Керамические материалы обладают высокой твердостью, высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, превосходной термостойкостью и хорошей биосовместимостью. Однако из-за их низкой прочности и хрупкости их трудно формовать традиционными методами, а последующая обработка также является сложной. Литье керамики под давлением — это новый метод, который позволяет напрямую получать керамические изделия с различными сложными формами и высокой точностью размеров.
Содержание:
Что такое литье керамики под давлением?
Литье керамики под давлением — это производственный процесс, в котором керамика создается с помощью техники литья под давлением. Он следует тому же принципу, что и пластик или литье металла под давлением путем впрыскивания тонкого керамического порошка и термопластичного связующего в форму для формирования определенных 3D-форм. Сформированные формы затем извлекаются из форм и проходят через процесс спекания при высокой температуре для достижения конечного результата.
CIM восходит к 1920-м годам, когда он впервые был использован для изготовления корпусов свечей зажигания. 60 лет спустя он использовался для формирования компонентов керамических тепловых двигателей в Японии и Европе. Теперь CIM является общепринятым методом производства компонентов, используемых в нескольких отраслях, включая медицинскую, электрическую и высокоточные полевые приложения. Из-за растущего спроса прогнозируется рост рынка CIM с 349.84 млн долларов США в 2012 году до 603.17 млн долларов США в 2028 году, что соответствует среднегодовому темпу роста 8.3%.
Процесс литья керамики под давлением
Процесс CIM представляет собой комбинацию двух уже существующих и широко используемых технологий: порошковой металлургии и литья под давлением. Это сочетание порождает сложную керамику как конечный продукт CIM. Процесс завершается в четыре основных этапа:
Подготовка сырья
Исходный материал представляет собой однородную смесь керамического порошка и связующего. Идеальный исходный материал должен обладать хорошей однородностью и текучестью.
Литье под давлением
В процессе литья под давлением исходное сырье сначала нагревается и расплавляется в инжекционном узле формовочной машины. Затем шнек движется вперед, чтобы впрыснуть контролируемое количество расплавленного исходного сырья в форму. Поскольку форма холоднее исходного сырья, тепло передается в форму, заставляя материал постепенно затвердевать. Как только он достигает достаточной твердости, форма открывается, и керамическая литьевая деталь извлекается.
Снятие привязки
На следующем этапе связующее вещество удаляется, чтобы сформировать коричневую деталь, и это делается одним из следующих двух процессов:
Химическая обработка, которая растворяет воски или другие растворимые связующие вещества, известная как удаление связующих растворителей.
Термическая обработка, при которой в контролируемых условиях постепенно выжигаются оставшиеся связующие вещества, известная как термическое удаление связующих веществ.
4. Спекание
Наконец, коричневая часть пропускается через процесс спекания при определенной температуре и атмосферных условиях до достижения желаемой плотности. Затем спеченному продукту дают усадиться примерно до 15–20%, и устанавливаются его механические и термические свойства.
Керамические материалы для литья под давлением
Для успешного применения процесса CIM вам придется работать с комбинацией керамических порошков и связующих веществ.
Распространенные керамические порошки, используемые в CIM
Глинозем (Al₂O₃)
Оксид алюминия является широко используемым материалом для CIM, обладающим хорошей твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Цирконий (ZrO₂)
Он известен своими превосходными механическими свойствами, высокой прочностью, ударной вязкостью, а также устойчивостью к износу и коррозии.
Нитрид кремния (Si₃N₄)
Нитрид кремния выбран из-за его превосходной стойкости к термическим ударам и прочности при высоких температурах.
Карбид кремния
Карбид кремния (SiC) известен своей исключительной твердостью, теплопроводностью и стойкостью к химическим веществам.
Распространенные связующие вещества, используемые в CIM
Клеи можно в основном разделить на термопластичные системы, термореактивные системы, гелевые системы и водорастворимые системы в соответствии с компонентами и свойствами клея. Ниже приводится их подробное сравнение.
| Система переплета | Основные компоненты | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|
| Термопластичная система | Парафин, полиэтилен, полипропилен | Хорошая совместимость и текучесть, легко формуется, высокая загрузка порошка | Длительное время удаления связующего, сложный процесс |
| Термореактивная система | Эпоксидная смола, фенольная смола | Высокая прочность в сыром виде, быстрое удаление связующих веществ | Процесс впрыска трудно контролировать, плохая совместимость, много дефектов |
| Гелевая система | Метилцеллюлоза, вода, глицерин, лимонная кислота | Низкое содержание органических веществ, быстрое удаление связующих веществ | Низкая прочность в сыром виде, трудное удаление связующего |
| Водорастворимая система | Водорастворимая целлюлоза, желатин | Высокая скорость удаления связующего | Низкая загрузка порошка |
Преимущества литья керамики под давлением
- В отличие от традиционных методов, он очень полезен при создании сложных геометрических форм с сеткой или близкими к ней формами.
- Обеспечивает высокую точность благодаря жестким допускам.
- Имеет очень гладкую поверхность без дефектов.
- Позволяет перерабатывать излишки сырья, что делает этот процесс очень рентабельным, поскольку отходы материала сводятся к минимуму.
- Подходит для крупносерийного производства.
Проблемы и ограничения
- Высокая стоимость оборудования и инструментов, необходимых для процесса.
- Для успешного осуществления этого процесса необходимы высококвалифицированные операторы.
- Его применение ограничено компонентами небольшого размера, поскольку более крупные компоненты подвержены напряжению во время удаления связующего вещества.
Сравнение CIM и шликерного литья
Ниже приведено подробное сравнение литья керамики под давлением и шликерного литья.
| Особенность/Фактор | Литье керамики под давлением (CIM) | Скользящее литье |
|---|---|---|
| Сложная геометрия | Отлично подходит для изготовления сложных и замысловатых форм с жесткими допусками. | Ограничено; подходит для полых или простых форм |
| Объем производства | Идеально подходит для крупносерийного производства после изготовления оснастки | Лучше всего подходит для небольших партий или изделий по индивидуальному заказу. |
| Стоимость инструмента | Высокая первоначальная стоимость из-за конструкции пресс-формы | Низкая стоимость оснастки; простые формы |
| Размерная точность | Средняя | От низкого до среднего; может потребоваться обрезка и механическая обработка |
| Чистота поверхности | Гладкая, высококачественная отделка поверхности | Более грубые поверхности; часто требуют глазирования или полировки |
| Материальные отходы | Минимальное; высокое использование материала | Более высокие отходы из-за остатков литья и переполнения форм |
| Цикл литья | Быстро после настройки; высокая повторяемость | Медленное высыхание и заливка могут занять несколько часов. |
| Чувствительность к удалению связующего и спеканию | Требуются контролируемые этапы удаления связующего и спекания | В целом более щадящий, но медленное высыхание имеет решающее значение |
| Масштабируемость для больших деталей | Ограничено; лучше для мелких и средних деталей | Гибкость для производства крупных или громоздких деталей |
| Время начальной настройки | Длительный (из-за состава исходного сырья и изготовления формы) | Относительно короткий; требуется простое оборудование |
Применение литья керамики под давлением
Керамические детали, полученные литьем под давлением, отличаются превосходной коррозионной стойкостью и биосовместимостью, что позволяет широко применять их, особенно в медицинской сфере.
Медицина и стоматология
- Ортопедические имплантаты (например, протезы тазобедренного и коленного суставов)
- Зубные коронки, брекеты и имплантаты
- Хирургические инструменты с биосовместимостью и износостойкостью
Электроника
- Керамические изоляторы и корпуса
- Подложки для печатных плат
- Разъемы и корпуса датчиков
Автомобильная и аэрокосмическая промышленность
- Роторы турбокомпрессора и компоненты топливных форсунок
- Высокотемпературные, износостойкие детали для двигателей и турбин
Промышленные и потребительские товары
- Режущие инструменты и изнашиваемые детали
- Компоненты часов и керамические безели
- Уплотнения, клапаны и компоненты насосов, используемые в агрессивных средах.
Ищете компании по литью керамики под давлением? BLUE — ваш надежный партнер с 10-летним опытом и сертификацией ISO 9001:2015. Мы предоставляем услуги CIM для небольших сложных деталей с использованием различных материалов, включая оксид алюминия, диоксид циркония, нитрид кремния и карбид кремния.
FAQ
1. Каков идеальный диапазон температур спекания для процесса литья керамики под давлением?
Хотя это зависит от типа используемого керамического материала, общий диапазон температур спекания, необходимый для процесса CIM, составляет от 1200 до 1600 °C. oC.
2. Какое влияние оказывает плохо выполненный процесс удаления связующего на процедуру CIM?
Неправильное удаление связующего во время процесса удаления связующего может привести к трещинам и другим дефектам, таким как вздутие и коробление. Это приводит к очень плохому уплотнению во время процесса спекания, а следовательно, к плохому конечному продукту.