó cho hỗn hợp vào phễu của máy đúc và dùng gạt để điều chỉnh độ dày. Hỗn hợp chảy ra băng tải thông qua vòi cấp liệu, và thu được phôi màng sau khi sấy khô.

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

2.4 Khuôn 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 vào đầu những năm 1990. Cốt lõi của công nghệ này là sử dụng các dung dịch monome hữu cơ để trùng hợp thành các gel polyme-dung môi liên kết ngang có độ bền cao.

Hỗn hợp bột gốm hòa tan trong dung dịch monome hữu cơ được đổ vào khuôn, và hỗn hợp monome sẽ trùng hợp để tạo thành một phần dạng gel. Vì polyme-dung môi liên kết ngang chỉ chứa 10%–20% (theo khối lượng) polyme, nên việc loại bỏ dung môi khỏi phần gel rất dễ dàng bằng bước sấy khô. Đồng thời, do sự liên kết ngang của các polyme, các polyme không thể di chuyển cùng với dung môi trong quá trình sấy khô.

Phương pháp này có thể được sử dụng để sản xuất các chi tiết gốm đơn pha và hỗn hợp, có thể tạo thành các chi tiết gốm có hình dạng phức tạp, kích thước gần như hoàn chỉnh, và độ bền khi chưa gia công đạt tới 20-30 MPa hoặc hơn, có thể tái chế. Vấn đề chính của phương pháp này là tỷ lệ co ngót của phôi tương đối cao trong quá trình nung kết, dễ dẫn đến biến dạng phôi; một số monome hữu cơ có khả năng ức chế oxy, gây ra hiện tượng bong tróc bề mặt; do quá trình trùng hợp monome hữu cơ gây ra bởi nhiệt độ, dẫn đến sự hình thành ứng suất bên trong, gây ra hiện tượng vỡ phôi, v.v.

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

Kiểm soát tiến trình các phản ứng hóa học trong suốt quá trình. Phản ứng trước khi ép phun được thực hiện chậm, độ nhớt của hỗn hợp được giữ ở mức thấp, và phản ứng được tăng tốc sau khi ép phun, hỗn hợp đông đặc lại, và hỗn hợp lỏng chuyển thành dạng khối rắn. Khối thô thu được có tính chất cơ học tốt và độ bền có thể đạt tới 5kPa. Khối thô được tháo khuôn, sấy khô và nung 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 chất phụ gia hữu cơ (dưới 1%), phôi thô không cần tẩy dầu mỡ, mật độ phôi thô đồng đều, mật độ tương đối cao (55%~70%), và có thể tạo hình các chi tiết gốm kích thước lớn và hình dạng phức tạp. Nhược điểm là chất phụ gia đắt tiền, và thường sinh khí trong quá trình phản ứng.

2.6 Ép phun
Ép phun đã được sử dụng từ lâu trong việc tạo hình các sản phẩm nhựa và khuôn kim loại. Quá trình này sử dụng phương pháp đóng rắn ở nhiệt độ thấp đối với các chất hữu cơ nhiệt dẻo hoặc đóng rắn ở nhiệt độ cao đối với các chất hữu cơ nhiệt rắn. Bột và chất mang hữu cơ được trộn trong thiết bị trộn chuyên dụng, sau đó được bơm vào khuôn dưới áp suất cao (hàng chục đến hàng trăm MPa). Do áp suất ép lớn, các sản phẩm thu được có kích thước chính xác, độ nhẵn cao và cấu trúc đặc chắc; việc sử dụng thiết bị ép phun chuyên dụng giúp nâng cao đáng kể hiệu quả sản xuất.

Vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980, quy trình ép phun được ứng dụng vào việc tạo hình các chi tiết gốm sứ. Quy trình này giúp tạo hình nhựa cho các vật liệu khô bằng cách thêm một lượng lớn chất hữu cơ, đây là một quy trình tạo hình nhựa gốm sứ phổ biến. Trong công nghệ ép phun, ngoài việc sử dụng các chất hữu cơ nhiệt dẻo (như polyetylen, polystyren), chất hữu cơ nhiệt rắn (như nhựa epoxy, nhựa phenolic) hoặc polyme tan trong nước làm chất kết dính chính, cần phải thêm một lượng nhất định các chất hỗ trợ quá trình như chất hóa dẻo, chất bôi trơn và chất liên kết để cải thiện độ lưu động của hỗn hợp gốm sứ khi ép phun và đảm bảo chất lượng của sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp ép phun.

Quá trình ép phun có ưu điểm là mức độ tự động hóa cao và kích thước phôi chính xác. Tuy nhiên, hàm lượng chất hữu cơ trong phôi thô của các chi tiết gốm ép phun có thể lên tới 50% thể tích. Việc loại bỏ các chất hữu cơ này trong quá trình thiêu kết tiếp theo mất rất nhiều thời gian, thậm chí vài ngày đến hàng chục ngày, và dễ gây ra các khuyết tật về chất lượng.

2.7 Khuôn ép phun keo
Để giải quyết các vấn đề về lượng chất hữu cơ thêm vào lớn và khó khăn trong việc loại bỏ các khuyết tật trong quy trình ép phun truyền thống, Đại học Thanh Hoa đã sáng tạo đề xuất một quy trình mới cho việc ép phun keo gốm sứ, và tự phát triển một nguyên mẫu ép phun keo để thực hiện việc ép phun hỗn hợp gốm sứ không chứa chất phụ gia.

Ý tưởng cơ bản là kết hợp phương pháp đúc keo với phương pháp ép phun, sử dụng thiết bị ép phun độc quyền và công nghệ đóng rắn mới được cung cấp bởi quy trình đúc keo đông đặc tại chỗ. Quy trình mới này sử dụng ít hơn 4% trọng lượng chất hữu cơ. Một lượng nhỏ monome hữu cơ hoặc hợp chất hữu cơ trong huyền phù gốc nước được sử dụng để nhanh chóng thúc đẩy quá trình trùng hợp các monome hữu cơ sau khi ép phun vào khuôn để tạo thành một 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 trong quá trình tách keo cũng được giảm thiểu đáng kể.

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

Quy trình ép phun keo gốm sứ mới khác biệt so với ép phun keo thông thường và ép phun truyền thống. Ưu điểm của mức độ tự động hóa khuôn cao là sự thăng hoa về chất lượng của quy trình ép phun keo, điều này sẽ trở thành niềm hy vọng cho quá trình công nghiệp hóa gốm sứ công nghệ cao.