Передовое производство: литье керамики под давлением набирает популярность
Применение Керамическая литьевая технология формования
С быстрым развитиемВечерВ некоторых аспектах применения технологии CIM керамические изделия, изготовленные методом литья под давлением, нашли применение
- Треть корпусов швейцарских часов изготавливаются с использованием технологии литья под давлением керамического порошка, а материалом для их изготовления служит диоксид циркония — керамический материал, который никогда не изнашивается.
- В Японии освоено производство циркониевых волоконных соединителей с внутренним диаметром отверстия 0,015 мм.
- В США освоено производство циркониевых машинок для стрижки волос и применение деталей из нитрида кремния в двигателях.
- Разработаны керамическая футеровка прецизионного двухшнекового смесителя и керамические насадки с двойной резьбой в Государственной ключевой лаборатории Порошковая металлургия Центрального Южного технологического университета Китая. Циркониевый датчик был успешно разработан Школой материаловедения и технологий Хуачжунского научно-технологического университета с использованием CIM-технология.
Основная технологическая схема литья керамики под давлением
Порошок, связующее, диспергатор, смазка -- смешивание -- дегазация грануляция -- впрыскивание -- обезжиривание -- Спекание -- Тестирование продукции
Технология литья керамики под давлением для керамического порошка
- Порошок должен быть специально подготовлен для обеспечения высокой предельной плотности заполнения и низкой стоимости.
- Порошок не агломерируется.
- Форма порошка преимущественно сферическая.
- Трение между порошком и заготовкой достаточно, чтобы избежать деформации или разрушения заготовки после удаления связующего. В большинстве случаев угол естественного откоса должен быть более 55°;
- Для облегчения быстрого спекания он должен иметь небольшой средний размер частиц, обычно менее 1 мкм;
- Сам порошок плотный, без внутренних пор;
- Поверхность порошка чистая и не вступает в химическую реакцию со связующим веществом.
Система связующего для литья под давлением
Связующие вещества при литье под давлением выполняют две основные функции.
Во-первых, порошок можно равномерно перемешать на этапе литья под давлением, а после нагревания он может иметь хорошую текучесть;
Во-вторых, связующее позволяет сохранять форму корпуса после литья под давлением и в процессе обезжиривания.
Можно сказать, что связующее вещество является основой и ключевым элементом технологии литья под давлением порошков, и каждое усовершенствование и прорыв в этой области сопровождаются рождением новой системы связывания. В CIM, поскольку размер частиц порошка меньше, чем при литье металлического порошка под давлением, текучесть самого порошка низкая, а зазор между порошком и связующим после смешивания очень мал, что затрудняет обезжиривание, что предъявляет более высокие требования к связующему веществу. Поэтому связующее вещество для литья керамики под давлением должно соответствовать следующим условиям:
1. Хорошая подвижность. Вязкость литья под давлением должна быть умеренной. Слишком высокая вязкость не позволяет эффективно диспергировать порошок в связующем, что затрудняет не только смешивание, но и получение однородно перемешанной заготовки, что легко приводит к дефектам формования. Слишком низкая вязкость приведет к расслоению керамического порошка и связующего. Кроме того, вязкость не должна сильно колебаться в зависимости от температуры, в противном случае возникнут дефекты.
2. Связующее должно хорошо смачивать порошок и обеспечивать хорошую адгезию к нему. Обычно для улучшения смачивающих свойств связующего добавляют поверхностно-активные вещества, снижающие вязкость смеси и повышающие её текучесть. Связующее также смачивает частицы, создавая капиллярные силы, которые адсорбируют частицы и предотвращают деформацию тела. Для обеспечения стабильности заготовки порошок должен быть инертным по отношению к связующему.
3. Связующее состоит из многокомпонентных органических веществ. Одному органическому связующему сложно обеспечить требуемую текучесть, и после обезжиривания одного из компонентов образуется открытая пористость, способствующая вытеснению оставшегося связующего. Практика показывает, что скорость обезжиривания многокомпонентного связующего значительно выше, чем однокомпонентного, а дефектов значительно меньше. Конечно, органические полимеры совместимы с многокомпонентными связующими.
4. Связующее обладает высокой теплопроводностью и низким коэффициентом теплового расширения. Это не только предотвращает дефекты, вызванные термическим напряжением, но и снижает тепловой удар по корпусу и уменьшает количество дефектов.
5. Кроме того, связующее вещество должно быть нетоксичным, не загрязняющим окружающую среду, нелетучим, не впитывающим влагу, а его эксплуатационные характеристики при циклическом нагреве не должны изменяться.
Сравнение преимуществ и недостатков различных связующих систем
| система | Основной компонент | Преимущество | Недостаток |
| Термопластичная система | Парафин, полиэтилен, полипропилен | Хорошая наносимость, хорошая текучесть, легкость формования, высокая загрузка порошка, легкость управления процессом впрыска | Время обезжиривания длительное, а процесс сложный. |
| Термореактивная система | Эпоксидная смола, фенольная смола | Инжекционная заготовка имеет высокую прочность и быструю скорость обезжиривания. | Процесс впрыскивания трудно контролировать, плохо поддается обработке и имеет много дефектов. |
| гелевая система | Метилцеллюлоза, глицерин, борная кислота | Меньше органических веществ, высокая скорость обезжиривания | Прочность сырого тела низкая, и его трудно обезжиривать. |
| Водорастворимая система | Эфир целлюлозы, АГАР | Высокая скорость обезжиривания | Загрузка пороха небольшая |
В состав CIM входят несколько распространенных связующих
В последние годы наиболее распространенными связующими, используемыми в литье под давлением различных керамических порошков в мире, являются связующие, используемые в литье под давлением керамических порошков. Как видно из таблицы, связующие, используемые в литье под давлением керамических порошков, в основном относятся к термопластичным многокомпонентным системам.
| Порошковый состав | Состав связующего | система |
| Si3N4 | ПВ+ЭВА+ПП+ПЭ+СА ПВ+ПП+СА | термопластик |
| ZrO2 | ПВ+ЕВА+СА | термопластик |
| Al2O3 | ПВ+ПП+СА | термопластик |
| SiC/Si3N4 | ПВ+СА | термопластик |
Приготовление смеси CIM
Смесь представляет собой смесь порошка и связующего. Приготовление смеси порошка и полимерного связующего является одним из важнейших этапов всего процесса литья под давлением. Этот процесс требует от смеси хорошей однородности, хороших реологических свойств и обезжиривающих свойств.
При выборе технологии смешивания решающее значение имеет согласование скорости, температуры и времени. Однако, если скорость и температура смешивания слишком низкие, то, сколько бы времени ни длилось смешивание, оно не может быть равномерным.
Реологическая проблема PIM заключается главным образом в оценке и характеристике вязкости смеси.
Литье под давлением
Целью литья под давлением является получение бездефектного формовочного тела из КИМ с равномерным расположением частиц в желаемой форме. Подготовленную смесь обычно можно впрыскивать в обычную машину для литья пластмасс под давлением или в специальную машину для литья порошков. Параметры процесса литья обычно включают температуру впрыска, давление впрыска, скорость впрыска, время выдержки под давлением, время охлаждения под давлением и температуру формы. Недостаточный контроль параметров процесса может привести к возникновению различных дефектов. Дефекты впрыска невозможно устранить в ходе последующего процесса, поэтому этот процесс должен строго контролироваться, что критически важно для повышения выхода готовой продукции и эффективности использования материала.
Детали из диоксида циркония для литья под давлением
Контроль дефектов в процессе литья керамики под давлением
Контроль дефектов в процессе литья под давлением можно рассматривать с двух сторон: с одной стороны, устанавливается соотношение между температурой, давлением и временем формования; с другой стороны, – поток смеси в полости формы при заполнении. Поскольку большинство изделий из CIM представляют собой мелкие детали сложной формы и предъявляют высокие требования к точности, поток смеси в полости формы связан с вопросами проектирования формы, включая расположение загрузочного отверстия, длину канала подачи, расположение вентиляционного отверстия и т. д., что требует чёткого понимания параметров текучести смеси, температуры в полости формы и распределения остаточных напряжений.
Керамическое спекание
The процесс спекания в основном используется для управления ростом размера зерна керамики, получения требуемых фазовых материалов, обеспечения высокой плотности спекания и плотного керамического спеченного тела.
Процесс спекания имеет два важных параметра: температуру спекания и время спекания.
Новый процесс литья керамики под давлением
Совместное литье под давлением порошков (PCM) — это новая разработка в области литья под давлением порошков. В этой технологии используется двухкамерная литьевая машина для последовательного впрыска двух различных смесей порошка и связующего в полость формы. Это позволяет проводить обработку поверхности во время литья под давлением, а не после изготовления готового изделия. Подготовку и обработку поверхности изделия можно выполнить в рамках одного процесса, что само по себе весьма привлекательно с технической и экономической точки зрения.
Технология литья под низким давлением. С точки зрения самого процесса литья под низким давлением процесс литья под низким давлением лучше, чем литье под высоким давлением. Подача материала с вязкостью от 1,5 до 4,0 Па·с может осуществляться сжатым воздухом под давлением 0,8 МПа, что позволяет устранить гидравлическую систему, поршень и шатунную систему в традиционном оборудовании. Преимущества области впрыска низкого давления заключаются в низком градиенте давления в зоне впрыска, малом износе пресс-формы, отсутствии прилипания пресс-формы и предотвращении загрязнения, вызванного износом поршня и неразделением порошка и связующего. Кроме того, оборудование отличается низким энергопотреблением, компактными размерами, простотой конструкции и низкой стоимостью.