فرآیندهای شکل دهی سرامیک ها (3)

پرس ایزواستاتیک گرم
 

پرس ایزواستاتیک گرم (hot Isostatic Press) که به طور اختصار به آن HIP می گویند، به صورتی کا ر میکند که در یک زمان هم حرارت و هم فشار برای پرس کردن استفاده می شود. در این فرآیند یک کوره در داخل یک جداره ی با فشار بالا ساخته شده است و اشیاء در داخل کوره پرس می شوند. شکل 1 وسایل یک HIP را نشان می دهد.

در این فرآیند دما می تواند بیشتر از 2000C° باشد و فشار نیز در گسترده ی 30-100MPa است. در فرایند HIP یک گاز برای ایجاد فشار استفاده می شود. برخلاف CIP که در آن از یک مایع استفاده می شود. متداوالترین گاز مورد استفاده در HIP، آرگن است البته گازهای اکسید کننده و فعال نیز در این فرآیند استفاده می شود. توجه داشته باشید که جداره ی با فشار بالا در داخل کوره قرار ندارد.
دو نوع HIP وجود دارد:
محفظه ای (ENCAPSULATED) : که از یک محفظه ی با قابلیت دفورمه شدن استفاده می کند.
بدون محفظه (Not encapsulated) : دراین روش ابتدا شکل دهی و زنیترینگ انجام می شود و سپس فرآیند پرس ایزواستاتیک گرم انجام می شود.
درروش اصلی HIP ، پودر سرامیک در داخل یک بخش فلزی انعطاف پذیر قرار می گیرد و این بخش با قابلیت تغییر فرم سپس حرارت داده شده و فشرده می شود. این روش سپس برای پودرهای با اندازه ی ذرات کوچک، اصلاح شد. در این فرآیند فشرده سازی پودر مانند فرآیندهای دیگر پرس کردن مانند پرس خشک و یا قالب گیری تزریقی انجام می شود. قطعه ی فشرده شده ی پخت شده سپس در داخل یک پوشش شیشه ای کپسوله می شود که این بخش شیشه ای پس از فرآیند HIP جدا می شود. (مانند شکل 2)

در نوع دوم فرآیند کپسوله کردن انجام نمی شود. دراین روش ابتدا پودر با یک روش شکل دهی دیگر مانند پرس خشک یا قالب گیری تزریقی شکل دهی می شود و سپس در دمای نسبتا ً بالا زنیتر می شود. فرایند زنیترینگ در یک کوره انجام می شود و هدف از این زنیترینگ از بین بردن تخلخل های سطحی نمونه است. بسته شدن تخلخل های سطحی باعث می شود که در HIP متعاقب، گاز بداخل این تخلخل ها (قطعه) نفود نکنند. مراحل این فرآیند که برخی اوقات به آن HIP زنیتر – پلاس (HIP -Sinter –plus)می گویند. در شکل 3 نشان داده شده است.

امروزه فرایند پرس گرم ایزواستاتیک برای بسیاری از اجزای سرامیک ها مانند سرمته های بر پایه ی آلومینا و نازل های سیلیسیم نیتریدی مورد استفاده درصفحاد سولفورزدایی گازی، استفاده می شود. مزیت های فرآیند HIP باعث شده است تا استفاده از آن در فرآیندهای شکل دهی سرامیک های ساختاری مانند بیشتر شود.
سرامیک های غیر اکسیدی را می توان به وسیله ی این فرآیندبه قطعات با دانسیته ی بالا تبدیل کرد . مزیت دیگر بدنه های تولیدی به این روش اندازه ی دانه ی کوچک و عدم نیاز به اضافه کردن افزودنی هاست. دانستیه ی بالا و اندازه ی دانه ی کوچک باعث تولید قطعاتی با دانسیته ی بالا و ریزدانه می شود. عیب این روش قیمت بالای آن است.

روش ریخته گری دوغابی
 

در این روش دوغاب به داخل یک قالب ریخته می شود. (معمولا قالب از جنس گچ قالب گیری است). قالب مورد استفاده به روش ریخته گری تولید شده است و به نحوه ای طراحی شده است که قطعه ی سرامیکی بوجود آمده از آن دارای شکل واندازه ی مورد نظر است. به دلیل اینکه ذرات پودر داخل دوغاب بسیار ریزند و همچنین به خاطرمساحت سطح بالا و وجود بارهای الکترواستاتیک ، ذرات در داخل دوغاب ته نشین نمی شوند. الکترو شیمی دوغاب واقعاً پیچیده است.
سیلیکات سدیم به دوغاب افزوده می شود تا از لخته شدن جلوگیری شود. پس از ریخته شدن دوغاب به داخل قالب گچی، آب دوغاب جذب قالب شده و از سوراخ های بسیار ریز آن خارج می شود و یک لایه ی سرامیکی بر روی جداره ی قالب پدید می آید. هنگامی که ضخامت این لایه به حد مطلوب رسید، دوغاب اضافی از داخل قالب خارج می شود و اجازه داده می شود تا لایه ی سرامیکی خشک شود.این مراحل در شکل 4 نشان داده شده است.

این نوع از ریخته گری دوغابی که متداوالترین روش از آن است ، همچنین ریخته گری به روش آب کشی (Casting drain) نامیده می شود.
ریخته گری دوغابی روش کم هزینه برای تولید قطعات پیچیده است و در صنعت سفالگری سنتی روش مقبولی درتولید کوزه، قوری و مجسمه است.اجزای بزرگی مانند لگن دستشوئی و سایر بدنه های بهداشتی نیز بوسیله ی ریخته گری دوغابی تولید می شوند. علاوه بر تولید بدنه ها ی توخالی از ریخته گری دوغابی برای ساخت قطعات توپر بهره برده می شود. در ریخته گری توپر دوغاب به طور مداوم به قالب تزریق می شود. تا سرانجام قطعه ی مورد نظر به طور کامل بوجود آید.
ریخته گری دوغابی همچنین در ساخت برخی از سرامیک های ساختاری و فنی استفاده می شود. این روش روشی استاندارد درتولید بوته های ذوب فلز ساخته شده از آلومینا است و به صورت موفقیت آمیز برای ساخت اجزای سرامیکی ساختاری با اشکال پیچیده مانند روتورهای توربین گازی استفاده می شود.

اکستروژن
 

فرآیند اکستروژن (extrusion) بدین صورت است که یک قطعه از جسمی با قابلیت تغییر فرم از میان روزنه ی یک قالب عبور می کند(مانند خروج خمیر دندان از تیوپ آن) . از این فرآیند درتولید بسیاری از اجزای سرامیکی که دارای سطح مقطع یکسان و طول بزرگی هستند. استفاده می شود. مثلا در ساخت استوانه های سرامیکی از این روش استفاده می شود.(شکل 5)

گل با خواص رئولوژی مناسب برای فرآیند اکستروژن را می توان با افزودن میزان مناسب آب به خاک پدید آورد.مواد غیر رسی مانند با مایعات چسبناک مانند پلی وینسیل الکل (PVA ) یا متیل سلولز و آب مخلوط می شوند تا جرمی پلاستیک پدید آورند. جدول 1 لیستی از بدنه های تولید شده بوسیله ی اکستروژن آورده شده است.

فرآیند اکسترود کردن پلیمرها از دهه ی 1860 تاکنون استفاده می شود. دراصل این فرایند ابتدا برای شکل دهی رابر طبیعی استفاده می شده است. یک پرس اکستروژن شبیه به پرسی که در شکل 6 نشان داده شده است وسیله ای استاندارد برای سفال گران است.

اکستروژن همچنین در تولید حفاظ های آلومینایی مورد استفاده در لامپ های بخار سدیم استفاده می شود. (این لامپ ها در وسایل کنترل کننده ی نشر اتوماتیک (derices automotive emission- Control) استفاده می شود.) پایه های کاتالیست بخاطر پدید آوردن مساحت زیاد ساخته می شوند. این بخش ها می توانند در هر سانتی متر مربع صدها سلول باز داشته باشند. برای تولید این اشکال پودر سرامیک کوئوردیریتی با رزین پلی پوریتان با قابلیت سفت شدن هیدرولیک مخلوط می شود. مخلوط حاصله به داخل یک حمام آب اکسترود می شود. سرعت اکسترود شدن بستگی به زمان گیرش پلی یوریتان دارد.این سرعت معمولا دو میلی متر بر ثانیه است. شکل حاصله سپس پخته می شود وسرامیک نهایی پدید می آید.

قالب گیری تزریقی
 

قالب گیری تزریقی یکی دیگر از فنونی است که به طور گسترده در شکل دهی پلیمرهای ترموپلاست استفاده می شود. پلیمرهای ترموپلاست این خاصیت را دارند که هنگام گرم شدن نرم می شوند و هنگامی که سرد می شوند. محکم می شوند. یک چنین رویه ای می تواند برای دفعات فراوان تکرار شود. اگر پودر سرامیکی با یک پلیمر ترموپلاست مخلوط شود، می توان از آن در شکل دهی اجزای سرامیکی استفاده کرد. هنگامی که فرآیند قالب گیری تزریقی برای مخلوط پودر سرامیک و پلیمر انجام شود، پلیمر به عنوان بایندر در نظر گرفته می شود. پودر سرامیک اضافه شده به بایندر معمولا با تعدادی ماده ی آلی دیگر مخلوط می شود تا خواص رئولوژی آن بهبود یابد. جدول 23.4 افزودنی هایی که برای شکل دهی SiCبوسیله ی قالب گیری تزریقی استفاده می شوند را نشان داده است. تقریبا 40 درصد حجمی مخلوط را بخش آلی تشکیل می دهد.
توده ی پلاستیک بوجود آمده از مخلوط پلیمر وسرامیک ابتدا حرارت داده می شود تا نرم شود.

سپس با فشار به داخل قالب ( مانند شکل 7) فرستاده می شود. مخلوط حرارت داده شده سیالیت بالایی دارد(این تفاوت میان این نوع قالب گیری با روش اکستروژن است). اجازه داده می شود تا مخلوط در داخل قالب سرد شود. سرد شدن مخلوط باعث سخت شدن پلیمر می شود. بخاطر آنکه حجم بالایی از مواد آلی در این مخلوط وجود دارد، شرینکیج اتفاق افتاده در طی زنیترینگ اجزای تولیدی بوسیله ی قالب گیری تزریقی بالاست. به طور نمونه وار این شرینکیج بین %20-15 است از این رو کنترل دقیق ابعاد قطعات تولیدی مشکل است. به هر حال اشکال پیچیده ی تولیدی به این روش در طی فرایند زنیترینگ به میزان کمی اعوحاج پیدا می کنند.
قالب گیری تزریقی برای تولید اجزای سرامیکی با شکل پیچیده استفاده می شود. علت آن این است که زمان سیکل تولید در این روش کم است و از این رو این فرآیند می تواند حجم زیادی تولید داشته باشد. محدودیت اصلی این روش این است که قیمت ابزار آلات اولیه ی این فرایند بسیار بالاست.مثلاً قالب مورد استفاده در ساخت پره های توربین بیش از 10000 دلار قیمت دارد. همچنین قالب مورد استفاده در ساخت روتور توربین ممکن است 100000 دلار قیمت داشته باشد .البته این قالب ها به خاطر عدم مواجهه با دمای بالا، طول عمر بالایی دارند.
منبع انگلیسی مقاله : Caramic Materials/C.Barry Carter.M.GrantNorton