Nove processos de moldagem de precisão de cerâmica de zircônia

Nove processos de moldagem de precisão de cerâmica de zircônia
O processo de moldagem desempenha um papel de ligação em todo o processo de preparação de materiais cerâmicos e é a chave para garantir a confiabilidade do desempenho e a repetibilidade da produção de materiais e componentes cerâmicos.
Com o desenvolvimento da sociedade, os métodos tradicionais de amassamento manual, moldagem em roda, rejuntamento, etc., da cerâmica tradicional não atendem mais às necessidades de produção e refinamento da sociedade moderna, e assim nasceu um novo processo de moldagem. Os materiais cerâmicos finos de ZrO2 são amplamente utilizados nos seguintes 9 tipos de processos de moldagem (2 tipos de métodos a seco e 7 tipos de métodos a úmido):

1. Moldagem a seco

1.1 Prensagem a seco

A prensagem a seco utiliza pressão para prensar o pó cerâmico em um determinado formato do corpo. Sua essência é que, sob a ação de uma força externa, as partículas de pó se aproximam umas das outras no molde e se unem firmemente por atrito interno para manter um determinado formato. O principal defeito nos corpos verdes prensados a seco é a fragmentação, que se deve ao atrito interno entre os pós e ao atrito entre os pós e a parede do molde, resultando em perda de pressão dentro do corpo.

As vantagens da prensagem a seco são a precisão do tamanho do corpo verde, a simplicidade da operação e a conveniência de realizar a operação mecanizada; o teor de umidade e aglutinante na prensagem a seco verde é menor, e a contração durante a secagem e queima é pequena. É usada principalmente para moldar produtos com formas simples e a relação de aspecto é pequena. A desvantagem da prensagem a seco é o aumento do custo de produção causado pelo desgaste do molde.

1.2 Pressão isostática

A prensagem isostática é um método especial de conformação desenvolvido com base na prensagem a seco tradicional. Ele utiliza a pressão de transmissão de fluido para aplicar pressão uniformemente ao pó dentro do molde elástico em todas as direções. Devido à consistência da pressão interna do fluido, o pó suporta a mesma pressão em todas as direções, evitando assim a diferença na densidade do corpo verde.

A prensagem isostática é dividida em prensagem isostática de saco úmido e prensagem isostática de saco seco. A prensagem isostática de saco úmido pode formar produtos com formas complexas, mas só pode operar de forma intermitente. A prensagem isostática de saco seco pode realizar operação contínua automática, mas só pode formar produtos com formas simples, como seções transversais quadradas, redondas e tubulares. A prensagem isostática pode obter um corpo verde uniforme e denso, com pequena retração de queima e retração uniforme em todas as direções, mas o equipamento é complexo e caro, e a eficiência de produção não é alta, sendo adequada apenas para a produção de materiais com requisitos especiais.

2. Conformação úmida

2.1 Rejuntamento
O processo de moldagem por injeção de argamassa é semelhante à moldagem por fita, com a diferença de que o processo de moldagem inclui os processos de desidratação física e coagulação química. A desidratação física remove a água da pasta por meio da capilaridade do molde de gesso poroso. O Ca₂ gerado pela dissolução do CaSO₂ superficial aumenta a força iônica da pasta, resultando em sua floculação.
Sob a ação da desidratação física e da coagulação química, as partículas de pó cerâmico são depositadas na parede do molde de gesso. A argamassa é adequada para a preparação de peças cerâmicas de grande porte com formas complexas, mas a qualidade do corpo verde, incluindo forma, densidade, resistência, etc., é ruim, a intensidade de trabalho dos trabalhadores é alta e não é adequada para operações automatizadas.

2.2 Fundição sob pressão a quente
A fundição sob pressão a quente consiste na mistura de pó cerâmico com um ligante (parafina) a uma temperatura relativamente alta (60 a 100°C) para obter uma pasta para fundição sob pressão a quente. A pasta é injetada no molde metálico sob a ação de ar comprimido, mantendo-se a pressão. Após o resfriamento, a desmoldagem é realizada para obter uma peça em bruto de cera. A peça em bruto de cera é desparafinada sob a proteção de um pó inerte para obter um corpo verde, que é sinterizado em alta temperatura para se tornar porcelana.

O corpo verde formado por fundição sob pressão a quente possui dimensões precisas, estrutura interna uniforme, menor desgaste do molde e alta eficiência de produção, sendo adequado para diversas matérias-primas. A temperatura da pasta de cera e do molde precisa ser rigorosamente controlada, caso contrário, causará subinjeção ou deformação, não sendo adequado para a fabricação de peças grandes. O processo de queima em duas etapas é complexo e o consumo de energia é alto.

2.3 Fundição de fita
A fundição em fita consiste em misturar completamente o pó cerâmico com uma grande quantidade de ligantes orgânicos, plastificantes, dispersantes, etc., para obter uma pasta fluida e viscosa. A pasta é adicionada ao funil da máquina de fundição e a espessura é controlada com um raspador. O material flui para a correia transportadora através do bico de alimentação, e o filme em bruto é obtido após a secagem.

Este processo é adequado para a preparação de materiais de filme. Para obter maior flexibilidade, uma grande quantidade de matéria orgânica é adicionada e os parâmetros do processo devem ser rigorosamente controlados, caso contrário, defeitos como descascamento, estrias, baixa resistência do filme ou descascamento difícil podem ocorrer facilmente. A matéria orgânica utilizada é tóxica e causará poluição ambiental, e um sistema atóxico ou menos tóxico deve ser utilizado o máximo possível para reduzir a poluição ambiental.

2.4 Moldagem por injeção de gel
A tecnologia de moldagem por injeção de gel é um novo processo de prototipagem rápida coloidal, inventado por pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge no início da década de 1990. Sua essência é o uso de soluções de monômeros orgânicos que se polimerizam em géis de polímero-solvente de alta resistência, ligados lateralmente.

Uma pasta de pó cerâmico dissolvido em uma solução de monômeros orgânicos é moldada, e a mistura de monômeros se polimeriza para formar uma peça gelificada. Como o polímero-solvente ligado lateralmente contém apenas 10% a 20% (fração mássica) de polímero, é fácil remover o solvente da peça gelificada por meio de uma etapa de secagem. Ao mesmo tempo, devido à ligação lateral dos polímeros, estes não conseguem migrar com o solvente durante o processo de secagem.

Este método pode ser usado para fabricar peças cerâmicas monofásicas e compostas, que podem formar peças cerâmicas de formato complexo e tamanho quase líquido, e sua resistência em verde é tão alta quanto 20-30 Mpa ou mais, podendo ser reprocessada. O principal problema deste método é que a taxa de contração do corpo embrionário é relativamente alta durante o processo de densificação, o que facilmente leva à deformação do corpo embrionário; alguns monômeros orgânicos têm inibição de oxigênio, o que faz com que a superfície descasque e caia; devido ao processo de polimerização do monômero orgânico induzido pela temperatura, o barbear térmico leva à existência de tensão interna, o que causa a quebra dos blanks, e assim por diante.

2.5 Moldagem por injeção de solidificação direta
A moldagem por injeção de solidificação direta é uma tecnologia de moldagem desenvolvida pela ETH Zurich: solvente, água, pó cerâmico e aditivos orgânicos são totalmente misturados para formar uma pasta eletrostaticamente estável, de baixa viscosidade e alto teor de sólidos, que pode ser alterada pela adição de pH da pasta ou produtos químicos que aumentam a concentração de eletrólitos. Em seguida, a pasta é injetada em um molde não poroso.

Controlar o progresso das reações químicas durante o processo. A reação antes da moldagem por injeção é realizada lentamente, a viscosidade da pasta é mantida baixa e a reação é acelerada após a moldagem por injeção, a pasta solidifica e a pasta fluida é transformada em um corpo sólido. O corpo verde obtido apresenta boas propriedades mecânicas e a resistência pode atingir 5 kPa. O corpo verde é desmoldado, seco e sinterizado para formar uma peça cerâmica no formato desejado.

Suas vantagens são a ausência ou a necessidade de uma pequena quantidade de aditivos orgânicos (menos de 1%), a ausência de desengorduramento do corpo verde, a densidade do corpo verde é uniforme, a alta densidade relativa (55% a 70%) e a possibilidade de formar peças cerâmicas de grande porte e com formatos complexos. A desvantagem é o alto custo dos aditivos e a liberação de gás durante a reação.

2.6 Moldagem por injeção
A moldagem por injeção é utilizada há muito tempo na moldagem de produtos plásticos e de moldes metálicos. Este processo utiliza a cura de materiais orgânicos termoplásticos em baixa temperatura ou a cura de materiais orgânicos termofixos em alta temperatura. O pó e o substrato orgânico são misturados em um equipamento especial de mistura e, em seguida, injetados no molde sob alta pressão (dezenas a centenas de MPa). Devido à alta pressão de moldagem, os blanks obtidos apresentam dimensões precisas, alta lisura e estrutura compacta; o uso de equipamentos especiais de moldagem melhora significativamente a eficiência da produção.

No final da década de 1970 e início da década de 1980, o processo de moldagem por injeção foi aplicado à moldagem de peças cerâmicas. Esse processo realiza a moldagem plástica de materiais estéreis por meio da adição de grandes quantidades de matéria orgânica, um processo comum de moldagem de plástico cerâmico. Na tecnologia de moldagem por injeção, além do uso de orgânicos termoplásticos (como polietileno, poliestireno), orgânicos termoendurecíveis (como resina epóxi, resina fenólica) ou polímeros solúveis em água como aglutinantes principais, é necessário adicionar certas quantidades de auxiliares de processo, como plastificantes, lubrificantes e agentes de acoplamento, para melhorar a fluidez da suspensão cerâmica injetada e garantir a qualidade do corpo moldado por injeção.

O processo de moldagem por injeção apresenta as vantagens de um alto grau de automação e do tamanho preciso da peça moldada. No entanto, o teor de matéria orgânica no corpo verde das peças cerâmicas moldadas por injeção chega a 50% em volume. A eliminação dessas substâncias orgânicas no processo de sinterização subsequente leva muito tempo, podendo levar de vários dias a dezenas de dias, e é fácil causar defeitos de qualidade.

2.7 Moldagem por injeção coloidal
Para resolver os problemas da grande quantidade de matéria orgânica adicionada e a dificuldade de eliminar as dificuldades no processo tradicional de moldagem por injeção, a Universidade Tsinghua propôs criativamente um novo processo para moldagem por injeção coloidal de cerâmica e desenvolveu de forma independente um protótipo de moldagem por injeção coloidal para realizar a injeção de pasta cerâmica estéril.

A ideia básica é combinar a moldagem coloidal com a moldagem por injeção, utilizando equipamentos de injeção patenteados e uma nova tecnologia de cura proporcionada pelo processo de moldagem por solidificação coloidal in situ. Este novo processo utiliza menos de 4% em peso de matéria orgânica. Uma pequena quantidade de monômeros orgânicos ou compostos orgânicos na suspensão aquosa é utilizada para induzir rapidamente a polimerização dos monômeros orgânicos após a injeção no molde, formando uma estrutura orgânica reticulada que envolve uniformemente o pó cerâmico. Entre elas, não apenas o tempo de degomagem é bastante reduzido, como também a possibilidade de rachaduras durante a degomagem é bastante reduzida.

Há uma enorme diferença entre a moldagem por injeção de cerâmica e a moldagem coloidal. A principal diferença é que a primeira pertence à categoria de moldagem de plástico, enquanto a segunda pertence à moldagem por pasta, ou seja, a pasta não possui plasticidade e é um material estéril. Como a pasta não possui plasticidade na moldagem coloidal, o conceito tradicional de moldagem por injeção de cerâmica não pode ser adotado. Se a moldagem coloidal for combinada com a moldagem por injeção, a moldagem por injeção coloidal de materiais cerâmicos é realizada utilizando equipamentos de injeção patenteados e a nova tecnologia de cura fornecida pelo processo de moldagem coloidal in situ.

O novo processo de moldagem coloidal por injeção de cerâmicas é diferente da moldagem coloidal geral e da moldagem por injeção tradicional. A vantagem de um alto grau de automação da moldagem é a sublimação qualitativa do processo de moldagem coloidal, que se tornará a esperança para a industrialização da cerâmica de alta tecnologia.