СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ.

В порошковой металлургии – спекание одна из основных операций, в процессе которой происходит превращение

брикета, спрессованного из порошка, в прочное монолитное тело. Несмотря на интенсивное развитие порошковой металлургии широкое использование спекания, явления и процессы, происходящие в пористой заготовке при нагреве,

до сих пор остаются предметом дискуссий в среде теоретиков и экспериментаторов.

Существует несколько школ, подходов к спеканию, объясняются те или иные факты, но общей стройной картины нет.

Это отчасти можно объяснить тем, что спекаются порошки разных металлов и при разных режимах. Среди ведущих специалистов можно назвать представителей Украины и СССР: Я. Е. Гегузина, Г. В. Самсонова, Б. Я. Пинеса, Я. И. Френкеля, В. А. Ивенсена.

Основными параметрами процесса спекания являются температура, скорость нагрева, среда, в которой он протекает.

Различают твердофазное и жидкофазное спекание.

Твердофазное спекание.Простейшая теория спеканияобычно рассматривает две сферы, между которыми происходит увеличениеконтактной поверхности и сближение частиц, т.е. усадка (рис.69).

Поверхностная диффузия происходит под действием разности термодинамических потенциалов на контактной поверхностии на свободных поверхностях. Наименее подвижны атомы на контактных участках, наиболее – на выступах и вершинах наружных углов. За счет диффузии увеличивается контактная поверхность, но уменьшаются общая поверхность и внутренняя энергия. Так как сближения между частицами нет, то должны образовываться поры или иначе – происходит их коагуляция. При этом запас энергии у атомов на поверхности крупных и мелких частиц не одинаков.

Б. Я. Пинес предложил следующий механизм объемной деформации частиц: вблизи поры радиуса r имеется повышенная концентрация вакансий на величину ∆С, которая определяется из соотношения:

где σ– поверхностное натяжение; V₀ – объем элементарной ячейки; С₀ – равновесная концентрация вакансий.

Так как имеется неравновесная концентрация вакансий, имеет место градиент,

приводящий к диффузионному оттоку вакансий от 7^* поверхности поры в объемы с меньшей их концентрацией. Обратный процесс – диффузия атомов, уменьшение порыи усадка частицы и материала в целом.

Я. Е. Гегузин предложил другой механизм уменьшения пор и усадки, если спекание происходит под внешним давлением, например при горячем формовании. Он учитывает основанное на идее о вязком течении кристаллических тел, вызванном направленным перемещением атомов или вакансий, указание Я. М. Френкеля на две стадии спекания:

- увеличение поверхности соприкосновения частиц до образования изолированных пор (рис. 70);

Рис. 69. Спекание двух сфер:

L – расстояние между центрами частиц; Рис. 70. Спекание трех частиц

Х – полуширина контактной шейки

- закрывание остаточных пор под действием сил поверхностного натяжения.

В процессе изотермического спекания текучесть вещества падает со временем, так как искажения решетки восстанавливаются.

В. А. Ивенсен предложил формулу, описывающую ход уплотнения при твердофазном спекании:

V=Vн (gmτ+1)^1/m,

где V – объем пор через время τ; V_н – объем пор в начальный момент;

g– относительная скорость уменьшения объема пор, выражаемая отношением:

;

m – характеристика интенсивности падения скорости сокращения объема пор во времени.

На графике (рис. 71) эти две стадии можно представить следующим образом.

Спекание при Т₁ происходит до тех пор, пока усадка не прекратится. Затем температура повышается до Т₂, при которой происходит уменьшение пористости и окончательное спекание (Т₂>Т₁).

Порошки с сильно развитой поверхностью и большой концентрацией дефектов уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, так как запас свободной энергии в единице массы порошка определяется не только размером зерна (дисперсностью), но, в значительной мере, и состоянием поверхности, степенью дефектности частиц. Затухание усадки связано с уменьшением свободной энергии порошкового тела.

Назовем факторы, оказывающие влияние на усадку:

1. С уменьшением размера частиц, увеличением степени дефектности и нерегулярностиих формы, повышением внешнего давления при прессовании (горячее прессование) усадка усиливается.

2. Спекание в восстановительной атмосфере способствует достижению большей плотности брикетов, чем при спекании в нейтральной среде.

3. Спекание в вакууме в большинстве случаев происходит при более низкой температуре и повышает плотность спеченной заготовки.

Спекание в присутствии жидкой фазы.Жидкая фаза при спекании образуется в результате расплавления более легкоплавкого компонента или за счет образования легкоплавкой эвтектики. Усадка в этом случае происходит под действием капиллярных сил. Графически она представлена на рис.72.

Рис.71. График усадки при спекании

Рис.72. Усадка заготовки при жидкофазном спекании:∆V – изменение объема; V_н – начальный объем

Весь процесс спекания и усадки можно разбить на 3 фазы:

- перегруппировка частиц;

- растворение частиц твердой фазы в жидкой, перенос их через жидкую фазу и осаждение вблизи участков контакта;

- образование твердого скелета и твердофазное спекание.

При спекании в присутствии жидкой фазы нужно строго выдерживать температурный интервал.

Конечно, представленные здесь механизмы спекания далеко не исчерпывают всей глубины теории спекания и возможных ее вариантов. Это является предметом специального изучения.

Процессы формования и спекания рассматриваются ниже на примере получения изделий из вольфрамо-медных псевдосплавов.