فرآیند های شکل دهی – سرامیک ها

فرآیند های شکل دهی – سرامیک ها





مقدمه

در این مقاله در مورد سفال گری صحبت می کنیم. بسیاری از تکنیک هایی که امروزه برای شکل دهی سرامیک های پیشرفته استفاده می شود. بوسیله ی سفال گران ابداع و استفاده می شده است. اما امروزه اینگونه فرآیندها اصلاح شده است و برای شکل دهی مواد درکاربردهای با فناوری بالا و سرامیک های جدید استفاده می شود.
ما تنها می توانیم پودر خشک را شکل دهی کرده وآن را زنیتر کنیم. اما این مسئله مرسوم است که مقداری مایع به پودر اضافه می شود. و سپس فرآیند شکل دهی و پخت اتفاق می افتد. (دقیقا همانند استفاده کردن از آب در سفال گری). تغییر فرم های اتفاق افتاده در فرآیندشکل دهی باعث می شود تا مخلوط با استحکام پایین چسبنده شود و به بدنه ای محکم ومنسجم تبدیل شود.این بدنه را می توان به هندسه ی دلخواه در آورد. انتخاب عملیات شکل دهی برای یک محصول خاص به ابعاد و ثبات ابعادی محصول، ویژگی های زیرساختاری ، میزان قابلیت تکثیر شدن نمونه بوسیله ی آن، مسائل اقتصادی و نوع شکل بستگی دارد.

لغات

در صنعت شکل دهی سرامیک ها لغات خاصی وجود دارد. زیرا این صنعت یک هنر قدیمی است. سابقاً پودرهای اصلی در خلوص و اندازه ی ذرات مناسب تهیه می شد و بوسیله ی آنها می شد اشکال مد نظر را تهیه کرد. بسیاری از روش های شکل دهی برای محصولات سرامیکی مناسب هستند. این روش ها را می توان به سه گروه عمده طبقه بندی کرد:
…فشرده سازی پودر: پرس خشک، پرس گرم، پرس ایزواستاتیک سرد و- 1
2) ریخته گری : بوسیله ی قالب و دوغاب سرامیکی-2
3شکل دهی پلاستیک: اکستروژن ، قالب گیری تزریقی و... در این فرآیند از فشار برای شکل دهی بدنه ی خام سرامیکی استفاده می شود.

فشرده سازی پودر:

در این روش با فشردن پودر ماده ی سرامیکی ، قطعه تشکیل می شود. پودر ممکن است بوسیله ی فرآیند فشرده سازی خشک (بدون افزودن بایندر) ویا بوسیله ی افزودن مقدار اندکی از یک بایندر به قطعه تبدیل شود. فشار اعمالی نیز می تواند غیر محوری یا ایزواستاتیک باشد.انتخاب روش فشرده سازی (پرس کردن ) به شکل محصول نهایی بستگی دارد. ما می توانیم اشکال ساده را بوسیله ی اعمال فشار غیر محوری و قعطات پیچیده را بوسیله ی اعمال فشار ایزواستاتیک تولید کنیم.

سرامیک های ریخته گری شده 

این نوع از سرامیک ها معمولا در دمای اتاق و بوسیله ی تهیه ی یک دو غاب حاوی ذرات پودر تهیه می شوند. لازم به ذکر است که این فرآیند شباهتی به فرآیند ریخته گری فلزی ندارد. دو غاب تهیه شده به داخل قالب ریخته شده و مایع آن بوسیله ی جداره ی قالب (دیفوزیون از جداره) خارج می شود. خروج مایع از قالب سبب پدید آمدن جسمی با استحکام مناسب در داخل قالب می شود. به این روش ریخته گری روش ریخته گری لغزشی (Slip Casting) می گویند. از این روش برای شکل دهی بسیاری از محصولات سرامیکی سنتی (مانند ظروف تزئینی) استفاده می شود. در سال های اخیر از این روش برای شکل دهی محصولات سرامیکی پیشرفته (مانند پرده ها ی توربین و روتور توربین گازی) استفاده می شود. برای تولید فیلم های ضخیم و صفحات از روش ریخته گری نواری (tape Casting) استفاده می شود.


شکل دهی پلاستیک

این روش بدین صورت است که به پودر سرامیکی به میزان مشخصی آب اضافه می شود . تا پودر خاصیت پلاستیک پیدا کند و بتوان آن را تحت فشار شکل دهی کرد. این روش ابتدائاً برای شکل دهی خاک رس استفاده می شده است که پس از آن با انجام اعمال اصلاحی بر روی آن برای شکل دهی مواد پلیمری نیز استفاده می شود. مایع مورد استفاده در سرامیک های سنتی بر پایه ی رس، آب است. برای سیستم های سرامیکی که بر پایه ی رس نیستند. مواد آلی نیز ممکن است به جای آب استفاده شوند. بایندرهای آلی معمولا از ترکیبات چند گانه ساخته شده اند تا بتوانند وسکوزیته ی مناسب را به سیستم سرامیکی بدهند و همچنین خصوصیات بعد از پخت خوبی داشته باشند.



جدول 1 روشهای اصلی موجود در سه گروه شکل دهی را نشان می دهد. که در هر مورد اشکالی را که می توانیم با این روش ها تولید کنیم نیز آورده شده است.

 

در ادامه برخی از واژه های مربوط به صنعت شکل دهی را بیان می کنیم.              

بایندر (binder)                                                                                     

بایندر ترکیبی است که استفاده می شود تا پودر در کنار هم نگه داشته شود و بتوان پودر را شکل دهی کرد.                                                                               

دوغاب (Slurry)                                                                                          

دوغاب سوسپانسیونی از ذرات سرامیکی دریک مایع است.                                     

نرم کننده (plasticizer)                                                                              

نوعی بایندر است که باعث می شود دوغاب نرم یا انعطاف پذیر شود. این افزودنی                  خواص رئولوژیکی دوغاب را بهبود می دهد.                                                                   

نمونه ی خام (green)                                                                                

قطعه ای سرامیکی است که هنوز پخت نشده است.                                              

دوغاب لعاب (Slip)                                                                     

مخلوطی سوسپانسیونی است که به صورت پوشش بر روی بدنه ی خام قرار می گیرد و پس از پخت بر روی بدنه تشکیل لعاب را می دهد.                                                   
برخی از روش های شکل دهی که در این مقاله به آنها می پردازیم، بدنه هایی سرامیکی تولید می کنند که فشردگی آنها تنها برای فرآیند ماشین کاری مناسب است (میزان استحکام آنها به حدی است که تنها بتوان آنها را ماشین کاری کرد.) به هر حال این بدنه ها کاملا متراکم نیستند و پیوند بین دانه ها در آنها ضعیف است.این حالت را خام بودن (green) می گویند.در واقع در این حالت، حالتی میان بدنه ی زنیتر شده ی با دانسیته ی بالا و پودر نرم است. روش های دیگری در شکل دهی سرامیک ها وجود دارد که در آنها با اعمال دمای بالا در حین شکل دهی بدنه های زنیتر شده با دانستیه ی بالا تولید می شود.                                                                                              

بایندر و نرم کننده ها 

در اغلب موارد نیاز است تا به پودر سرامیکی مقداری بایندر اضافه کنیم. بایندر دو وظیفه دارد. در برخی روش های شکل دهی مانند اکستروژن، بایندر پلاستیسیته ی مورد نیاز برای شکل دهی را فراهم می کند. بایندر همچنین باعث می شد تا قطعه ی خام تولیدی پس از خشک شدن استحکام کافی را داشته باشد و در طی فرآیند ساخت و پخت دفورمه نشود. یکی از ویژگی های مهمی که بایندرها باید داشته باشند این است که بتوان بایندر را در طی فرایند پخت از بین برد و آن را از میان بدنه ی متراکم خارج کنیم، بدون آنکه بدنه معیوب شود. در اغلب موارد مواد پلیمری بایندرهای ایده آلی هستند.
در سفال گری اغلباً از آب به عنوان بایندر استفاده می شود. در این صنعت آب به میزان کافی به خاک افزوده می شود. تا گل حاصله پلاستیسیته ی مورد نیاز برای شکل دهی را بدست آورد. در واقع میزان آب در حدی است که نمونه در طی پخت ثبات خود را حفظ کند. برای بهبود خواص رئولوژیکی در اغلب موارد از نرم کننده استفاده می شود. در اصل افزودن نرم کننده به سوسپانسیون ها به صنعت سرامیک منحصر نیست و از آن در بسیاری از فرآیندهای پودری استفاده می شود. برخی اوقاف تفاوت میان نرم کننده و بایندر زیاد واضح نیست. بایندرها همچنین در فرآیندهای شکل دهی فلزات بوسیله ی پودر فلز نیز کاربرد دارند.                                                                                  

دوغاب

واژه ی دوغاب لعاب ( Slip) از لغتی انگلیسی آمده است که به معنای کرم (cream) است کرم سوسپانسیونی از ذرات شیر داخل مایع (آب) است که در فرآیند تولید پنیر بوجود می آید.
عموماً دوغاب لعاب شامل ذرات سرامیکی کوچک (زیر 10 میکرون ) است که در داخل یک محیط مایع معلق هستند. در سفال گری این مایع معمولا آب است. سوسپانسیون بوجود آمده می تواند حتی بیش از 60% حجمی ماده ی خشک داشته باشد. دی فلوکولانت ها (deflocculents) به دو غاب لعاب اضافه می شود تا محیط الکترویکی هر ذره را بهبود دهد. این مسئله موجب می شود ذرات همدیگر را دفع کنند.

دی فلوکولانت

دی فلوکولاسیون فرآیندی است که بوسیله ی آن توده های به هم چسبیده ی ذرات سرامیکی موجود در مایع متلاشی شده و به ذرات تبدیل می شوند. از این رو در فلوکولانت یک افزودنی است که این فرآیند را انجام می دهد. به عبارت دیگر دی فلوکولاسیون مخالف دلمه شدن (coagulation) است.

کلوئید

کلوئید عموما به عنوان هر ماده ای تعریف می شود که دارای ذرات مادی است که از محلول های معمولی بزرگ تر اما بسیار ریزتر از آن هستند که بدون بزرگنمایی نوری قابل دیدن باشند.
(تقریبا 10-1nm میکرون) . کلوئیدها می توانند به روش های مختلف به یکدیگر پیوند دهند . سیستم های کلوئیدی می توانند چندین شکل داشته باشند. فرضی که ما با آن روبرو هستیم بدین صورت است که یک ماده در دیگری پراکنده شده است. حرکت براوونی یکی از پدیده هایی است که در این مخلوط ها بوجود می آید. دوغاب یک کلوئید است. ما می توانیم خواص دوغاب را بوسیله ی افزودن فلوکولانت و یا دی فلوکولانت تغییر دهیم.      

دوغاب

ذرات رس در مایع به صورت سوسپانسیون در می آیند.( این مایع در مورد سفال ، آب است) . همین طور که مقدار آب دوغاب کاهش می یابد، میزان صلبیت آن افزایش می یابد. لعاب های مورد استفاده در سفال گری دارای عملکردی شبیه به رس در مایع هستند (البته میزان آب لعاب بیشتر است). گل کوزه گری از یک دوغاب اولیه تولید می شود. این دوغاب از رس های طبیعی تولید شده است. دوغاب به طور مکرر ***** می شود تا ماده ای هموژن و با قابلیت ثبات بالا پدید آید. سپس قطعاتی از گل بوسیله ی تبخیر رطوبت از کلوئید بوجود می آید. محصول پایانی به مرحله ی اکستروژن می رود و سپس در بسته بندی های خاص قرار می گیرد تا رطوبت باقی مانده در آن از بین نرود.
پرس خشک

پرس خشک (Dry Pressing) فرآیندی است مناسب برای شکل دهی اشکال ساده ی جامد و دارای سه مرحله است.

پرکردن قالب

فشرده سازی مواد
خارج کردن قطعه ی پرس شده
درشکل 1 دیاگرامی شماتیک از فرآیند پرس خشک دو طرف (double-action dry- Pressing Process) نشان داده شده است. در پرس خشک دو طرفه بخش بالا و پایینی قالب متحرک هستند و عمل فشرده سازی را انجام می دهند. هنگامی که بخش پایینی قالب در حالت پایه قرار دارد ، فضایی بوجود می آید که این فضا بوسیله ی پودر پر می شود. در فرآیند پرس خشک مخلوط پودر می تواند بین 5-0 درصد وزنی از یک بایندر داشته باشد.                                                                                              

                                                                                       


(در واقع واژه ی خشک بدین معنا نیست که درصد بایندر صفراست). وقتی قالب با شیوه ی هنرمندانه ای بوسیله ی پودر پر می شود، بخش بالایی قالب پایین می آید و پودر را فشرده می کند. (میزان فشرده سازی معین است). در طی فرایند فشرده سازی ذرات پودر باید به صورت مناسب جریان پیدا کنند تا قالب به طور مناسب پر شود. در فرآیند پرس خشک توزیع ذرات بین 200-20 میکرون ترجیح داده می شود. وجود درصد بالایی از ذرات ریز باعث پدید آمدن مشکلاتی در جریان یافتن ذرات می شود. و همچنین باعث می شود ذرات پودر به قالب ها بچسبند. فشار مورد استفاده در فرآیند پرس خشک ممکن است تا 300 مگاپاسگال نیز برسد. فشار اعمال شده در این فرآیند به نوع ماده و نوع پرس بستگی دارد و معمولا برای ماکزیمم کردن دانسیته ی جسم پرس شده از فشارهای بالا استفاده می شود. پس از مرحله ی فشرده سازی پودر بخش های بالا و پایینی قالب به سمت بالا حرکت می کنند تا اینکه بخش پایینی قالب با سطح بالایی کاست قالب هم ارتفاع شود. سپس بخش بالایی قالب به طور کامل از سطح جدا می شود و از روی کاست قالب جدا می شود. توده ی پرس شده سپس از قالب جدا می شو د و بخش پایینی قالب به سمت پایین حرکت می کند و برای فرایند پرس بعدی آماده می شود. فرآیند پرس خشک بسیار ساده است و سرمایه ی مورد نیاز برای ادوات آن نیز پایین است. از این رو از این فرآیند به طور فراوان در شکل دهی سرامیک ها استفاده می شود. سرعت تولید در این به اندازه و شکل قطعات و نوع پرس مورد استفاده بستگی دارد. سرعت تولید برای قطعات پهن مانند دیرگدازها و یا اجزای پیچیده مانند چرخ های ساینده 15-1 قطعه در دقیقه است. در مورد قطعات ساده تر یا کوچکتر مانند سیل رینگ ها (sealrings) و نازل ها ، سرعت تولید می تواند بیش از چند صد قطعه بر دقیقه باشد. قطعات مسطح کوچک مانند عایق ها ، کریرهای تراشه ای  (chip Carriers) یا وسایل برش، سرعت تولید می تواند چند هزار قطعه بر دقیقه باشد. (chip Carriers) یا وسایل برش، سرعت تولید می تواند چند هزار قطعه بر دقیقه باشد.                                                                            

پرس گرم

فرایند پرس می تواند در دمای بالا انجام شود. این فرآیند پرس گرم (hot Pressing) نامیده می شود. قالب مورد استفاده در این فرآیند بسیار شبیه به قالبی است که برای فرآیند پرس خشک استفاده می شود تفاوت اصلی این نوع قالب در این است که قالب مورد استفاده در فرآیند پرس گرم در داخل یک کوره با دمای بالا قرار دارد. (شکل 2) در طی فرآیند پرس گرم ، پودر سرامیک ممکن است در طی فرایند پرس زنیتر هم شود و این زنیتر شدن سبب تشکیل یک جزء با دانسیته ی بالا می شود.

 

در ادامه به بیان برخی از مزیت های این فرآیند می پردازیم:
1)نیاز نیست پودر مورد استفاده در این فرآیند از نوع خیلی مرغوب باشد.
2)تخلخل های بزرگی که بوسیله مخلوط شدن نامناسب پدید می آیند به آسانی از بین می روند.
3)ما می توانیم بدنه ای با دانسیته ی مناسب را در دمای پایین تر از دمای زنیترینگ متداول پدید آوریم. ( در واقع این دما تقریباً نصف دمای ذوب مواد است)
4)در طی فرآیند افزایش دانسیته بوسیله ی پرس گرم، رشد افراطی دانه ها یاری کریستالیزاسیون ثانویه رخ نمی دهد.
5)بوسیله ی فرایند پرس گرم می توان مواد با پیوندهای کوالانس مانند  را شکل دهی کرد.
عیب اصلی فرایند پرس گرم این است که قالب های مورد استفاده در این فرآیند گران بها هستند و دوام زیادی ندارند زیرا فرآیند پرس گرم در دمای بالا انجام می شود.
فلزات به ندرت در دماهای بالاتر از 1000C° به عنوان قالب استفاده می شوند.علت این امر این است که در دمای بالاتر از 1000C° اکثر آنها نرم شده و موجب اعوجاج قالب می شوند. آلیاژهای ویژه که بیشتر آنها بر پایه ی مولیبدن (Mo) هستند، می توانند در دمای بالاتر از 1000C° و فشار 80MPa استفاده شوند. سرامیک هایی مانند  رامی توان به عنوان ماده ی مورد استفاده درساخت قالب استفاده کرد و از آنها در دماهای بالاتر از 1400C° و فشار حدود 80MPa استفاده کرد.گرافیت یکی از پر استفاده ترین مواد در ساخت قالب هاست که می توان از قالب های ساخته شده از آن در دماهای بالاتر از 2200C° و فشارهای بین 10MPa استفاده کرد. مشکلی که وجود دارد این است که استفاده از قالب های گرافیتی نیازمند بوجود آوردن محیط احیایی درطی فرایند پرس کردن است.
به هر حال گرافیت دارای خواص بسیاری است که باعث می شود این ماده برای ساخت قالب مناسب باشد:
گرافیت به آسانی ماشین کاری می شود. (البته گرد وغبار آن اگر تنفس شود سمی است مانندگرد و غبار ذغال سنگ)
گرافیت ارزان قیمت است
استحکام آن با افزایش دما افزایش می یابد.
دارای مقاومت به خزش خوبی است
دارای رسانایی گرمایی استثنائی است
ضریب انبساط گرمایی آن نسبتا ً پایین است.
فرایند پرس گرم مانند پرس خشک به ساخت اشکال ساده مانند صفحات پهن، آجرها ، استوانه ها محدود می شود. ساخت قطعات پیچیده و یا اشکال بزرگ با روش پرس گرم مشکل است و در اغلب موارد امکان ساخت وجود ندارد. پرس گرم به طور گسترده در آزمایشگاههای تحقیقاتی (برای ساخت اجزای سرامیکی با خلوص و دانسیته ی بالا) استفاده می شود. اگر چه از پرس های گرم به طور گسترده در دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی دولتی استفاده می شود. اما به دلیل قیمت بالای فرایند و میزان تولید پایین ، این تکنیک دارای محدودیت است.
در واقع برای تولید هر قطعه ای فرآیند شکل دهی جایگزین پرس گرم وجود دارد که هزینه ی تولید آن پایین تر است. به هر حال در بازار برخی از قطعات سرامیکی وجود دارد که به روش پرس گرم تولید شده اند. در این قطعات نیاز است تا اندازه ی دانه ها کوچک باشد، دانسیته بالا باشد (تخلخل کم باشد) و یا میزان خلوص پایین است. مثال هایی از این محصولات در جدول 2 آورده شده است.

فرآیند پرس ایزواستاتیک با استفاده از اعمال فشار هیدرواستاتیک به پودر بوسیله ی یک ظرف انعطاف پذیر انجام می شود. مزیت اعمال فشار در همه ی جهات این است که فشرده گی پودر در جاهای مختلف یکسان است و می توان بوسیله ی این فرآیند اشکال پیچیده را تولید کرد.فرآیند پرس ایزواستاتیک می تواند با اعمال گرما یا بدون اعمال گرما انجام شود.

پرس ایزواستاتیک سرد

درکاربردهای متنوعی از پرس ایزواستاتیک سرد (Cold Isostatic Press ) استفاده می شود. که به طور محفف به آن CIP می گویند. دراینجا ما تنها به بیان مسائل اساسی درمورد این نوع فرآیند شکل دهی می پردازیم شکل 3 فرآیند پرس ایزواستاتیک سرد است که به اصطلاح به آن CIP ، وت – بگ (Wet – bag – CIP) می گویند.              



در این فرآیند پودر به داخل یک کیسه ی رابری قرار داده می شود و دهانه ی کیسه بوسیله ی یک درپوش فلزی بسته می شود. کیسه ی دهانه بسته در داخل یک اتاقک با دمای بالا قرار می گیرد. که این اتاقک با مایع (معمولا یک مخلوط روغن و آب با قابلیت انحلال درهم) پر شده است. در این اتاقک به صورت هیدرواستاتیک بر پودر فشار وارد می شود. فشار اعمالی می تواند از 20MPa تا یک گیلاپاسکال متغیر باشد که فشار اعمالی بستگی به کاربرد و نوع پرس دارد. در واحدهای تولیدی معمولا از فشارهای بیش از 400 استفاده می شود. هنگامی که فرآیند پرس کردن اتمام یابد، فشار اعمالی به آهستگی برداشته می شود و اجزای پرس کنار می روند. سپس جزء پرس شده از قالب جدا می شود.                                                                                                  
مزایای فرآیند وت – بگ عبارتند است از:                                                               
گستره ی وسیع اشکال و اندازه هایی که می توان بوسیله ی آن تولید کرد.
دانسیته ی یکنواخت محصول پرس شده                                      
قیمت پایین ادوات مورد نیاز در این روش                                      
معایب این روش عبارتست از:                                                    
شکل دهی وکنترل ابعاد ضعیف است (مخصوصا برای اشیاء پیچیده)
محصول تولیدی در اغلب موارد نیازمند ماشین کاری پیش از پخت است.
زمان سیکل تولید طولانی است (به طور نمونه این زمان بین 60-5دقیقه است). از این روسرعت تولید قطعه با این روش پایین است.                                                        
یک پرس ایزواستاتیک وت –بگ که برای تولید نمونه های آزمایشگاهی و اجزای با حجم کوچک استفاده می شود ، ممکن است دارای قطر داخلی 150 میلی متر وعمق 460mm باشد.پرس های وت – بگ بزرک ممکن است دارای قطر حفره ای بزرگتر از 1.8 متر و طولی بزرگتر از 3.7 متر باشند.                                                                   
دیاگرام شماتیک یک قالب برای فرایند درای – بگ (dry-bag CIP) در شکل 4 نشان داده شده است.                                                                                                 



تمایز اصلی میان درای – بگ CIP با روش قبلی در این است که قالب رابری در فرآیند درای – بگ بخش داخلی پرس محسوب می شود و مایع با فشار بالا از میان اتاقک به قالب اعمال فشار می کند. پس از فرآیند پرس، قطعه پرس شده بدون بهم خوردن قالب جدا می شود. از این رو پرس درای – بگ می تواند به سهولت به صورت اتوماتیک کار کند. واحدهای تمام خودکار از این نوع پرس ها وجود دارند و در طی 20 سال گذشته محصولات سرامیکی را با حجم بالا تولید می کنند. سرعت تولید در این سیستم ها بیشتر از 1 دقیقه بر ثانیه است و به صورت تجاری درآمده اند. در سال های متمادی است که از CIP دارای بگ برای پرس کردن بخش عایق شمع اتومبیل استفاده می شود. مراحل این فرآیند در شکل 5 نشان داده شده است.




منبع انگلیسی مقاله : Caramic Materials/C.Barry Carter.M.GrantNorton

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 آلومینا 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

 

ماشین کاری قطعه ی خام
برای بدست آودرن یک محصول سرامیکی با شکل مناسب معمولا نیاز است تا بدنه را ماشین کار ی کنیم. این ماشین کاری را می توان قبل و یا بعد از اینکه قطعه زنیتر شده انجام دهیم. اگر فرآیند ماشین کاری پیش از اینکه قطعه زنیتر شود انجام شود، این فرآیند را ماشین کاری قعطه ی خام (Green Machining) گویند مزیت های ماشین کاری پیش از زنیترینگ این است که زمان ماشین کاری به میزان 1/10 (یک بخش بر 10) و قیمت ماشین کاری 1/20 کمتر است. 
علت این امر این است که درحالت ماشین کاری خام سایش ابزارهای ساینده کمتر است. و همچنین برای این نوع ماشین کاری نیاز کمتری به ابزارهای ساینده ی گران بها است. جدول 1 استفاده از مواد ساینده ی مختلف را در ماشین کاری قطعات سیلیسی پیش از نیتریداسیون و تبدیل شدن به مقایسه کرده است.

خروج بایندر
در سفال، خروج بایندر با تبخیر آب از گل شکل داده شده انجام می شود. در ادامه ی پخت ساختار ماده ی رسی تغییر کرده و تبدیلات فازی رخ می دهد که این تبدیلات نیز با خروج آب همراه هستند. روش هاش شکل دهی سرامیک های مهندسی مانند قالب گیری تزریقی، بدنه های خامی پدید می آورد که دارای 50-30 درصد حجمی بایندر هستند.عموماً ما تلاش می کنیم که این بایندرها را بدون ایجاد ترک ویا اعوجاج از نمونه خارج کنیم. خروج بایندر یکی از مراحلی از فرایند شکل دهی است که احتمال تشکیل عیوب در این مرحله زیاد است. عیوبی همچون ترک و تاول زدن ها عیوبی هستند که در این مرحله پدید می آیند. پدید آمدن این عیوب سبب کاهش استحکام مکانیکی و سایر خواص بدنه می شود. مشکل دیگری که وجود دارد این است که سیستم های بایندری مورد استفاده در سرامیک ها معمولا دارای چندین جزءهستند که هر جزء نقطه جوش و تجزیه ی متفاوتی دارد. اجزاء با نقطه جوش پایین مانند واکس ها ممکن است به سرعت وبوسیله ی تبخیر در دمای پایین از بدنه خارج شوند.
اکسیداسیون و یا تجزیه ی در دماهای بالا سبب خروج اجزای با جرم ملکولی بالا می شود. 
برای سرامیک های اکسیدی ، بایندر می تواند در طی فرآیند پخت در هوا به گازهایی همچون  تبدیل شود. عموما خروج بایندر از بدنه مشکلی ایجاد نمی کند. به هر حال ، برخی وضعیت ها وجود دارد که خروج بایندر از بدنه مشکل ساز می شود، برای مثال استفاده از پلی وینیل بوتیران (Poky (vinyl buty rals) ) با  است. که در این مورد، ته مانده ی کربن می تواند به میزان بسیار ناچیز در بدنه باقی بماند. حتی اگر فرایندحرارت دهی در هوا به مدت 24 ساعت و در دمای 700C° انجام شود. عموما سرامیک های غیر اکسیدی را نمی توان در اتمسفر اکسیدی حرارت داد. خروج بایندر در این نوع از بدنه ها در اتمسفر های کاهشی و خنثی انجام می شود. البته فرآیند خروج بایندر در اتمسفر های خنثی وکاهشی با مشکلات بیشتری نسبت به اتمسفر اکسیدی مواجه است. فرآیند تجزیه ی بایندر در این محیط ها (خنثی یا کاهشی) به درستی شناخته نشده است. و بیشتر بایندر ها در این شرایط تجزیه از خود کربن به جای می گذارند. این کربن باقی مانده می تواند برای مراحل بعدی زنیترینگ مضر باشد.
فرآیند خروج بایندر آهسته انجام می شود تا میزان عیوب، کرویی کاهش یابد. شکل 1 سیکل خروج یک بایندر را نشان می دهد. در این نمودار یک گاز فشرده شده در بالای قطعه عبور می کند تا فرایند بخار شدن را یکنواخت کند. زمان خشک کردن قطعات نازک کمتر از قطعات ضخیم است.



خروج بایندر از بدنه ی سرامیکی یکی از زمینه های تحقیقاتی فعال است. این تحقیقات از مدل سازی تجزیه ی یایندر و نفوذ بایندر تشکیل شده است.

ماشین کاری پایانی
شکل دهی ایده آل قطعاتی پدید می آورد که دارای شکل مطلوب هستند و خطای ابعادی آنها درحدی قابل قبول است. همچنین این قطعات دارای سطح پایانی مناسبی هستند. به هر حال در بسیاری از موارد، این وضعیت اتفاق نمی افتد وما نیاز مند آن هستیم که عملیات ماشین کاری پایانی (قبل یا بعد از زنیترینگ) بر روی نمونه ها انجام دهیم.عموما فرآیند ماشین کاری پایانی (final Machininig) به دلایل زیر انجام می شود:
تنظیم ابعاد قطعه و رساندن ابعاد به ابعاد مطلوب
بهبود وضعیت سطح پایانی
از بین بردن عیوب سطحی
این روش ها می توانند گران بها باشند. در واقع فرایند ماشین کاری نهایی بخش زیادی از هزینه ی کلی ساخت را در بر میگرد. مواد سرامیکی را به سختی می توان ماشین کاری کرد زیرا سخت و شکننده هستند. هزینه ی ماشین کاری به خاطر این بالاست که در این فرآیند از ابزار آلات الماسه استفاده می شود که این ابزار الات گران قیمت هستند. همچنین سایر ابزار آلاتی که برای برش و سایش استفاده می شود نیز عمر کوتاهی دارند. همچنین زمان مورد نیاز برای سایش بالا ست زیرا اگر بارهای فشاری وارد بر سرامیک ها بزرگ باشند امکان دارد موجب شکسته شدن آنها بشود.
روش های مکانیکی مورد استفاده برا ی ماشین کاری سرامیک ها عبارتند از:
سایش بوسیله ی ابزارآلات ساینده. در این ابزار ها ذرات ساینده در زمینه ای نرم تر از ذرات مانند شیشه، رابر، رزین پلیمری و یا حتی فلز (مثلا WC در Co ) قرار گرفته اند و عمل سایش را انجام می دهند.
پولیش کردن با استفاده از ذرات ساینده ی قرار داده شده بر روی سطح پارچه ای 
سندبلاست کردن (Sand blasting) با استفاده از ذرات ساینده. در این روش با استفاده از هوای فشرده شده ذرات ساینده بر روی سرامیک پاچیده می شود.
ماشین کاری با جت آب. در این روش با استفاده از یک جت آب فشار بالا، ذرات ساینده بر روی سطح سرامیکی برخورد می کنند.
روش ماشین کاری با جت آب معمولا به عنوان روشی بسیار سریع برای ماشین کاری سرامیک های سخت محسوب می شود. شکل 2 اجزای اصلی یک آلت تراش جت آب (water –jet cutter) نشان داده شده است.



سرعت برش بستگی به نوع ماده ای که می خواهیم آن را برش دهیم بستگی دارد و می تواند 130 میلی متر بر دقیقه برای شیشه و 5 میلی متر بر دقیقه برای سرامیک های سخت و پر دانستیه مانند  باشد. در جت آب، آب تا 380MPa فشرده شده و با سرعت 750 متر برثانیه از میان یک روزنه ی یاقوتی (Sapphive OriFice) به بیرون فرستاده می شود در جت های ساینده ، سرعت ها ممکن است اندکی کمتر از این سرعت باشد.

تهیه ی سرامیک های متخلخل
در بسیاری از کاربردهای سنتی سرامیک ها، مخصوصا درکاربردهای ساختاری و الکتریکی ، نیاز است تا اجزای سرامیکی زنیتر شده کمترین میزان تخلخل را داشته باشند. به هر حال در بسیاری از کاربردهای جدید که هر روز درحال رشد بیشتری نیز هستند. (مثلا درسرامیک های جاذب اکثریت و سنسورهای گازی)؛ تخلخل نه تنها مطلوب است، بلکه ضروری نیز هستند. روش های متنوعی برای تولید ساختارهای متخلخل وجود دارد. برخی از این روش ها عبارتند از : 
استفاده از اندازه ذرات بزرگ با ذرات بسیار ریز سرامیک ها برای جلوگیری از چیدمان پر دانسیته ی پودر سرامیکی
فرایند آندرفایر (under fire). در این فرایند یک بدنه ی خام فشرده شده و در آن تعداد زیادی تخلخل ریز پدید می آید.
افزودن ذرات یک ماده ی آلی (با قطر بیش از 20 میکرون ) به مخلوط پودر سرامیک. هنگامی که این مواد آلی می سوزند، جای آنها را تخلخل ها می گیرند. ما با کنترل روش تولید با این روش می توانیم مواد فوتونیک مزوپورس (mesoporous photonic) تولید کنیم.
استفاده از یک سیستم بایندر که دارای عوامل کف زا باشد. این عامل کف زا مقدار زیادی حباب هوا در داخل مخلوط تولید می کند.
اشباع کردن یک فوم متخلخل (با تخلخل های متصل به هم) با محلول سرامیکی و سپس سوزاندن بدنه ی ذکر شده.
استفاده از یک ترکیب شیشه ای با خاصیت جدایش فازی. پس از تشکیل بدنه بوسیله ی این ترکیب، بدنه در داخل یک محلول خورنده مانند اسید قرار می گیرد که در طی این فرآیند یکی از فازهای بدنه به طور کامل خورده شده و به جای آن تخلخل باقی می ماند. این فرآیند برای تولید شیشه های متخلخل استفاده می شود.
سفال های شکل داده شده
در ابتدای این مقاله گفتیم که ما در مورد کوزه گری صحبت می کنیم. در ادامه به ارائه خلاصه یا از زمینه های استفاده از تکنیک های شکل دهی می پردازیم.برخی از روش های بیان شده در بخش های قبل در طی میلیون ها سال بوسیله ی سفال گران مورد استفاده قرار گرفته است. پرسلان های کلاسیک می توانند به نازکی یک برگه ی کاغذ باشند(کمتر از O.2mm). بدنه ی بون – چینی (bone China) به این دلیل نامگذاری شده اند که در تولید آنها از خاکستر استخوان (سه تقربیا 50% ) استفاده می شود. این نوع بدنه جزء پرسلان های سخت است و می تواند بسیار نازک از آن تهیه کرد. این بدنه ها به حدی نازک اند که خاصیت ترانسلوسنتی در آنها به وضوح دیده می شود.
خاک رس کاغذی (paper clay) یک ماده ی به نسبت جدید برای سفال گری است. در این مورد رس و کاغذ به نسبت حجمی 50% از هر کدام مخلوط می شوند. الیاف کاغذ (سلولز) اضافه شده باعث افزایش استحکام بدنه ی تولیدی از این مواد می شوند به صورتی که می توان از این نوع ماده، صفحاتی تولید کرد که با برش و شکل دهی آنها قبل از پخت، بدنه ی سرامیکی بوجود می آید. با پخته شدن این بدنه، بخش آلی آن خارج شده و بدنه ی سرامیکی تشکیل می شود که نسبت به حالت عادی بسیار سبک تر است.



همانگونه که در شکل 3 دیده می شود. اجسام رسی توخالی بوسیله ی چرخش گل بر روی چرخ کوزه گری ساخته می شود. در این فرآیند کوزه گر بوسیله ی دست ویا ابزار آلات خاص بدنه ی گلی را شکل دهی می کند.
فرآیند چنبره زنی (coiling )، پینچنیگ (pinching) و اسلبینگ (slabbing) برای تولید اشیای سفالی بزرگ استفاده می شود. شرط تهیه مناسب این بدنه ها این است که ضخامت در محل های مختلف این بدنه ها ثابت باشد تا در طی فرایند خشک شدن و پخت، شرایط در همه جا یکسان باشد.

شیشه های شکل داده شده
شیشه را می توان به وسیله ی روشهای مختلفی شکل دهی کرد. از ریخته گری یا قالب گیری برای شکل دهی شیشه های تلسکوپ ولنز استفاده می شود.
برای پرس کردن شیشه نیاز به یک قالب است. این قالب می تواند از جنس های مختلفی مانند چدن خاکستری (تا 1000C° )، فولاد زنگ نزن (که می تواند برای شکل دهی شیشه های بروسیلیکاتی در دمای 1150C° و یا شیشه سرامیک ها در دمای 1480C° استفاده شود) و یا برنز (Bronze) باشد. معمولا قالب بوسیله ی یک سیال سرد می شود. ویسکوزیته ی شیشه در این فرآیند باید تقریبا 4kp باشد. می توان بوسیله ی این فرایند اشیائی در گستره ی وزنی 5g الی 15kg را شکل دهی کرد. فرآیند شکل دهی شیشه بوسیله ی پرس در شکل 4 نشان داده شده است. این تکنیک کاملا شبیه فرایند پرس ایزواستاتیک گرم است.


فرآیند های خم کردن و ریخته گری نیز روش های ساده ای برای شکل دهی شیشه هستند. در ریخته گری ابتدا شیشه حرارت داده می شود و سپس به داخل یک قالب ریخته می شود.
فرم دهی دمشی شیشه از اولین دهه ی پیش از میلاد استفاده می شده است. در این روش یک تکه از شیشه در سری دمش قرار داده می شود و بوسیله ی دمیده شدن هوا از میان سری دمش، شیشه شکل دهی می شود. این تکنیک به صورت دستی و اتوماتیک استفاده می شود.
فرآیند کشش نیز برای شکل دهی تیوپ ها و صفحات شیشه ای استفاده می شود. درکارخانجات تولید شیشه های فلوت ، صفحات شیشه ای بوسیله ی کشش تشکیل می شوند. برای تولید الیاف شیشه ای روش ریسندگی استفاده می شود. در این روش الیاف تجاری شیشه بوجود می آیند که کاربرد فراوانی درکامپوزیت ها و تولید قطعات عایق و....دارند.
منبع انگلیسی مقاله :
Caramic Materials/C.Barry Carter.M.GrantNorton

 

فیروز رضائی ; ۱٢:٥٢ ‎ب.ظ ; ۱۳٩٠/٤/۱٩