Quá trình thiêu kết là gì?
Quá trình thiêu kết, còn được gọi là ‘frittage’, là quá trình hình thành một khối vật liệu rắn thông qua nhiệt và áp suất mà không bị nóng chảy đến mức hóa lỏng. Quá trình này liên quan đến các nguyên tử trong vật liệu khuếch tán qua các ranh giới hạt và hợp nhất với nhau thành một mảnh. Quá trình thiêu kết xảy ra tự nhiên trong các mỏ khoáng sản và được sử dụng như một quy trình sản xuất các vật liệu bao gồm gốm sứ, kim loại và nhựa.
Do nhiệt độ thiêu kết không đạt đến điểm nóng chảy của vật liệu nên nó thường được sử dụng cho các vật liệu có điểm nóng chảy cao, chẳng hạn như molypden và vonfram.
Luyện kim bột là nghiên cứu về quá trình thiêu kết sử dụng các quy trình liên quan đến bột.
Quá trình thiêu kết là gì?
Thiêu kết là một quá trình xử lý nhiệt trong đó vật liệu lỏng lẻo phải chịu nhiệt độ và áp suất cao để nén nó thành một mảnh rắn. Điều này tương tự như khi các viên đá dính vào nhau trong một cốc nước do chênh lệch nhiệt độ giữa đá và nước, hoặc khi bạn đẩy tuyết lại với nhau để tạo thành một quả cầu tuyết nhỏ gọn.
Nhiệt độ và áp suất cần thiết cho quá trình thiêu kết nhỏ hơn điểm nóng chảy của vật liệu.
Làm thế nào nó hoạt động?
Giống như một vật liệu có điểm nóng chảy, nó cũng sẽ có điểm thiêu kết mong muốn, tại đó nhiệt độ và áp suất đủ để giảm khoảng trống giữa các hạt của vật liệu và ép các vật liệu lỏng lẻo lại với nhau thành một khối rắn.
Việc sử dụng áp suất và nhiệt này diễn ra một cách tự nhiên trong các mỏ khoáng sản trong Trái đất cũng như trong các thành tạo băng hà.
Quá trình thiêu kết được sử dụng để tăng các tính chất của vật liệu, bao gồm tính dẫn nhiệt và dẫn điện, độ bền và tính toàn vẹn của vật liệu cũng như độ trong mờ.
Có một số loại thiêu kết, tùy thuộc vào vật liệu được nối hoặc quá trình thiêu kết cụ thể, như sau:
Thiêu kết gốm
Quá trình thiêu kết được sử dụng trong sản xuất đồ gốm bao gồm cả đồ gốm. Bởi vì một số nguyên liệu gốm có chỉ số dẻo và ái lực với nước thấp hơn đất sét, nên chúng cần thêm các chất phụ gia hữu cơ trước khi thiêu kết. Quá trình này có liên quan đến sự co rút của vật liệu khi các pha thủy tinh chảy ra sau khi đạt đến nhiệt độ chuyển tiếp và cấu trúc dạng bột của vật liệu được củng cố, làm giảm độ xốp của vật liệu. Quá trình này được thúc đẩy thông qua việc sử dụng nhiệt độ cao, mặc dù điều này có thể được kết hợp với các lực khác như áp suất hoặc dòng điện. Áp suất là yếu tố bổ sung phổ biến nhất, mặc dù ‘sự thiêu kết không áp lực’ có thể thực hiện được với vật liệu tổng hợp gốm-kim loại được phân loại cùng với chất hỗ trợ thiêu kết hạt nano và công nghệ đúc khối. ép đẳng tĩnh nóng là một biến thể của quá trình thiêu kết được sử dụng để tạo hình dạng 3D.
Thiêu kết bột kim loại
Hầu hết các kim loại có thể được thiêu kết, đặc biệt là kim loại nguyên chất trong chân không, nơi không thể xảy ra nhiễm bẩn bề mặt. Khi thiêu kết bột kim loại, chẳng hạn như bột sắt, nên sử dụng khí bảo vệ dưới áp suất khí quyển. Quá trình thiêu kết có thể làm giảm thể tích tổng thể của vật liệu khi mật độ tăng lên và vật liệu lấp đầy khoảng trống trước khi giai đoạn cuối nhìn thấy các nguyên tử kim loại di chuyển dọc theo ranh giới tinh thể và làm phẳng các lỗ rỗng do sức căng bề mặt. Thiêu kết trạng thái lỏng là khi ít nhất một (nhưng không phải tất cả) vật liệu ở trạng thái lỏng. Vẫn được coi là luyện kim bột, kỹ thuật này được sử dụng để sản xuất cacbua vonfram và cacbua xi măng. Bột kim loại thiêu kết được sử dụng cho nhiều ứng dụng từ chế tạo vòng bi và đồ trang sức đến ống dẫn nhiệt và thậm chí cả vỏ súng ngắn.
thiêu kết nhựa
Các mặt hàng nhựa cần độ xốp vật liệu cụ thể được hình thành bằng cách thiêu kết, bao gồm các ứng dụng như bộ phận lọc và kiểm soát dòng chảy của chất lỏng và khí. Các ứng dụng khác cho nhựa thiêu kết bao gồm bộ lọc ống hít, lớp lót trên vật liệu đóng gói và ngòi bút viết bảng trắng. Nhựa thiêu kết cũng được sử dụng làm vật liệu cơ bản trong ván trượt và ván trượt tuyết.
Thiêu kết pha lỏng
Quá trình này được sử dụng cho các vật liệu khó thiêu kết. Quá trình thiêu kết pha lỏng liên quan đến việc bổ sung chất phụ gia vào bột được thiêu kết. Chất phụ gia này tan chảy và chất lỏng được kéo vào các lỗ rỗng và làm cho các hạt được sắp xếp lại thành một cách sắp xếp đóng gói thuận lợi hơn. Ở những nơi áp suất mao dẫn cao và các hạt ở gần nhau, các nguyên tử đi vào dung dịch và kết tủa vào những vùng có tiềm năng hóa học thấp hơn trong hiện tượng được gọi là ‘làm phẳng tiếp xúc’. Điều này tương tự như sự khuếch tán ranh giới hạt trong quá trình thiêu kết trạng thái rắn. Để có hiệu quả, chất phụ gia cần phải tan chảy trước khi quá trình thiêu kết xảy ra.
Thiêu kết pha lỏng vĩnh viễn
Quá trình này tương tự như quá trình thiêu kết pha lỏng thông thường, ngoại trừ nó thúc đẩy hiện tượng mao dẫn để hút chất lỏng vào các lỗ mở dẫn đến chuyển động của hạt và cải thiện khả năng đóng gói.
Thiêu kết pha lỏng thoáng qua (TLPS)
Quá trình hình thành vật liệu khối này được sử dụng cho gốm sứ, kim loại và vật liệu gốm ma trận kim loại. Những vật liệu này cần hòa tan lẫn nhau với chất lỏng làm ướt chất rắn và tạo ra tốc độ khuếch tán cao.
Thiêu kết hỗ trợ dòng điện
Được cấp bằng sáng chế lần đầu tiên vào năm 1906 bởi AG Bloxam, quy trình này sử dụng dòng điện để điều khiển hoặc tăng cường quá trình thiêu kết. Quá trình này đã được phát triển hơn nữa trong những năm sau đó, bao gồm cả việc kết hợp dòng điện với áp suất, được phát hiện là có lợi cho việc thiêu kết các kim loại chịu lửa và bột nitrua dẫn điện và cacbua. Đã có hơn 640 bằng sáng chế liên quan đến thiêu kết dòng điện kể từ năm 1906, bao gồm cả thiêu kết điện trở (còn gọi là ép nóng).
Tia lửa plasma thiêu kết
Loại thiêu kết này sử dụng áp suất và điện trường để tăng cường mật độ của bột gốm và kim loại. Bằng cách sử dụng điện trường và ép nóng để cải thiện quá trình cô đặc, quy trình này cho phép nhiệt độ thiêu kết thấp hơn và ít thời gian hơn cho quy trình. Tuy nhiên, cái tên này hơi gây hiểu lầm vì nghiên cứu cho thấy rằng không có plasma được sử dụng và vì vậy các tên thay thế như Kỹ thuật thiêu kết có hỗ trợ tại hiện trường (FAST), thiêu kết có hỗ trợ điện trường (EFAS) và thiêu kết trực tiếp bằng dòng điện (DCS) đã được đưa vào sử dụng.
Rèn điện thiêu kết
Công nghệ thiêu kết có hỗ trợ dòng điện này được sử dụng để sản xuất vật liệu tổng hợp nền kim loại kim cương và có nguồn gốc từ quá trình thiêu kết phóng điện tụ điện. Quá trình này đang được nghiên cứu để sử dụng với nhiều loại kim loại và được đặc trưng bởi thời gian thiêu kết thấp.
Thiêu kết không áp lực
Như đã đề cập ở trên, kỹ thuật này liên quan đến quá trình thiêu kết mà không sử dụng áp suất tác dụng, do đó tránh được sự thay đổi mật độ trong sản phẩm cuối cùng. Bột nén gốm có thể được tạo ra thông qua ép đẳng tĩnh lạnh, ép phun hoặc đúc trượt, sau đó chúng được thiêu kết trước và gia công thành hình dạng cuối cùng trước khi gia nhiệt. Có ba kỹ thuật gia nhiệt khác nhau để thiêu kết không áp suất – gia nhiệt với tốc độ không đổi (CRH), thiêu kết có kiểm soát tốc độ (RCS) và thiêu kết hai bước (TSS). Cấu trúc vi mô và kích thước hạt gốm sẽ khác nhau tùy thuộc vào vật liệu và kỹ thuật được sử dụng.
Lò vi sóng thiêu kết
Quá trình này có thể được sử dụng để tạo ra nhiệt bên trong vật liệu thay vì xuyên qua bề mặt từ nguồn nhiệt bên ngoài. Nó phù hợp với tải nhỏ, nơi nó có thể cung cấp nhiệt nhanh hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn và cải thiện các đặc tính của sản phẩm. Tuy nhiên, vì quá trình thiêu kết bằng vi sóng thường chỉ thiêu kết một lần nhỏ gọn, nên năng suất tổng thể có thể kém nếu cần nhiều hơn. Ngoài ra, vì vi sóng chỉ xuyên qua một khoảng cách ngắn đối với các vật liệu có độ dẫn điện cao và độ thấm cao, nên bột phải có kích thước hạt tương tự như độ sâu thâm nhập của vi sóng trong vật liệu cụ thể đó. Ngoài ra, một số vật liệu không kết hợp được và những vật liệu khác có thể thể hiện hành vi chạy trốn. Bởi vì quá trình và phản ứng phụ nhanh hơn nhiều lần với quá trình thiêu kết bằng vi sóng nên có thể có các tính chất khác nhau đối với sản phẩm thiêu kết cuối cùng. Bất chấp những hạn chế, kỹ thuật này khá hiệu quả để duy trì kích thước hạt mịn trong gốm sinh học.
Thuận lợi
Mặc dù các phương pháp và vật liệu khác nhau mang lại nhiều lợi ích, nhưng có một số lợi thế chung liên quan đến quá trình thiêu kết:
- Độ tinh khiết : Quá trình thiêu kết mang lại độ tinh khiết và tính đồng nhất cao trong nguyên liệu ban đầu, có thể được duy trì do quy trình chế tạo đơn giản
- Có thể lặp lại : Kiểm soát kích thước hạt trong quá trình nhập liệu cho phép các hoạt động có tính lặp lại cao
- Không có tiếp xúc / bao thể liên kết : Không giống như một số quy trình nóng chảy, quá trình thiêu kết sẽ không gây ra sự tiếp xúc liên kết giữa các hạt hoặc tạp chất dạng bột (hay còn gọi là ‘xâu chuỗi’)
- Độ xốp đồng nhất : Tạo vật liệu có độ xốp đồng nhất, được kiểm soát
- Các vật thể gần như hình lưới : Quá trình thiêu kết có thể tạo ra các vật thể gần như hình lưới
- Vật liệu cường độ cao : Quá trình thiêu kết có thể tạo ra các vật phẩm có độ bền cao như cánh tuabin
- Độ bền xử lý cơ học cao : Quá trình thiêu kết cải thiện độ bền cơ học để xử lý
- Làm việc với các vật liệu khó : Thiêu kết cho phép bạn làm việc với các vật liệu không thể sử dụng với các công nghệ khác, chẳng hạn như kim loại có điểm nóng chảy rất cao
Nó được sử dụng ở đâu?
Bởi vì quá trình thiêu kết có thể tăng cường các tính chất của vật liệu như tính dẫn điện và nhiệt, độ bền và độ trong mờ nên nó được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng. Quá trình tạo ra các bộ phận kim loại bằng cách ép bột đã có từ nhiều thế kỷ trước và đã được sử dụng để chế tạo các vật dụng từ hầu hết mọi loại gốm hoặc kim loại.
Các ứng dụng hiện đại bao gồm tạo ra các bộ phận thép kết cấu, kim loại xốp để lọc, dây vonfram, vòng bi tự bôi trơn, vật liệu từ tính, tiếp điểm điện, sản phẩm nha khoa, sản phẩm y tế, dụng cụ cắt,…
CÔNG TY CỔ PHẦN DIMEC
Hotline: 0966.92.0404
Email: info@dimec.vn
Website: dimec.vn
Trụ sở chính: Số 285 Phúc Lợi, P. Phúc Lợi, Q. Long Biên, TP. Hà Nội
CN Đà Nẵng: Lô 11, Khu A4, đường Nguyễn Sinh Sắc, P. Hòa
