고경도 스테인리스강 몰드와 실험실용 유압 프레스를 사용하는 주된 목적은 느슨한 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말을 고정된 직경의 디스크 모양 "그린 바디"로 압축하는 것입니다. 8몰% 또는 10몰% YSZ 분말에 제어된 압력을 가함으로써 이 장비는 입자의 초기 배열을 촉진합니다. 이를 통해 부서지지 않고 취급 및 후속 고압 성형 단계를 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가진 고체 형태를 만듭니다.
이 단계의 목표는 최종 밀도나 투명도를 달성하는 것이 아니라 구조적 기준선을 설정하는 것입니다. 다루기 어려운 분말을 2차 소결 공정의 기초 역할을 하는 응집된 고체로 변환합니다.
구조적 기초 설정
"그린 바디" 만들기
이 공정의 즉각적인 결과물은 그린 바디입니다. 이 용어는 성형되었지만 아직 소결(굽기)되지 않은 세라믹 물체를 말합니다.
스테인리스강 몰드를 사용하여 8몰% 또는 10몰% YSZ 분말을 일반적으로 디스크 모양과 같은 특정 기하학적 모양으로 압축합니다.
초기 입자 배열
느슨한 세라믹 분말에는 상당한 공극이 있으며 응집력이 부족합니다.
유압 프레스는 이러한 입자를 물리적으로 재배열하여 더 가깝게 밀어내는 힘을 가합니다. 이는 분말의 부피를 줄이고 구조적 안정성에 필요한 초기 입자 간 접촉점을 생성합니다.
기계적 강도 부여
이상적으로는 압축된 샘플이 몰드에서 제거되어 취급될 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다.
유압 프레스의 압력은 입자를 반강체 구조로 고정합니다. 이 그린 강도는 샘플이 최종 소결을 위해 냉간 등압 성형기(CIP)와 같은 다른 장비로 이송될 때 손상되지 않아야 하므로 중요합니다.
장비 사양의 역할
고경도 스테인리스강 몰드
몰드는 그린 바디의 정확한 형상과 표면 마감을 결정합니다.
고경도 스테인리스강은 변형 없이 상당한 압축력을 견딜 수 있도록 사용됩니다. 이는 결과 디스크가 일관된 직경과 두께를 유지하도록 보장하며, 이는 실험 재현성에 매우 중요합니다.
제어된 유압
실험실용 유압 프레스는 분말을 압축하는 데 필요한 힘을 제공하며, 종종 특정 압력(예: 2000 psi 또는 30 MPa)으로 작동합니다.
이러한 제어된 힘의 적용은 분말의 압축이 다양한 배치에 걸쳐 균일하고 반복 가능하도록 보장합니다.
절충점 이해
단축 밀도 구배
단단한 다이와 단축 프레스를 사용하는 일반적인 제한 사항은 밀도 변화입니다.
분말과 스테인리스강 몰드 벽 사이의 마찰은 디스크 가장자리가 중심보다 덜 밀집되게 만들 수 있습니다. 이 구배는 2차 공정으로 해결되지 않으면 최종 소결 중에 뒤틀림이나 균열을 유발할 수 있습니다.
투명도를 위한 불충분한 밀도
이 단계만으로는 투명 세라믹에 필요한 밀도를 거의 달성할 수 없다는 점을 인식하는 것이 중요합니다.
유압 프레스는 고체 모양을 만들지만 잔류 기공이 남습니다. 투명 YSZ에 필요한 광학적 선명도를 달성하려면 이 단계는 거의 항상 냉간 등압 성형(CIP) 및 고온 진공 소결을 통해 추가적인 기공을 제거해야 합니다.
목표에 맞는 선택
이 초기 성형 단계는 성공의 전제 조건이지만, 궁극적인 목표에 따라 초점이 달라집니다.
- 취급 및 안전이 주요 초점인 경우: 샘플이 이송 중이나 몰드 배출 중에 부서지지 않도록 유압이 그린 강도를 최대화하기에 충분한지 확인하십시오.
- 광학적 투명도가 주요 초점인 경우: 이 단계에서는 최대 압력보다 균일성을 우선시하십시오. 이 단계는 실제 소결을 위한 냉간 등압 성형기(CIP)에 맞는 모양을 만드는 데만 사용하십시오.
이 공정은 혼란스러운 분말을 규율된 형태로 변환하여 후속 엄격한 열처리 단계를 준비합니다.
요약 표:
| 특징 | YSZ 성형에서의 목적 | 주요 이점 |
|---|---|---|
| 장비 | 고경도 스테인리스강 몰드 | 정확한 형상을 보장하고 힘 하에서의 변형을 방지합니다. |
| 공정 | 단축 유압 프레스 | 분말을 디스크 모양의 '그린 바디'로 압축합니다. |
| 목표 | 입자 배열 | 공극을 줄이고 초기 입자 간 접촉을 설정합니다. |
| 결과 | 그린 강도 | 취급 및 추가 처리가 가능한 응집된 고체를 만듭니다. |
| 다음 단계 | 2차 소결 | 투명도를 달성하기 위해 CIP 및 진공 소결을 위한 샘플을 준비합니다. |
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참고문헌
- Marc Rubat du Merac, Olivier Guillon. Increasing Fracture Toughness and Transmittance of Transparent Ceramics using Functional Low-Thermal Expansion Coatings. DOI: 10.1038/s41598-018-33919-5
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