ジルコニアセラミックスの9つの精密成型工程

ジルコニアセラミックスの9つの精密成型工程
成形プロセスは、セラミック材料の準備プロセス全体において連結的な役割を果たし、セラミック材料およびコンポーネントの性能信頼性と製造の再現性を確保するための鍵となります。
社会の発展に伴い、伝統的な陶磁器の手練り法、ろくろ成形法、グラウト法などでは現代社会の生産・精製のニーズに応えられなくなり、新たな成形法が生まれました。ZrO2ファインセラミックス材料は、以下の9種類の成形プロセス（乾式法2種類、湿式法7種類）で広く使用されています。

1. 乾式成形

1.1 乾式プレス

ドライプレスでは、圧力をかけてセラミックパウダーを本体の特定の形状にプレスします。その本質は、外力の作用下で粉末粒子が金型内で互いに接近し、内部摩擦によって強固に結合して一定の形状を維持することです。乾式プレスされたグリーンボディの主な欠陥は剥離です。これは、粉末間の内部摩擦、および粉末と金型壁の間の摩擦によって発生し、ボディ内部で圧力損失が発生します。

乾式プレスの利点は、成形体のサイズが正確であり、操作が簡単であり、機械化操作を実現するのに便利であることです。生乾式プレス中の水分や結合剤の含有量が少なく、乾燥・焼成収縮が小さい。主に単純な形状の製品の成形に使用され、アスペクト比が小さくなります。乾式プレスの欠点は、金型の磨耗による生産コストの増加です。

1.2 静水圧プレス

静水圧プレスは、伝統的な乾式プレスに基づいて開発された特殊な成形方法です。流体の伝達圧力を利用し、弾性金型内の粉末に全方向から均一に圧力を加えます。流体の内圧が一定であるため、粉末は全方向に同じ圧力を受けるため、成形体の密度の差を避けることができます。

静水圧プレスは、湿式バッグ静水圧プレスと乾式バッグ静水圧プレスに分けられます。湿式バッグ静水圧プレスでは、複雑な形状の製品を成形できますが、断続的にしか機能しません。ドライバッグ静水圧プレスは自動連続運転が可能ですが、成形できる製品の断面形状は角、丸、筒など単純な形状に限られます。静水圧プレスは、焼成収縮が小さく、全方向に均一な収縮を有する均一で緻密な成形体を得ることができるが、設備が複雑で高価であり、生産効率も高くなく、特殊な材料の製造にのみ適している。要件。

2.湿式成形

2.1 グラウト注入
グラウト成形プロセスはテープキャスティングに似ていますが、異なる点は、成形プロセスに物理的脱水プロセスと化学的凝固プロセスが含まれることです。物理的脱水では、多孔質石膏型の毛細管現象を通じてスラリー中の水分が除去されます。表面の CaSO4 の溶解によって生成された Ca2+ はスラリーのイオン強度を増加させ、その結果スラリーの凝集が生じます。
物理的脱水と化学的凝固の作用により、セラミック粉末粒子が石膏型壁に堆積します。グラウト工法は複雑な形状の大型セラミック部品の作製に適していますが、成形体の形状、密度、強度などの品質が悪く、作業者の労働強度が高く、適していません。自動化された操作のために。

2.2 ホットダイカスト
ホットダイカスト法は、セラミック粉末とバインダー（パラフィン）を比較的高温（60～100℃）で混合し、ホットダイカスト用スラリーを製造します。圧縮空気の作用下でスラリーを金型に注入し、圧力を維持します。冷却し、型から取り出してワックスブランクを得る。このワックスブランクを不活性粉末の保護下で脱蝋して未焼成体を取得し、未焼成体を高温で焼結して磁器にする。

熱間ダイカストによって形成されたグリーンボディは、正確な寸法、均一な内部構造、金型の摩耗が少なく、生産効率が高く、さまざまな原材料に適しています。ワックススラリーと金型の温度を厳密に管理する必要があり、射出不足や変形が発生するため大型部品の製造には不向きであり、2段階の焼成工程が複雑でエネルギー消費が大きい。

2.3 テープキャスティング
テープキャスティングとは、セラミック粉末と多量の有機結合剤、可塑剤、分散剤などを十分に混合して流動性のある粘稠なスラリーを作製し、このスラリーをキャスティングマシンのホッパーに添加し、スクレーパーを使用して厚さを制御する方法です。供給ノズルを通ってコンベアベルトに流出し、乾燥後にフィルムブランクが得られます。

このプロセスはフィルム材料の調製に適しています。より優れた柔軟性を得るために多量の有機物を添加し、プロセスパラメータを厳密に制御する必要があり、そうしないと、剥離、スジ、膜強度の低下、剥離困難などの欠陥が発生しやすくなります。使用される有機物は有毒で環境汚染の原因となるため、環境汚染を軽減するためには可能な限り無毒または低毒性のシステムを使用する必要があります。

2.4 ゲル射出成形
ゲル射出成形技術は、1990 年代初頭にオークリッジ国立研究所の研究者によって初めて発明された新しいコロイドラピッドプロトタイピングプロセスです。その核心となるのは、重合して高強度の横方向に結合したポリマーと溶媒のゲルを形成する有機モノマー溶液の使用です。

有機モノマーの溶液に溶解したセラミック粉末のスラリーを型に流し込み、モノマー混合物が重合してゲル化部分を形成します。横方向に結合したポリマー-溶媒には 10% ～ 20% (質量分率) のポリマーしか含まれていないため、乾燥ステップによってゲル部分から溶媒を除去するのは簡単です。同時に、ポリマーが横方向に結合しているため、ポリマーは乾燥プロセス中に溶媒と一緒に移動できません。

この方法は、単相および複合セラミック部品の製造に使用でき、複雑な形状の準ネットサイズのセラミック部品を形成でき、グリーン強度は 20 ～ 30Mpa 以上と高く、再処理が可能です。この方法の主な問題は、高密度化プロセス中の胚体の収縮率が比較的高く、胚体の変形を容易に引き起こすことです。一部の有機モノマーには酸素阻害があり、表面が剥離したり脱落したりすることがあります。温度による有機モノマーの重合プロセスにより、温度シェービングが内部応力の存在につながり、ブランクスの破損などを引き起こします。

2.5 直接凝固射出成形
直接凝固射出成形はチューリッヒ工科大学によって開発された成形技術です。溶剤水、セラミック粉末、有機添加剤を完全に混合して、静電気的に安定した低粘度の固形分含有量の高いスラリーを形成します。スラリーの pH や化学薬品を追加することで、このスラリーを変更できます。電解質濃度を高めた後、スラリーを非多孔質の型に注入します。

プロセス中の化学反応の進行を制御します。射出成形前の反応はゆっくりと行われ、スラリーの粘度は低く保たれ、射出成形後は反応が促進され、スラリーが固化し、流動性のあるスラリーが固体に変化する。得られた素地は良好な機械的特性を有し、強度は 5kPa に達します。素地は型から取り出され、乾燥され、焼結されて、所望の形状のセラミック部品が形成される。

その利点は、有機添加剤を必要としない、または必要な量が少量 (1% 未満) であること、成形体を脱脂する必要がないこと、成形体密度が均一であること、相対密度が高い (55%~) ことです。 70％）を実現し、大型かつ複雑な形状のセラミック部品の成形が可能です。欠点は、添加剤が高価であり、一般に反応中にガスが発生することです。

2.6 射出成形
射出成形は古くからプラスチック製品の成形や金型の成形に用いられてきました。このプロセスでは、熱可塑性有機物の低温硬化または熱硬化性有機物の高温硬化が使用されます。粉末と有機キャリアを専用の混合装置で混合し、高圧（数十～数百MPa）で金型に注入します。大きな成形圧力により、得られたブランクは正確な寸法、高い平滑性、コンパクトな構造を持ちます。特殊な成形機を使用することで生産効率が大幅に向上します。

1970 年代後半から 1980 年代前半にかけて、射出成形プロセスがセラミック部品の成形に適用されました。一般的なセラミックスのプラスチック成形法である、有機物を多量に添加することにより不毛な材料のプラスチック成形を実現した方法です。射出成形技術では、熱可塑性有機物（ポリエチレン、ポリスチレンなど）、熱硬化性有機物（エポキシ樹脂、フェノール樹脂など）、または水溶性ポリマーを主バインダーとして使用することに加えて、一定量のプロセスを追加する必要があります。セラミック射出サスペンションの流動性を改善し、射出成形体の品質を確保するための可塑剤、潤滑剤、カップリング剤などの補助剤。

射出成形プロセスには、高度な自動化と成形ブランクの正確なサイズという利点があります。しかし、射出成形されたセラミック部品の素地中の有機含有量は 50vol% にもなります。これらの有機物は、その後の焼結工程で除去されるまでに数日から数十日と長い時間がかかり、品質不良が発生しやすくなります。

2.7 コロイド射出成形
清華大学は、従来の射出成形プロセスにおける多量の有機物の添加と困難の解消の難しさの問題を解決するために、セラミックスのコロイド射出成形の新しいプロセスを創造的に提案し、コロイド射出成形のプロトタイプを独自に開発しました。不毛なセラミックスラリーの注入を実現します。形にする。

基本的なアイデアは、独自の射出装置とコロイドその場固化成形プロセスによって提供される新しい硬化技術を使用して、コロイド成形と射出成形を組み合わせることです。この新しいプロセスでは、有機物の使用量が 4wt.% 未満です。水ベースの懸濁液中の少量の有機モノマーまたは有機化合物を使用して、金型に注入した後、有機モノマーの重合を迅速に引き起こして、セラミック粉末を均一に包み込む有機ネットワーク骨格を形成します。中でも、脱ガム時間が大幅に短縮されるだけでなく、脱ガムクラックの可能性も大幅に低減されます。

セラミックスの射出成形とコロイド成形には大きな違いがあります。主な違いは、前者はプラスチック成形のカテゴリーに属し、後者はスラリー成形に属する、つまりスラリーは可塑性を持たず不毛な材料であることです。コロイド成形ではスラリーに可塑性がないため、従来のセラミック射出成形の考え方が採用できません。コロイド成形と射出成形を組み合わせると、独自の射出装置とコロイド現場成形プロセスによる新しい硬化技術を使用して、セラミック材料のコロイド射出成形が実現します。

セラミックスのコロイド射出成形の新しいプロセスは、一般的なコロイド成形や従来の射出成形とは異なります。高度な成形自動化の利点は、コロイド成形プロセスの質的昇華であり、これはハイテクセラミックスの工業化の希望となるでしょう。