Методы формования керамики — это способы формования керамики , которые используются для изготовления всего: от столовых приборов, таких как чайники, до инженерной керамики, такой как детали компьютеров. Методы гончарного дела включают гончарный круг , шликерное литье и многие другие.
Методы формирования порошков керамического сырья в сложные формы желательны во многих областях техники. Например, такие методы требуются для производства сложных, высокотемпературных конструкционных деталей, таких как компоненты тепловых двигателей, рекуператоры и т. п. из порошков керамического сырья. Типичные детали, производимые с помощью этой производственной операции, включают рабочие колеса из нержавеющей стали, бронзы, сложные режущие инструменты, оснастку для пластиковых форм и другие. Типичные используемые материалы: дерево, металл, вода, гипс, эпоксидная смола и STL, кремний и цирконий.
Эта производственная операция хорошо известна тем, что обеспечивает инструментам размерную стабильность, качество поверхности, плотность и однородность. Например, при литье шликером литая деталь имеет высокую концентрацию сырья с небольшим количеством добавки, что улучшает однородность. Но также гипсовая форма втягивает воду из отлитого шликера для уплотнения и формирования отливки на поверхности формы. Это формирует плотный отлив.
Существует множество методов формования керамики, но одним из примеров является шликерное литье . Это когда шликер или жидкая глина заливается в гипсовую форму. Вода в шликере вытягивается в стенки гипсовой формы, оставляя внутренний слой твердой глины, которая быстро затвердевает. После высыхания твердую глину также можно удалить. Шликер, используемый при шликерном литье, часто разжижают с помощью вещества, которое снижает потребность в дополнительной воде для смягчения шликера (если только не требуется образование трещин ); это предотвращает чрезмерную усадку, которая происходит, когда высыхает изделие, содержащее много воды; другой подход заключается в медленной сушке изделий. [1]
Методы шликерного литья обеспечивают превосходное качество поверхности, плотность и однородность при литье высокочистого керамического сырья по сравнению с другими методами литья керамики, такими как гидравлическое литье, поскольку отлитая часть представляет собой более высокую концентрацию керамического сырья с небольшим количеством добавок. Шликер представляет собой суспензию тонкого порошка сырья в жидкости, такой как вода или спирт, с небольшим количеством вторичных материалов, таких как диспергаторы, поверхностно-активные вещества и связующие вещества. Методы литья керамики шликерным способом используют гипсовый блок или опоку. Гипсовая форма втягивает воду из отлитого шликера для уплотнения и формирования отливки на поверхности формы. Это формирует плотную отливку, удаляя вредные воздушные зазоры и минимизируя усадку в процессе окончательного спекания.
См. также Селективное лазерное спекание .
Для производства сложных форм в небольших количествах аддитивное производство (AM) представляет собой эффективный подход и является предметом значительных исследований и разработок. В отличие от аддитивного производства полимерных материалов, сфера применения AM керамики остается довольно ограниченной из-за проблем обработки материалов. Коммерчески доступное оборудование для AM керамики в основном полагается на послойное спекание порошков и редко бывает экономически эффективным. Однако трудности в обработке керамических изделий означают, что методы AM могут быть привлекательными в ситуациях, когда объемы производства слишком малы, чтобы жизнеспособно производить формы для методов шликерного литья. В частности, аддитивное производство керамики из прекерамических полимеров с использованием методов, включая стереолитографию , с последующим пиролизом для получения полимерной керамики , представляет собой новый подход к решению проблемы аддитивно изготовленной керамики. [2]
Методы литья керамических оболочек с использованием кремния, циркония и других огнеупорных материалов в настоящее время используются в металлургической промышленности для «сетчатого литья», образуя точные оболочечные формы для литья расплавленного металла. Метод включает последовательное мокрое погружение и сухое порошковое покрытие или штукатурку для наращивания слоя оболочки формы. Метод литья оболочек в целом известен своей размерной стабильностью и используется во многих процессах сетчатого литья для аэрокосмической и других отраслей промышленности при литье расплавленного металла. Автоматизированные установки используют несколько восковых моделей на деревьях, большие шламовые смесители и псевдоожиженные порошковые слои для автоматизированного погружения.
При формировании технических керамических материалов из сухих порошков , подготовленных для обработки, способ формирования в требуемую форму зависит от способа подготовки материала, а также размера и формы формуемой детали. Материалы, подготовленные для сухого порошкового формования, чаще всего формуются «сухим» прессованием в механических или гидравлических прессах для прессования порошка, выбранных для необходимого усилия и глубины заполнения порошком. Сухой порошок автоматически выгружается в негибкую стальную или карбидную вставку в матрице, а пуансоны затем прессуют порошок в форме матрицы. Если деталь должна быть большой и не иметь возможности передачи давления, подходящей для равномерной прессованной плотности, то можно использовать изостатическое прессование. При изостатическом прессовании порошок принимает форму гибкой мембраны, действующей как форма, формируя форму и размер прессованного порошка. Изостатические прессы могут быть как высокоскоростными, высокопроизводительными автоматическими прессами для таких деталей, как керамические изоляторы для свечей зажигания или пескоструйных сопел, так и более медленными прессами «мокрого мешка», которые в большей степени требуют ручного управления, но особенно подходят для больших обрабатываемых заготовок или заготовок, которые будут разрезаны или иным образом сформированы на вторичных операциях до конечной формы.
Если требуются технические керамические детали, где отношение длины к диаметру очень велико, можно использовать экструзию. Существует два типа керамических экструдеров: один из них поршневого типа с гидравлическим усилием, толкающим плунжер, который, в свою очередь, проталкивает керамику через загруженный материал цилиндра к матрице и через нее, которая формирует экструдат. Второй тип экструдера — шнекового или аужерного типа, где винт поворачивается, проталкивая материал к матрице и через нее, которая снова формирует деталь. В обоих типах экструзии сырье должно быть пластифицировано, чтобы обеспечить и вызвать поток материала в процессе.
Сложные технические керамические детали обычно формируются с использованием процесса литья под давлением или «формовки горячим воском». Оба метода основаны на термочувствительных пластификаторах, которые позволяют материалу течь в пресс-форму. Затем деталь быстро охлаждается для извлечения из пресс-формы. Литье керамики под давлением во многом похоже на литье пластмасс под давлением с использованием различных полимеров для пластификации. Формовка горячим воском в основном использует парафин .
Существует также несколько традиционных методов ручного строительства, таких как щипковый метод , метод мягкой плиты, метод жесткой плиты и строительство с помощью катушек .
Другие методы включают продевание волокон шерсти животных или искусственных волокон через шликер бумажной глины для создания слоев материала. Результат можно обернуть вокруг форм или вырезать, высушить и затем соединить с помощью жидкой и мягкой бумажной глины.
При формировании очень тонких листов керамического материала обычно используется «литье ленты». Это включает заливку шликера (содержащего полимерное «связующее» для придания ему прочности) на движущуюся транспортную ленту, а затем пропускание его под неподвижным « ракельным лезвием » для регулировки толщины. Затем движущаяся шликера высушивается на воздухе, и таким образом сформированная «лента» снимается с транспортной ленты, разрезается на прямоугольные формы и обрабатывается дальше. Можно уложить до 100 слоев ленты, чередующихся со слоями проводящего металлического порошка. Затем их спекают («обжигают») для удаления полимера и, таким образом, получают «многослойные» конденсаторы, датчики и т. д. По данным Д. У. Ричерсона из Американского керамического общества , ежедневно производится более миллиарда таких конденсаторов. (Около 100 из них находятся в типичном сотовом телефоне и около тысячи в типичном автомобиле.)
Литье геля — еще один метод создания технической керамики.