지르코니아 세라믹의 9가지 정밀 성형 공정
성형 공정은 세라믹 소재의 전체 제조 공정에서 연결 역할을 하며, 세라믹 소재 및 구성 요소의 성능 신뢰성과 생산 반복성을 보장하는 데 핵심입니다.
사회 발전에 따라 전통 세라믹의 수반(手半) 공법, 휠 성형법, 그라우팅 공법 등은 현대 사회의 생산 및 정제 요구를 더 이상 충족할 수 없게 되었고, 이에 따라 새로운 성형 공법이 탄생했습니다. ZrO2 미세 세라믹 소재는 다음과 같은 9가지 성형 공법(건식 2종, 습식 7종)에 널리 사용됩니다.
1. 건식 성형
1.1 건식 프레싱
건식 프레스는 세라믹 분말을 가압하여 본체의 특정 형상으로 압축하는 방식입니다. 건식 프레스의 핵심은 외부 힘의 작용으로 분말 입자가 금형 내에서 서로 접촉하고, 내부 마찰로 인해 단단하게 결합되어 특정 형상을 유지하는 것입니다. 건식 프레스 성형체의 주요 결함은 파쇄(spallation) 현상인데, 이는 분말 간의 내부 마찰과 분말과 금형 벽 사이의 마찰로 인해 발생하며, 본체 내부의 압력 손실을 초래합니다.
건식 프레스의 장점은 그린 바디의 크기가 정확하고, 작업이 간단하며, 기계화 작업이 편리하다는 점입니다. 그린 건식 프레스는 수분과 결합제 함량이 적고, 건조 및 소성 수축률이 작습니다. 주로 형상이 간단하고 종횡비가 작은 제품을 성형하는 데 사용됩니다. 금형 마모로 인한 생산 비용 증가는 건식 프레스의 단점입니다.
1.2 등방성 프레싱
등방성 가압 성형은 전통적인 건식 가압 성형을 기반으로 개발된 특수 성형 공법입니다. 유체 전달 압력을 이용하여 탄성 금형 내부의 분말에 모든 방향에서 균일한 압력을 가합니다. 유체 내부 압력의 균일성으로 인해 분말은 모든 방향에서 동일한 압력을 받으므로 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 작동합니다. 건식 백 등압 성형은 자동 연속 성형이 가능하지만, 정사각형, 원형, 관형 단면과 같은 간단한 형상의 제품만 성형할 수 있습니다. 등압 성형은 균일하고 치밀한 성형체를 얻을 수 있으며, 소성 수축률이 작고 모든 방향으로 균일한 수축을 보입니다. 하지만 장비가 복잡하고 가격이 비싸며 생산 효율이 높지 않아 특수한 요구 사항이 있는 재료 생산에만 적합합니다.
2. 습식 성형
2.1 그라우팅
그라우팅 성형 공정은 테이프 캐스팅과 유사하지만, 성형 공정에는 물리적 탈수 공정과 화학적 응고 공정이 포함된다는 점이 다릅니다. 물리적 탈수는 다공성 석고 몰드의 모세관 작용을 통해 슬러리의 물을 제거합니다. 표면 CaSO4가 용해되어 생성된 Ca₂+는 슬러리의 이온 강도를 증가시켜 슬러리를 응집시킵니다.
물리적 탈수 및 화학적 응고 작용으로 세라믹 분말 입자가 석고 몰드 벽에 증착됩니다. 그라우팅은 복잡한 형상의 대형 세라믹 부품 제작에 적합하지만, 형상, 밀도, 강도 등 그린 바디의 품질이 낮고 작업자의 노동 강도가 높으며 자동화 작업에 적합하지 않습니다.
2.2 열간 다이캐스팅
열간 다이캐스팅은 세라믹 분말과 바인더(파라핀)를 비교적 높은 온도(60~100℃)에서 혼합하여 열간 다이캐스팅용 슬러리를 얻는 공정입니다. 슬러리는 압축 공기의 작용으로 금형에 주입되고, 압력은 유지됩니다. 냉각 후 탈형하여 왁스 블랭크를 얻고, 불활성 분말의 보호 하에서 왁스를 제거하여 성형체를 얻고, 이 성형체를 고온에서 소결하여 도자기를 만듭니다.
열간 다이캐스팅으로 성형된 그린 바디는 치수가 정밀하고 내부 구조가 균일하며, 금형 마모가 적고 생산 효율이 높아 다양한 원자재에 적합합니다. 왁스 슬러리와 금형의 온도는 엄격하게 제어되어야 하며, 그렇지 않으면 사출 불량이나 변형이 발생하여 대형 부품 제조에 적합하지 않습니다. 또한, 2단계 소성 공정이 복잡하고 에너지 소비량이 높습니다.
2.3 테이프 캐스팅
테이프 캐스팅은 세라믹 분말을 다량의 유기 결합제, 가소제, 분산제 등과 완전히 혼합하여 유동성이 있는 점성 슬러리를 얻는 공정입니다. 슬러리를 캐스팅 머신의 호퍼에 넣고 스크레이퍼를 사용하여 두께를 조절합니다. 슬러리는 공급 노즐을 통해 컨베이어 벨트로 배출되고, 건조 후 필름 블랭크를 얻습니다.
이 공정은 필름 소재 제조에 적합합니다. 더 나은 유연성을 얻기 위해 다량의 유기물을 첨가하며, 공정 변수는 엄격하게 관리되어야 합니다. 그렇지 않으면 박리, 줄무늬, 필름 강도 저하 또는 박리 불량과 같은 결함이 쉽게 발생할 수 있습니다. 사용되는 유기물은 독성이 있어 환경 오염을 유발하므로, 환경 오염을 줄이기 위해 가능한 한 무독성 또는 저독성 시스템을 사용해야 합니다.
2.4 겔 사출 성형
겔 사출 성형 기술은 1990년대 초 오크리지 국립연구소 연구진이 처음 발명한 새로운 콜로이드 쾌속 조형 공정입니다. 이 기술의 핵심은 유기 단량체 용액을 사용하여 중합하여 고강도의 측면 결합 중합체-용매 겔을 형성하는 것입니다.
유기 단량체 용액에 용해된 세라믹 분말 슬러리를 금형에 주입하면 단량체 혼합물이 중합되어 겔화된 부품을 형성합니다. 측면 결합된 중합체-용매는 10~20%(질량 분율)의 중합체만을 함유하고 있으므로, 건조 단계를 통해 겔 부품에서 용매를 쉽게 제거할 수 있습니다. 동시에, 중합체의 측면 결합으로 인해 건조 과정에서 중합체가 용매와 함께 이동하지 않습니다.
이 방법은 단상 및 복합 세라믹 부품을 제조하는 데 사용할 수 있으며, 복잡한 형상의 준망(quasi-net) 크기의 세라믹 부품을 형성할 수 있습니다. 또한, 그린 강도가 20~30Mpa 이상으로 높아 재가공이 가능합니다. 이 방법의 주요 문제점은 고밀도화 과정에서 배아체의 수축률이 상대적으로 높아 배아체의 변형이 쉽게 발생한다는 것입니다. 또한, 일부 유기 단량체는 산소 저해를 일으켜 표면이 벗겨지고 탈락하며, 온도에 의한 유기 단량체 중합 과정으로 인해 온도 셰이빙(thermoshaving)이 발생하여 내부 응력이 발생하고, 이로 인해 블랭크가 파손되는 등의 문제가 발생합니다.
2.5 직접 응고 사출 성형
직접 응고 사출 성형은 ETH 취리히에서 개발한 성형 기술입니다. 용매인 물, 세라믹 분말, 유기 첨가제를 완전히 혼합하여 정전기적으로 안정적이고 점도가 낮으며 고형분 함량이 높은 슬러리를 형성합니다. 슬러리 pH나 전해질 농도를 높이는 화학물질을 첨가하여 슬러리를 변경할 수 있으며, 이 슬러리를 다공성이 없는 금형에 주입합니다.
공정 중 화학 반응의 진행을 제어합니다. 사출 성형 전 반응은 느리게 진행되고, 슬러리의 점도는 낮게 유지되며, 사출 성형 후 반응은 가속화되어 슬러리가 응고되고, 유동 슬러리는 고체로 변형됩니다. 이렇게 생성된 성형체는 우수한 기계적 성질을 가지며, 강도는 최대 5kPa에 달할 수 있습니다. 성형체를 탈형, 건조 및 소결하여 원하는 형상의 세라믹 부품을 형성합니다.
이 기술의 장점은 유기 첨가제가 필요 없거나 소량(1% 미만)으로만 필요하고, 성형체의 탈지가 필요 없으며, 성형체의 밀도가 균일하고, 상대 밀도가 높으며(55%~70%), 크고 복잡한 형상의 세라믹 부품을 성형할 수 있다는 것입니다. 단점은 첨가제 가격이 높고 반응 중에 가스가 발생하는 경우가 많다는 것입니다.
2.6 사출성형
사출 성형은 오랫동안 플라스틱 제품 성형 및 금형 성형에 사용되어 왔습니다. 이 공정은 열가소성 유기물을 저온 경화하거나 열경화성 유기물을 고온 경화하는 방식입니다. 분말과 유기 캐리어를 특수 혼합 장비에서 혼합한 후, 고압(수십~수백 MPa)으로 금형에 주입합니다. 높은 성형 압력 덕분에 정밀한 치수, 높은 평활성, 그리고 치밀한 구조를 가진 블랭크를 얻을 수 있습니다. 특수 성형 장비를 사용하면 생산 효율이 크게 향상됩니다.
1970년대 후반과 1980년대 초반, 사출 성형 공정이 세라믹 부품 성형에 적용되었습니다. 이 공정은 다량의 유기물을 첨가하여 불모지 재료를 소성 성형하는 일반적인 세라믹 플라스틱 성형 공정입니다. 사출 성형 기술에서는 열가소성 유기물(예: 폴리에틸렌, 폴리스티렌), 열경화성 유기물(예: 에폭시 수지, 페놀 수지) 또는 수용성 고분자를 주요 바인더로 사용하는 것 외에도, 세라믹 사출 현탁액의 유동성을 개선하고 사출 성형품의 품질을 보장하기 위해 가소제, 윤활제, 커플링제와 같은 가공 보조제를 일정량 첨가해야 합니다.
사출 성형 공정은 높은 자동화 수준과 정밀한 성형 블랭크 크기라는 장점이 있습니다. 그러나 사출 성형된 세라믹 부품의 성형체(green body) 내 유기물 함량은 최대 50vol%에 달합니다. 이러한 유기물을 후속 소결 공정에서 제거하는 데는 며칠에서 수십 일까지 오랜 시간이 소요되며, 이로 인해 품질 불량이 발생하기 쉽습니다.
2.7 콜로이드 사출 성형
대량의 유기물 첨가와 기존 사출성형 공정의 난점을 해소하기 어려운 문제를 해결하기 위해 청화대학에서는 세라믹 콜로이드 사출성형을 위한 새로운 공정을 창의적으로 제안하고, 자체적으로 콜로이드 사출성형 프로토타입을 개발하여 불모 세라믹 슬러리의 사출을 실현했습니다.
기본 아이디어는 콜로이드 성형과 사출 성형을 결합하는 것으로, 독점적인 사출 장비와 콜로이드 현장 응고 성형 공정에서 제공하는 새로운 경화 기술을 사용합니다. 이 새로운 공정은 4중량% 미만의 유기물을 사용합니다. 수성 현탁액에 소량의 유기 단량체 또는 유기 화합물을 첨가하여 금형에 주입 후 유기 단량체의 중합을 빠르게 유도하여 세라믹 분말을 균일하게 감싸는 유기 네트워크 골격을 형성합니다. 이를 통해 탈검 시간이 크게 단축될 뿐만 아니라 탈검 후 균열 발생 가능성도 크게 줄어듭니다.
세라믹 사출 성형과 콜로이드 성형 사이에는 큰 차이가 있습니다. 주요 차이점은 전자는 플라스틱 성형 범주에 속하고, 후자는 슬러리 성형 범주에 속한다는 것입니다. 즉, 슬러리는 가소성이 없어 불모지와 같은 물질입니다. 콜로이드 성형에서는 슬러리가 가소성이 없기 때문에 전통적인 세라믹 사출 성형 개념을 적용할 수 없습니다. 콜로이드 성형과 사출 성형을 결합하면, 세라믹 재료의 콜로이드 사출 성형은 독점적인 사출 장비와 콜로이드 현장 성형 공정의 새로운 경화 기술을 사용하여 실현됩니다.
세라믹 콜로이드 사출 성형의 새로운 공정은 일반 콜로이드 성형 및 기존 사출 성형과는 다릅니다. 고도의 성형 자동화는 콜로이드 성형 공정의 질적 향상을 가져오며, 이는 첨단 세라믹 산업화의 희망이 될 것입니다.
게시 시간: 2022년 1월 18일