Procédé de fabrication des céramiques d'alumine
Les céramiques d'alumine présentent une bonne conductivité, une résistance mécanique élevée et une excellente tenue aux hautes températures. Un nettoyage par ultrasons est toutefois nécessaire. Grâce à leurs performances supérieures, les céramiques d'alumine sont largement utilisées et leurs applications dans la société moderne ne cessent de croître, répondant ainsi aux besoins du quotidien et à des applications spécifiques.
Les céramiques d'alumine sont divisées en deux catégories : les types de haute pureté et les types ordinaires.
La série de céramiques d'alumine de haute pureté (Al2O3) présente une teneur en matériau céramique supérieure à 99,9 %. Grâce à sa température de frittage élevée (1650-1990 °C) et à sa longueur d'onde de transmission de 1 à 6 μm, elle est généralement fabriquée à partir de verre fondu en remplacement du creuset en platine. Ses propriétés de transmission lumineuse et sa résistance à la corrosion par les métaux alcalins la rendent idéale pour la fabrication de tubes de lampes à sodium. Elle peut également être utilisée dans l'industrie électronique comme matériau d'isolation pour circuits imprimés et haute fréquence.
Les céramiques d'alumine ordinaires sont classées en porcelaines 99, 95, 90 et 85 selon leur teneur en Al₂O₃. Parfois, les céramiques d'alumine contenant 80 % ou 75 % d'Al₂O₃ sont également classées dans la série des céramiques d'alumine ordinaires. Les porcelaines d'alumine 99 servent à la fabrication de creusets haute température, de tubes réfractaires pour fours et de matériaux spéciaux résistants à l'usure, tels que les paliers, les joints et les pièces de vannes. Les porcelaines d'alumine 95 sont principalement utilisées pour la fabrication de pièces résistantes à la corrosion et à l'usure. Les porcelaines 85 sont souvent mélangées à du talc pour améliorer leurs propriétés électriques et leur résistance mécanique. Elles peuvent être étamées avec du molybdène, du niobium ou du tantale et sont parfois utilisées dans la fabrication d'appareils à vide électriques. La poudre d'oxyde d'aluminium est préparée selon les exigences des différents produits et les procédés de moulage. La taille des particules de la poudre est inférieure à 1 μm, si la fabrication de produits céramiques en alumine de haute pureté nécessite, en plus d'une pureté de l'alumine de 99,99 %, un broyage ultrafin et une distribution granulométrique uniforme.
Lors du moulage par extrusion ou par injection, il est nécessaire d'incorporer à la poudre des liants et des plastifiants, généralement des thermoplastiques ou des résines, dans une proportion massique de 10 à 30 %. Le liant organique doit être mélangé uniformément à la poudre d'alumine à une température de 150 à 200 °C afin de faciliter le moulage. Les matériaux en poudre obtenus par pressage à chaud ne nécessitent pas l'ajout de liant. En cas de moulage par pressage à sec semi-automatique ou automatique, la poudre doit être traitée selon des exigences particulières. Il est nécessaire d'utiliser une méthode de granulation par pulvérisation pour lui conférer une forme sphérique, ce qui améliore sa fluidité et facilite le remplissage automatique des parois du moule. De plus, afin de réduire le frottement entre la poudre et les parois du moule, il est nécessaire d'ajouter 1 à 2 % de lubrifiant, tel que de l'acide stéarique, et du liant PVA. Pour le moulage par pressage à sec, la granulation par pulvérisation de la poudre est requise, avec l'utilisation d'alcool polyvinylique comme liant.
Fountyl Technologies PTE Ltd a développé une cire de paraffine hydrosoluble destinée à servir de liant pour la granulation par pulvérisation d'Al₂O₃. Cette cire présente une excellente fluidité à chaud. La poudre obtenue après granulation par pulvérisation doit avoir une bonne fluidité, une faible densité et un angle d'écoulement inférieur à 30 °C. Un rapport granulométrique optimal permet d'obtenir une densité élevée du matériau de base.
Méthodes de mise en forme : les méthodes de mise en forme des produits en céramique d’alumine comprennent le pressage à sec, le coulis, l’extrusion, le pressage isostatique à froid, l’injection, le revêtement par rideau, le pressage à chaud et le pressage isostatique à chaud. Ces dernières années, des technologies de mise en forme par filtration sous pression, de moulage par injection à solidification directe, de moulage par injection de gel, de moulage par injection centrifuge et de moulage sans particules solides ont été développées en Chine et à l’étranger. Différentes formes, tailles, formes complexes et produits de précision nécessitent différentes méthodes de moulage.
Introduction au moulage commun
1. Moulage à sec : La technologie de moulage à sec de la céramique d'alumine est limitée aux objets de forme simple, d'une épaisseur de paroi interne supérieure à 1 mm et dont le rapport longueur/diamètre ne dépasse pas 4:1. Les méthodes de moulage sont uniaxiales ou bidirectionnelles. La presse peut être hydraulique ou mécanique, et fonctionner en mode semi-automatique ou automatique. La pression maximale est de 200 MPa. La cadence de production est de 15 à 50 pièces par minute. En raison de la pression uniforme exercée par la presse hydraulique, la hauteur des pièces moulées varie selon le taux de remplissage en poudre. La pression appliquée par la presse mécanique varie également en fonction de la quantité de poudre, ce qui peut entraîner des variations de retrait après frittage et affecter la qualité du produit. Par conséquent, une distribution uniforme des particules de poudre lors du moulage à sec est essentielle pour un remplissage optimal du moule. La précision du remplissage influe fortement sur la précision dimensionnelle des pièces en céramique d'alumine fabriquées. Les particules de poudre de plus de 60 μm, entre 60 et 200 mesh, peuvent obtenir l'effet de libre flux maximal, pour obtenir le meilleur effet de moulage sous pression.
2. Moulage par injection de coulis : le moulage par injection de coulis est la plus ancienne méthode de moulage utilisée pour les céramiques d'alumine. Grâce à l'utilisation d'un moule en plâtre, le coût est faible et il est facile de réaliser des pièces de grandes dimensions et de formes complexes. La préparation de la barbotine d'alumine est essentielle dans ce procédé. L'eau est généralement utilisée comme fondant, puis on ajoute un agent dégommant et un liant. Après broyage complet, les gaz sont évacués, puis la barbotine est coulée dans le moule en plâtre. L'absorption d'eau par les capillaires du moule permet la solidification de la barbotine. Lors du moulage par injection de coulis creux, l'excédent de barbotine doit être évacué lorsque l'épaisseur requise est atteinte au niveau de la barbotine adsorbée sur la paroi du moule. Afin de limiter le retrait, il est recommandé d'utiliser une barbotine aussi concentrée que possible. Des additifs organiques doivent être ajoutés à la suspension céramique d'alumine afin de former une double couche électrique à la surface des particules, assurant ainsi une suspension stable sans sédimentation. De plus, des liants tels que l'alcool vinylique, la méthylcellulose, l'alginate d'amine et des dispersants comme le polyacrylamide et la gomme arabique sont ajoutés pour rendre la suspension apte au moulage par injection. Blanche, jaune ou grise en présence d'impuretés, généralement du HfO₂, elle est difficile à séparer.
