620211 Introduction to Ceramic Engineering

Nutthita Chuankrerkkul

4 February 2011

2

- การขึ้นรปูโดยอาศัยความเหนียว- Throwing- Jiggering- Extrusion- Powder injection moulding

- การหลอแบบ (slip casting)- การหลอเทป (tape casting)

ทบทวน กระบวนการผลิตเซรามิก

3

ทบทวน กระบวนการผลิตเซรามิก

Four categories of shaping processes used for traditional ceramics, compared to water content and pressure required to form the clay

M. P. Groover 2011 Principles of Modern Manufacturing

4

5

หัวขอในการบรรยาย

การผลิตเซรามิกโดยการอัดแบบuniaxial die pressing, isostatic pressing (CIP, HIP)

การทําผงแหงโดยวิธีพนฝอย (Spray drying)Bayer procesตัวอยางผลิตภัณฑเซรามิกการวิเคราะหและการทดสอบสมบัติ

6

กิจกรรม

7http://www.chec.kt.dtu.dk/Research/Chemical Product Design/Particle technology/Research.aspx

การอบแหงแบบพนฝอย

Spray drying การอบแหงแบบพนฝอยเปนกระบวนการผลิตผงวัสดทุี่ประหยดั ทําไดอยางตอเนื่อง ไดผงในปริมาณมากและมีขนาดคอนขางสม่ําเสมอ ไดผงวัสดุที่มรีูปทรงคอนขางกลม

เหมาะกับการนําไปอัดแบบ เกิดจากการพน สเลอรี – slurry (ของผสมที่มีลักษณะเปนสารแขวนลอยที่ผสมอยูในตวักลางที่เปนของเหลว) เขาไปในหองอบที่มีการเปาอากาศรอน

8http://www.ceramic.lpru.ac.th/files/chap 1.ppt

เครื่องอบแหงแบบพนฝอยการทํางานของเครื่อง

เมือ่สเลอรีถูกปมดวยแรงดันเขาไปในเครื่องทําละออง จะถูกเรงใหออกมาจากเครื่องทําละอองโดยแตกเปนละอองเล็กๆ และเมือ่สัมผสักับอากาศรอนในหองอบ จะทาํใหของเหลวระเหยออกอยางรวดเร็ว

เครื่องปมน้ําดินดิน

เครื่องปมน้ําดิน

เครื่องทําลมรอน

เครื่องทําลมรอน

หัวพนน้ําดินใหเปนฝอย

หัวพนน้ําดินใหเปนฝอย

ถังเก็บดินผง

ถังอบแหง

ดินผงดินผงถังเก็บดินผง

Co-current Mixed-flow

9

SEM micrograph of smooth, round, dense granules ofalumina

Spray dried granules

SEM micrograph of zinc oxide granules having a “donut” shape

James S Reed 1998, Principles of Ceramic Processing

High temperatureHigh binder content solidsLow solids loading

10

การอัดขึ้นรูปแบบทิศทางเดียว

http://www.metroceramics.com

VDO

Pressing

http://www.youtube.com/watch?v=6O3FQ7SI6Yc

http://www.youtube.com/watch?v=_0wd8sgNIOg

Die pressing (0.42)

Advanced Powder Products pressing of aluminum annular (1.06)

http://www.youtube.com/watch?v=-6UHfRXLwGI

Ceramic tiles and how they are made by Ceratec (6.00)

12

การอัดขึ้นรูปแบบทิศทางเดียวUniaxial pressing

ประกอบดวย 3 ขั้นตอน คือ1) Die filling2) Compaction3) “Green” compact part

ejection and removalGreen = unsintered powder compact

13

ปจจัยที่มีผลตอการขึ้นรูปดวยการอัด (๑)• ความชื้นผงดิน ถาความชื้นสูงเกินไปจะทําใหผงดินติด

หนาโมลด สําหรบัผงดินที่มีความชื้นต่ําเกินไปจะเกิดปญหามุมยุย มุมบิ่นงาย และเกิด Lamination ไดงายกวา

• Grain size distribution สงผลตอการpack ตวัของgreen tile ถา การกระจายตัวของผงดินไมเหมาะสมจะทําใหคาdensity ของ green tile เปลี่ยนแปลงไปสงผลตอการหดตัวของกระเบื้องหลังเผา

http://www.thaiceramicsociety.com/pc_press_feature.php

14

ปจจัยที่มีผลตอการขึ้นรูปดวยการอัด (๒)

• Pressing pressure ถา pressure สงูจะสงผลใหgreen tile มี density สูง การหดตัวหลังเผาจะมีคาต่ํา ในทางตรงขามถา pressure ต่าํจะสงผลให density ต่ําลง

• การออกแบบโมลด ทําใหความหนาแนนของ green tile ในแตละจุดไมเทากัน สงผลใหมีการหดตัวไมเทากัน ทําใหเกิดกระเบื้องราวไดในขณะอบแหง

http://www.thaiceramicsociety.com/pc_press_feature.php

15

Bayer Process

http://www.sherwinalumina.com/process/default.aspx

1) การบด/ผสม บดแรบอกไซตใหมีขนาดเล็กลง ผสมกับ NaOH

2) การยอย ทําปฏกิิริยาที่อุณหภูมิและความดันสูง เกิด NaAlO2+ สิ่งเจือปน

3) การทาํใหใส สิ่งเจือปนที่เปน red mud ถูกแยกออก

4) การตกตะกอน สารละลายอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด กลายเปนของแข็งสีขาว

5)การเผาไลน้ํา ตะกอนถูกเผา ที่ ~ 1150 oC กลายเปน Al2O3 + H2O(ไอน้ํา)

http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=bayer_process

16

Pycnometer

17

Cold Isostatic Pressingการอัดขึ้นรูปแบบความดันทุกทิศทาง แบงออกเปน 2 ชนิด

1. ชนิดแมแบบสัมผัสกับของเหลวที่สงผานแรงดัน(wet bag isostatic presing)2. ชนิดแมแบบไมสัมผัสกับของเหลวที่สงผานแรงดัน(dry bag isostatic presing)

18

Cold Isostatic Pressing

ขอดี - ไดชิ้นงานที่มีความหนาแนนสม่ําเสมอ- คาใชจายในการผลิต ไมแพงมากนัก- สามารถนําชิ้นงานที่ผานการขึ้นรูปแลว มาอัดเพิม่ความหนาแนนได

ขอจํากัด - อัตราการผลิตคอนขางต่ําความสมบูรณของชิ้นงานจาก wet bag > dry bag

19

Hot Isostatic Pressingการอัดความดันทุกทิศทางแบบรอน ใชกาซเปนตัวกลางสงผานแรง

อัดดวยความดัน (~ 100-300 MPa) ที่เทากันจากทุกทิศทางภายใตอณุหภูมิสูง

ทําใหเกิดพันธะระหวางอนุภาค และลดชองวางระหวางอนุภาคของวสัดุ เกิดผลิตภัณฑที่มีความหนาแนนสูงและสม่ําเสมอ

ใชสําหรับการขึ้นรูปวสัดุผง และชิ้นสวนทางวิศวกรรมสมยัใหม

20

Ceramic Armour

http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=3658

VDO

Powder processing

http://www.youtube.com/watch?v=ET_YJvWQVoA

http://www.youtube.com/watch?v=DIT7UILed1o

British Ceramic Tile - Factory Video (4.35)

Ceramic Armor Used for Batman's Suit – Ceradyne (3.01)

Boron Carbide - HP

22

Process Advantages Limitations

Slip casting Large parts, complex shapes; low equipment cost.

Low production rate; limited dimensional accuracy.

Extrusion Parts have constant cross section; limited thickness.

Dry pressing Close tolerances; high production rate with automation.

Hollow shapes and small diameters; high production rate.

Density variation in parts with high length todiameter ratios; dies require high abrasivewear resistance; equipment can be costly.

Isostatic pressing Uniform density distribution. Equipment can be costly.

Jiggering High production rate with automation; low tooling cost.

Limited to axisymmetric parts;

Powder injection molding

Complex shapes; high production rate. Tooling can be costly.

กระบวนการผลิตเซรามิก

23

http://www.mne.eng.psu.ac.th/staff/lek_files/ceramic/home.htm237-341 ENGINEERING CERAMICSเนื้อหา

CHAPTER 1 บทนํา กระบวนการเซรามิก และผลิตภัณฑ ตลอดจนการจัดแบงประเภทCHAPTER 2 วัตถุดิบจากแหลงธรรมชาติ และการสงัเคราะหCHAPTER 3 เคมีพื้นผิว และสารเติมของกระบวนการCHAPTER 4 กลศาสตรของอนุภาค และวิทยากระแสCHAPTER 5 กระบวนการลดขนาด การผสม การแยก การลาง และการทาํเปนเม็ดCHAPTER 6 กระบวนการขึ้นรูปเซรามิกดวยวิธีตางๆCHAPTER 7 กระบวนการทําใหแหงและเผาCHAPTER 8 ผลกระทบตอสมบัติของเซรามิกCHAPTER 9 การวิเคราะหสมบัติตางๆของเซรามิกCHAPTER 10 การประยุกตใช