지르코니아 세라믹의 9가지 정밀 성형 공정

지르코니아 세라믹의 9가지 정밀 성형 공정
성형 공정은 세라믹 재료의 전체 준비 공정에서 연결 고리 역할을 하며, 세라믹 재료 및 부품의 성능 신뢰성과 생산 반복성을 보장하는 핵심 요소입니다.
사회 발전과 함께 전통적인 도자기 제조 방식인 손으로 반죽하는 방법, 물레 성형법, 점토 주입법 등은 현대 사회의 생산 및 품질 요구를 더 이상 충족시키지 못하게 되었고, 이에 따라 새로운 성형 공정이 탄생했습니다. ZrO2 미세 세라믹 소재는 다음과 같은 9가지 성형 공정(건식 2가지, 습식 7가지)에 널리 사용됩니다.

1. 건식 성형

1.1 건식 압착

건식 프레스는 세라믹 분말을 압력으로 눌러 특정 형상의 본체를 만드는 공정입니다. 이 공정의 핵심은 외부 힘의 작용으로 분말 입자들이 금형 내부에서 서로 접근하여 내부 마찰에 의해 단단히 결합되어 일정한 형상을 유지하는 것입니다. 건식 프레스 성형체의 주요 결함은 박리 현상인데, 이는 분말 입자 간의 내부 마찰과 분말과 금형 벽 사이의 마찰로 인해 본체 내부의 압력 손실이 발생하기 때문입니다.

건식 프레스 성형의 장점은 성형체의 크기가 정확하고 조작이 간단하며 기계화 공정 구현이 용이하다는 점입니다. 또한, 성형체 내 수분 및 접착제 함량이 적고 건조 및 소성 수축률이 작아 주로 단순한 형태와 작은 종횡비의 제품 성형에 사용됩니다. 다만, 금형 마모로 인한 생산 비용 증가는 건식 프레스 성형의 단점입니다.

1.2 등압 프레스

등압 성형은 전통적인 건식 성형을 기반으로 개발된 특수 성형 방법입니다. 유체 전달 압력을 이용하여 탄성 금형 내부의 분말에 모든 방향에서 고르게 압력을 가합니다. 유체 내부 압력이 일정하기 때문에 분말은 모든 방향에서 동일한 압력을 받게 되어 성형체의 밀도 차이를 방지할 수 있습니다.

등압 성형은 습식 백 등압 성형과 건식 백 등압 성형으로 나뉩니다. 습식 백 등압 성형은 복잡한 형상의 제품을 성형할 수 있지만, 간헐적으로만 작업할 수 있습니다. 건식 백 등압 성형은 자동 연속 작업이 가능하지만, 사각형, 원형, 원통형 등 단순한 형상의 제품만 성형할 수 있습니다. 등압 성형은 균일하고 치밀한 성형체를 얻을 수 있으며, 소성 수축률이 작고 모든 방향으로 수축률이 균일합니다. 그러나 장비가 복잡하고 고가이며 생산 효율이 높지 않아 특수한 요구 사항이 있는 재료 생산에만 적합합니다.

2. 습식 성형

2.1 그라우팅
그라우팅 성형 공정은 테이프 캐스팅과 유사하지만, 물리적 탈수 공정과 화학적 응고 공정이 추가된다는 점에서 차이가 있습니다. 물리적 탈수 공정에서는 다공성 석고 몰드의 모세관 현상을 통해 슬러리 내의 수분을 제거합니다. 표면의 CaSO4가 용해되어 생성된 Ca2+ 이온은 슬러리의 이온 강도를 증가시켜 슬러리의 응집을 유도합니다.
물리적 탈수와 화학적 응고 작용 하에 세라믹 분말 입자가 석고 주형 벽에 침착됩니다. 그라우팅 공법은 복잡한 형상의 대형 세라믹 부품 제작에 적합하지만, 성형체의 품질(형상, 밀도, 강도 등)이 떨어지고 작업자의 노동 강도가 높으며 자동화 공정에 적합하지 않습니다.

2.2 열간 다이캐스팅
열간 다이캐스팅은 세라믹 분말을 바인더(파라핀)와 비교적 고온(60~100℃)에서 혼합하여 슬러리를 얻는 공정입니다. 이 슬러리를 압축 공기의 작용으로 금속 주형에 주입하고 압력을 유지합니다. 냉각 및 탈형 과정을 거쳐 왁스 블랭크를 얻고, 이 블랭크를 불활성 분말의 보호 하에 탈왁스하여 성형체를 얻습니다. 마지막으로 이 성형체를 고온에서 소결하여 도자기를 완성합니다.

열간 다이캐스팅으로 성형된 그린 바디는 정밀한 치수, 균일한 내부 구조, 적은 금형 마모 및 높은 생산 효율을 가지며 다양한 원료에 적합합니다. 왁스 슬러리와 금형의 온도를 엄격하게 제어해야 하며, 그렇지 않으면 사출 부족이나 변형이 발생할 수 있으므로 대형 부품 제조에는 적합하지 않습니다. 또한, 2단계 소성 공정이 복잡하고 에너지 소비가 높습니다.

2.3 테이프 캐스팅
테이프 캐스팅은 세라믹 분말을 다량의 유기 결합제, 가소제, 분산제 등과 완전히 혼합하여 유동성이 있는 점성 슬러리를 얻은 후, 이 슬러리를 캐스팅 기계의 호퍼에 넣고 스크레이퍼를 사용하여 두께를 조절하는 공정입니다. 슬러리는 공급 노즐을 통해 컨베이어 벨트로 흘러나오고, 건조 과정을 거쳐 필름 블랭크를 얻습니다.

이 공정은 필름 소재 제조에 적합합니다. 유연성을 높이기 위해 다량의 유기물을 첨가하며, 공정 변수를 엄격하게 제어해야 합니다. 그렇지 않으면 박리, 줄무늬, 필름 강도 저하, 박리 불량 등의 결함이 발생하기 쉽습니다. 사용되는 유기물은 독성이 있어 환경 오염을 유발할 수 있으므로, 환경 오염을 줄이기 위해 가능한 한 무독성 또는 저독성 시스템을 사용해야 합니다.

2.4 젤 사출 성형
젤 사출 성형 기술은 1990년대 초 오크리지 국립 연구소의 연구원들이 최초로 개발한 새로운 콜로이드성 고속 프로토타이핑 공정입니다. 이 기술의 핵심은 유기 단량체 용액을 사용하여 고강도의 측면 결합된 고분자-용매 젤을 중합시키는 것입니다.

유기 단량체 용액에 세라믹 분말을 녹인 슬러리를 주형에 부어 넣으면 단량체 혼합물이 중합되어 겔화된 부분이 형성됩니다. 측면 연결된 고분자-용매 혼합물은 고분자 함량이 10~20%(질량 분율)에 불과하기 때문에 건조 과정을 통해 겔화된 부분에서 용매를 쉽게 제거할 수 있습니다. 또한, 고분자들이 측면으로 연결되어 있기 때문에 건조 과정에서 고분자가 용매와 함께 이동하지 않습니다.

이 방법은 단상 및 복합 세라믹 부품 제조에 사용할 수 있으며, 복잡한 형상과 거의 최종 크기에 가까운 세라믹 부품을 성형할 수 있고, 성형 강도가 20~30Mpa 이상으로 높아 재가공이 가능합니다. 이 방법의 주요 문제점은 치밀화 과정에서 전구체의 수축률이 비교적 높아 전구체 변형이 쉽게 발생한다는 점, 일부 유기 단량체가 산소 억제 작용을 하여 표면 박리 및 탈락을 유발한다는 점, 온도에 따른 유기 단량체 중합 과정에서 발생하는 온도 변화로 인해 내부 응력이 발생하여 전구체가 파손되는 점 등이 있습니다.

2.5 직접 경화 사출 성형
직접 경화 사출 성형은 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)에서 개발한 성형 기술입니다. 용매인 물, 세라믹 분말 및 유기 첨가제를 완전히 혼합하여 정전기적으로 안정하고 점도가 낮으며 고형분 함량이 높은 슬러리를 형성합니다. 이 슬러리는 슬러리 pH를 조절하거나 전해질 농도를 높이는 화학 물질을 첨가하여 변경할 수 있으며, 이후 비다공성 금형에 주입됩니다.

공정 중 화학 반응의 진행을 제어합니다. 사출 성형 전에는 반응을 천천히 진행하여 슬러리의 점도를 낮게 유지하고, 사출 성형 후에는 반응 속도를 높여 슬러리를 고화시킵니다. 이렇게 얻어진 성형체는 우수한 기계적 특성을 가지며 강도는 5kPa에 달합니다. 성형체를 탈형하고 건조 및 소결하여 원하는 형상의 세라믹 부품을 제작합니다.

이 공정의 장점은 유기 첨가제가 필요 없거나 아주 소량(1% 미만)만 필요하다는 점, 성형체의 탈지가 필요 없다는 점, 성형체의 밀도가 균일하다는 점, 상대 밀도가 높다는 점(55%~70%), 그리고 대형 및 복잡한 형상의 세라믹 부품을 성형할 수 있다는 점입니다. 단점은 첨가제가 고가이며, 반응 과정에서 가스가 발생하는 것이 일반적이라는 점입니다.

2.6 사출 성형
사출 성형은 플라스틱 제품 성형 및 금속 금형 성형에 오랫동안 사용되어 왔습니다. 이 공정은 열가소성 유기 재료의 저온 경화 또는 열경화성 유기 재료의 고온 경화를 이용합니다. 분말과 유기 담체는 특수 혼합 장비에서 혼합된 후 수십에서 수백 MPa에 이르는 고압으로 금형에 주입됩니다. 높은 성형 압력 덕분에 얻어진 제품은 정밀한 치수, 높은 평활도 및 치밀한 구조를 가지며, 특수 성형 장비의 사용으로 생산 효율이 크게 향상됩니다.

1970년대 후반과 1980년대 초반에 사출 성형 공정이 세라믹 부품 성형에 적용되었습니다. 이 공정은 다량의 유기물을 첨가하여 무기질 소재를 가소성 성형하는 것으로, 일반적인 세라믹 가소성 성형 공정입니다. 사출 성형 기술에서는 주 결합제로 열가소성 유기물(폴리에틸렌, 폴리스티렌 등), 열경화성 유기물(에폭시 수지, 페놀 수지 등) 또는 수용성 고분자를 사용하는 것 외에도, 세라믹 사출 현탁액의 유동성을 개선하고 사출 성형품의 품질을 확보하기 위해 가소제, 윤활제, 결합제 등의 가공 보조제를 일정량 첨가해야 합니다.

사출 성형 공정은 높은 자동화 수준과 정밀한 성형품 크기라는 장점을 가지고 있습니다. 그러나 사출 성형 세라믹 부품의 성형체 내 유기물 함량은 최대 50vol%에 달합니다. 이러한 유기물을 후속 소결 공정에서 제거하는 데에는 며칠에서 수십 일까지 소요되며, 품질 불량의 원인이 되기 쉽습니다.

2.7 콜로이드 사출 성형
칭화대학교는 유기물 첨가량이 많고 기존 사출 성형 공정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 콜로이드 사출 성형이라는 새로운 세라믹 공정을 창의적으로 제안하고, 자체적으로 콜로이드 사출 성형 프로토타입을 개발하여 원료가 없는 세라믹 슬러리의 사출 성형을 실현했습니다.

본 기술의 핵심 아이디어는 콜로이드 성형과 사출 성형을 결합하는 것으로, 자체 개발한 사출 장비와 콜로이드 현장 경화 성형 공정에서 제공하는 새로운 경화 기술을 활용합니다. 이 새로운 공정은 유기물 함량이 4wt.% 미만입니다. 수성 현탁액에 소량의 유기 단량체 또는 유기 화합물을 첨가하여 금형에 사출 후 유기 단량체의 중합을 빠르게 유도함으로써 세라믹 분말을 고르게 감싸는 유기 네트워크 골격을 형성합니다. 이를 통해 탈검 시간을 크게 단축할 뿐만 아니라 탈검 균열 발생 가능성도 크게 줄입니다.

세라믹 사출 성형과 콜로이드 성형에는 큰 차이가 있습니다. 가장 큰 차이점은 전자는 가소성 성형에 속하고, 후자는 슬러리 성형에 속한다는 것입니다. 즉, 슬러리는 가소성이 없는 비활성 재료입니다. 콜로이드 성형에서 슬러리는 가소성이 없기 때문에 기존의 세라믹 사출 성형 방식을 적용할 수 없습니다. 콜로이드 성형을 사출 성형과 결합하면, 콜로이드 현장 성형 공정에서 제공하는 특수 사출 장비와 새로운 경화 기술을 사용하여 세라믹 재료의 콜로이드 사출 성형을 구현할 수 있습니다.

새로운 콜로이드 사출 성형 세라믹 공정은 일반적인 콜로이드 성형 및 전통적인 사출 성형과는 다릅니다. 높은 수준의 성형 자동화라는 장점은 콜로이드 성형 공정을 질적으로 향상시켜 첨단 세라믹 산업화의 희망이 될 것입니다.