Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ѕути движени€ атомов и эффекты спекани€




»сточники избыточных вакансий —токи избыточных вакансий Ёффекты объемной диффузии
¬огнутые поверхности Ђшеекї   “о же   ѕоверхность сферических пор   “о же   √раницы зерен ¬ыпуклые поверхности частиц   √раницы зерен   ѕоверхность более крупных пор   √раницы зерен   √раницы зерен –ост Ђшеекї, сфероидизаци€ пор   “о же и усадка пор   ”крупнение (коалесценци€) пор   ”крупнение и усадка пор   –ост Ђшеекї, усадка пор

 

¬€зкое течение

¬ середине прошлого века я.». ‘ренкель обосновал механизм в€зкого течени€, решив задачи о сли€нии двух соприкасающихс€ порошинок и заплывании изолированной поры. ќн исходил из того, что существует аналоги€ между в€зким течением аморфных тел и кристаллических веществ. » в том, и в другом случае в€зкое течение представл€ет собой процесс непороговой ползучести, –азличие в том, что у аморфных тел в процессе ползучести происходит кооперативное перемещение атомов, определ€емое в€зкостью, а у порошковых кристаллических тел атомы перемещаютс€ скачкообразно под вли€нием капилл€рного давлени€ или различи€ напр€жений в объеме порошкового тела. ƒл€ оценки роста контакта на первых стади€х спекани€ я.». ‘ренкель предложил формулу (рис. 4.3а):

 

х2о = (3/2) (γ/η)τ, (4.10)

где ао Ц начальный размер сферической частицы; η Ц коэффициент в€зкости. ƒл€ полного сли€ни€ двух контактирующих частиц необходимо врем€ τп

 

τп = (2/3) (η / γ) ао. (4.11)

 

Ќа рис. 4.4 показано сли€ние двух сфер в режиме в€зкого течени€.

ƒл€ полного заплывани€ изолированной сферической поры начального радиуса ro, необходимо врем€

 

τп = (4/3) (η / γ) ro. (4.12)

 

–адиус r такой поры в процессе изотермической выдержки равен

 

r = ro - (3/4) (γ/η)τ. (4.13)

 

Ќа рис. 4.5 показаны этапы заполнени€ поры веществом.

 

 

–ис. 4.4. —ли€ние двух сфер в режиме в€зкого сечени€

 

ƒиффузионна€ ползучесть (крип) представл€ет собой направленное перемещение вакансий от поверхности, где приложено давление, к свободным поверхност€м и соответственно обратное движение атомов. —вободными поверхност€ми €вл€ютс€ внешние границы порошкового тела, границы зерен и блоков. ¬€зкое течение кристаллических тел при малых нагрузках и диффузионное перераспределение вещества за счет градиента химического потенциала идентичные процессы, в основе которых лежит вакансионный механизм. ¬ процессе изотермического спекани€ сначала наблюдаетс€ повышенна€ текучесть вещества, но со временем она уменьшаетс€. Ёто €вл€етс€ следствием высокой концентрации дефектов кристаллической решетки в начале спекани€ и последующего восстановлени€ искажений решетки. ¬ соответствии с этим скорость усадки при изотермическом спекании, св€занна€ с объемным деформированием частиц и затеканием вещества в поры также замедл€етс€.

 

 

–ис. 4.5. «алечивание поры в режиме в€зкого течени€

 

¬ зарубежных публикаци€х прин€то различать три стадии спекани€ Ц начальную, промежуточную и конечную, при этом изотермический рост отношени€ ’/D на начальной стадии спекани€ оцениваетс€ по формуле:

 

(’/D)n = Bt / Dm, (4.14)

 

где ’ Ц диаметр контактного сечени€; D Ц диаметр частиц; t Ц врем€; B, n, m Ц коэффициенты, смысл и значени€ которых дл€ различных механизмов массопереноса приведены в табл. 4.2.

“аблица 4.2

«начени€ коэффициентов уравнени€ (4.14)

ћеханизм массопереноса n m B
ѕоверхностна€ диффузи€ »спарение-конденсаци€ ƒиффузи€ по границам ќбъемна€ диффузи€ ¬€зкое течение ѕластичное течение 7 3 6 5 2 2 4 2 4 3 1 1 56DsγΩ4/3 /(kT) (3–γ/θ2)(π/2)1/2(ћ/kT)3/2 20δDbγΩ /(kT) 80DvγΩ(kT) 3γ/2η 9 π γ b Dv/(kT)

¬ таблице прин€ты следующие обозначени€: γ Ц поверхностна€ энерги€; η Ц в€зкость; b Ц вектор Ѕюргерса; k Ц посто€нна€ Ѕольцмана; “ Ц абсолютна€ температура; θ Ц теоретическа€ плотность; δ Ц ширина границы зерна; Dv Ц коэффициент объемной диффузии; Ds ‑ коэффициент поверхностной диффузии; Db ‑ коэффициент пограничной диффузии; – Ц давление пара; ћ Ц молекул€рна€ масса; Ω Ц атомный объем.

Ќа рис. 4.6 в схематичном виде показано последовательное развитие процесса спекани€, начина€ от состо€ни€ свободной засыпки порошка и до окончательно спеченного порошкового материала. Ќачальна€ стади€ характерна возникновением Ђшеекї и наличием большого объема остроугольных пор. Ќа промежуточной стадии число Ђшеекї и поверхность контактов возрастает, а объем пор уменьшаетс€, причем поры станов€тс€ более округлыми. ¬ конце спекани€ в структуре материала видны мелкие изолированные округлые поры и развитые межчастичные границы. ѕрисутствуют также более крупные частицы по сравнению с исходными.

 

 

–ис. 4.6. ѕостадийное развитие процесса спекани€

 

–екристаллизаци€ частиц

¬ процессе спекани€ происходит укрупнение частиц, которое называют рекристаллизацией. явление рекристаллизации в порошковом материале происходит в результате переноса вещества путем перемещени€ атомов через межчастичную границу. “акое перемещение направлено в сторону частиц с меньшей величиной свободной энергии, которыми €вл€ютс€ более крупные частицы. “аким образом, происходит поглощение мелких частиц более крупными. ”становлено правило, по которому кристаллы (частицы), имеющие 6 граней и более, будут расти, а частицы, имеющие менее 6 граней, будут уменьшатьс€ в размере вплоть до полного исчезновени€. „астицы с числом граней 6 и более образуют в сечении вогнутые границы, а частицы, имеющие менее 6 граней выпуклые границы (рис. 4.7).

 

–ис. 4.7. —хема роста частиц при нагреве порошкового тела

(стрелки указывают направление движени€ границ)

 

—корость роста частиц можно оценить по формуле

 

d - do = Kτ0,5, (4.15)

 

где do Ц линейный размер частицы до начала роста; d Ц размер частицы, выросшей за врем€ τ;   Ц коэффициент, учитывающий природу материала.

— ростом межчастичных контактов границы зерен получают возможность прорастать из одной частицы в другую. Ётот процесс называют межчастичной собирательной рекристаллизацией. ѕоры и посторонние включени€ (оксидные пленки, межкристаллитное вещество и др.) тормоз€т движение границ, поэтому рост зерен продолжаетс€ не до образовани€ монокристалла, а останавливаетс€ на некотором среднем размере.

 роме межчастичной собирательной рекристаллизации, в процессе спекани€ происходит и рекристаллизаци€ обработки, св€занна€ с процессом роста деформированных перед спеканием зерен. ќднако у пористых тел рекристаллизаци€ обработки про€вл€етс€ в меньшей степени, чем у плотных (литых) материалов. Ёто объ€сн€ют тем, что в пористом теле претерпевают деформацию преимущественно участки контактов частиц, тогда как внутри частиц напр€жени€ существенно не измен€ютс€.

–екристаллизаци€ в пористых заготовках имеет несколько фаз. ѕоверхностна€ и объемна€ рекристаллизаци€ начинаетс€ при 0,3-0,45 “пл. —обирательна€ межчастична€ рекристаллизаци€ начинаетс€ при 0,45 “пл и особенно интенсивно проходит при 0,75 Ц 0,85 “пл. ћежчастична€ собирательна€ рекристаллизаци€ завершает построение структуры порошкового тела, начатое процессами прессовани€ и спекани€.

 

”плотнение порошкового тела

ѕеред спеканием порошкова€ формовка обладает значительной пористостью. ¬о врем€ спекани€ обычно происходит сокращение объема и числа пор (усадка), что приводит к уплотнению спекаемого тела. ќднако нагрев формовок до 100 Ц 150о— в начале спекани€ обычно сопровождаетс€ не уменьшением, а увеличением их объема. Ёто происходит в св€зи с тем, что удаление паров воды и газов, испарение или выгорание св€зок и св€зующих сопровождаютс€ релаксацией упругих напр€жений. ѕри этом происходит уменьшение суммарной площади межчастичных контактов и рост объема формовки. ѕри дальнейшем повышении температуры до 0,4 Ц 0,5“пл релаксаци€ напр€жений заканчиваетс€, пленки оксидов восстанавливаютс€, смазки и св€зующие выгорают. ¬ результате неметаллические контакты между частицами замен€ютс€ металлическими, и увеличиваетс€ их площадь. «аключительна€ стади€ спекани€ протекает при температуре 0,7 Ц 0,9 “пл металлического порошка. Ќа этой стадии завершаютс€ все процессы, сопровождающие нагрев Ч расширение и упрочнение металлических контактов между частицами, сфероидизаци€ и коалесценци€ пор, рекристаллизаци€.

’арактерной особенностью усадки €вл€етс€ замедление ее скорости при изотермической выдержке (рис. 4.8). ќбщий вид аналитических кривых изотермической объемной усадки ΔV/V может быть выражен степенной функцией

 

ΔV/V =  τ0,5, (4.16)

 

где V и ΔV Ц соответственно текущий объем пор и его изменение в рассматриваемый момент изотермической выдержки τ;   Ц константа. ѕри изотермическом спекании любых металлических порошков снижение скорости сокращени€ объема пор св€зано с уменьшением их объема. ќтношение скоростей сокращени€ объема пор в произвольные моменты времени τ1 и τ2 дл€ данного процесса изотермического спекани€ равно

 

(dV/dτ)1/(dV/dτ)2 = (V1/V2)n, (4.17)

 

где V1 и V2 Ц суммарные объемы пор в моменты времени τ1 и τ2 соответственно. ”словие (4.17) при посто€нном значении коэффициента n выдерживаетс€ на прот€жении всего процесса спекани€ как в начале, при быстром сокращении пор, так и в конце, при замедлении усадки. ’арактерно, что эта закономерность справедлива дл€ разных металлических порошков и при любых способах получени€. »з соотношени€ (4.17) получено уравнение кинетики изменени€ пористости

 

V = Vн (qmτ + 1)-1/m, (4.18)

 

где V Ц объем пор через врем€ τ; Vн Ц начальный объем пор; q и m Ц константы.

 

  –ис. 4.8. »зменение относительной плотности формовок никел€ (цифры у кривых ‑ температура изотермического спекани€)   –ис. 4.9. ”садка при 600о—; б Ц 740о—; в Ц 880о

 

≈сли после длительного изотермического спекани€, когда усадка уже почти прекратилась, повысить температуру, то скорость усадки возрастет и она продолжитс€ (рис. 4.9).

 аждый новый подъем температуры приводит к интенсификации процесса усадки.

 

¬ли€ние технологических факторов на процесс спекани€ и свойства порошковых тел

»сходные порошки

— увеличением дисперсности порошка процесс спекани€ формовок ускор€етс€. »нтенсификации спекани€ способствуют оксиды, содержащиес€ на поверхности дисперсных частиц и восстанавливающиес€ при нагреве. ”становлено, что на поверхности дисперсных порошков железа, меди, молибдена имеютс€ оксидные пленки толщиной 40-60 нм. √убчата€ поверхность, остающа€с€ после восстановлени€ оксидной пленки, активней, чем поверхность изначально свободна€ от оксидов. Ѕолее толстые оксидные пленки на поверхности крупных частиц затрудн€ют металлизацию межчастичных контактов и могут тормозить процесс спекани€. Ќаличие поверхностных дефектов и микропор с малым радиусом кривизны на стыках частиц активирует усадку. ”садка при спекании уменьшаетс€, если исходный порошок или формовка подвергаетс€ предварительному отжигу, который, как правило, сглаживает рельеф поверхности и устран€ет поверхностные дефекты.

 

–ис. 4.10. Ћинейна€ усадка формовок из медных порошков при

изотермическом спекании (1000 о—): 1 Ц активный порошок;

2 Ц порошок, отожженный при 600 о—;

3 Ц порошок, отожженный при 1000 о

 

Ќа рис. 4.10. представлены значени€ линейной усадки ε формовок из медных порошков, спеченных при 1000 о—. ‘ормовки получены из активного порошка и порошка, дезактивированного предварительным отжигом.

ƒавление формовани€

ѕри повышении давлени€ формовани€ и увеличении исходной плотности формовок их линейна€ и объемна€ усадки при спекании уменьшаютс€. ќдна из причин этого в том, что чем выше плотность порошкового тела, тем выше его коэффициент в€зкости, а в€зкость затрудн€ет усадку. ƒруга€ возможна€ причина Ц посто€нство отношени€ объема пор в нагреваемом теле до и после спекани€ (Vс/Vп = const). ѕределы давлений прессовани€, в которых наблюдаетс€ посто€нство Vс/Vп, завис€т от пластичности металла. ”величение давлени€ формовани€ приводит к повышению механических свойств спеченных порошковых изделий.

≈сли плотность формовки неодинакова по высоте, то после спекани€ можно наблюдать типичный дефект, который называют Ђтали€ї (рис. 4.11).

 

–ис. 4.11. ”садка при спекании у разных формовок

 

Ќа этом рисунке, заимствованном из американского учебника, сопоставл€ютс€ две формовки. ‘ормовка в левой части рисунка получена прессованием порошка в форме. ” такой формовки неодинакова€ плотность по высоте, что вызывает повышенную усадку в средней части формовки и по€вление Ђталииї при спекани€. ‘ормовка справа получена методом инжекционного формовани€ из дисперсного порошка с размером частиц около 10 мкм. Ёта формовка отличаетс€ однородной плотностью в исходном состо€нии и не имеет дефекта после спекани€.

“емпература спекани€

— повышением температуры спекани€ плотность порошковых изделий возрастает (рис. 4.8).

 

 

–ис. 4.12. ћикроструктура формовок из порошка нержавеющей стали,

спеченных при разной температуре: а Ц 1000о—; b Ц 1100о—;

с ‑ 1200о—; d Ц 1260о—; е Ц 1300 о—; f Ц 1365о

 

Ќа рис. 4.12 представлены микрофотографии структуры формовок из порошка нержавеющей стали, после спекани€ при разных температурах. ’орошо видна эволюци€ структуры в направлении уплотнени€ порошкового материала. ѕрочность, как и плотность, повышаетс€ с ростом температуры спекани€. ѕри быстром подъеме температуры в крупных формовках могут происходить локальные обособлени€ усадки из-за местных различий в температуре. Ёто может привести к короблению и искажению формы спеченных изделий.

ѕродолжительность спекани€

— увеличением времени спекани€ наблюдаетс€ сначала резкий, а затем более медленный рост плотности исходной формовки (рис. 4.8). ћаксимальна€ прочность спеченного издели€ достигаетс€ за сравнительно короткое врем€ изотермической выдержки, причем дальнейша€ выдержка при этой же температуре может даже несколько снизить прочность спеченного материала. ќднако достижение максимальной пластичности требует обычно длительной выдержки. Ёто объ€сн€етс€ необходимостью более полного удалени€ кислорода и других газовых примесей. ѕрактически изотермическа€ выдержка при спекании, в зависимости от состава порошков, исходной и конечной плотности, размера и формы заготовок, типа защитной среды и других факторов может длитьс€ от дес€тков минут до нескольких часов.

јтмосфера спекани€

«амечено, что при спекании в восстановительной среде достигаетс€ более высока€ плотность заготовки, чем при спекании в нейтральной атмосфере. Ёто вызвано тем, что восстановление оксидных пленок активирует миграцию атомов, как на поверхности, так и в объеме частиц. ќсобенно быстро и полно протекает спекание в вакууме. ¬ р€де случаев вакуум позвол€ет снизить температуру спекани€.

ќтмечаетс€ три характерных механизма вли€ни€ атмосферы спекани€:

‑ адсорбционное воздействие на величину энергии поверхностных пор и уровень капилл€рных сил;

‑ трав€щее воздействие с образованием летучих веществ, повышающее шероховатость поверхности;

‑ торможение уплотнени€, вызванное образованием пленки нелетучего соединени€ в результате взаимодействи€ частиц порошка с газовой средой.

јктивированное спекание

јктивированное спекание представл€ет собой вариант ускоренного спекани€, когда дополнительные химические и физические факторы интенсифицируют процесс. ’имические факторы основаны на использовании окислительно-восстановитльных реакций, процессов диссоциации химических соединений и др.   химическим способам относитс€ изменение атмосферы спекани€, введение добавок, реагирующих со спекаемым материалом. Ќаиболее эффективным примером активирующего вли€ни€ малых добавок может служить небольша€ добавка никел€ (< 0,1 %) в порошок вольфрама. Ёта добавка позволила снизить температуру спекани€ вольфрама с 2500 до 1300о— при достижении одинаковой предельной плотности. Ётот пример описан в литературе как эффект јгте-¬ацека.

»сследовани€ эффекта малых добавок показали, что дл€ активировани€ процесса спекани€ добавка должна отвечать определенным требовани€м. “емпература добавки должна быть существенно ниже температуры плавлени€ основного металла, что обеспечивает высокую диффузионную подвижность атомов добавки по сравнению с атомами основы. ћеталл добавки должен быть поверхностно-активным по отношению к основному металлу дл€ образовани€ межзеренных прослоек диффузионным путем. –астворимость добавки и основы должна быть односторонней: основной металл должен хорошо раствор€тьс€ и диффундировать в добавке, а добавл€емый металл не должен раствор€тьс€ в основном. Ёто обеспечит возникновение и устойчивое существование легко деформирумых межзеренных прослоек. ѕрименительно к спеканию вольфрама эффективной добавкой может быть не только никель, но и палладий.

‘изические факторы базируютс€ на интенсивном измельчении порошка, воздействии на него облучени€, магнитного пол€ и др. »нтенсивное измельчение частиц увеличивает их суммарную поверхность, повыша€ запас избыточной энергии порошка, усиливает действие капилл€рных сил в св€зи с возрастанием поверхности частиц и повышает концентрацию дефектов кристаллической решетки. ” наноразмерных частиц наблюдают снижение температуры плавлени€ в св€зи с изменением колебательного спектра атомов.

 

—пекание многокомпонентных систем

—пекание многокомпонентных систем подчин€етс€ рассмотренным выше закономерност€м дл€ однокомпонентных систем, но нар€ду с этим, имеет и свои особенности. Ёти особенности обусловлены более сложными процессами при спекании. “ак, например, нар€ду с самодиффузией обеспечивающей массоперенос, в многокомпонентных системах происходит гетеродиффузи€, выравнивающа€ концентрации разнородных атомов в объеме спекаемого тела. √етеродиффузи€ может приводить к торможению усадки, в отличие от самодиффузии, котора€ обычно способствует уплотнению порошкового тела. —ледует также учитывать, что в многокомпонентных системах кинетика уплотнени€ материала и изменение его физико-механических свойств завис€т от диаграмм состо€ни€ этих систем.

—истемы с полной взаимной растворимостью компонентов

“ипичными представител€ми таких систем €вл€ютс€: Cu-Ni; Fe-Ni; Co-Ni; W-Mo; Cr-Mo. ƒл€ этих систем характерна мала€ усадка. ћожет происходить даже рост спекаемых формовок. Ёто объ€сн€ют тем, что диффузионна€ подвижность атомов в твердых растворах ниже, чем в чистых металлах.  роме того, неоднородность состава исходной порошковой смеси приводит к образованию контактов, скорость диффузии через которые существенно различаетс€. Ќапример, в системе Cu-Ni по мере повышени€ содержани€ меди в никеле (или никел€ в меди) наблюдаетс€ уменьшение усадки или даже рост (рис. 4.13) из-за различи€ в коэффициентах диффузии.  оэффициент диффузии меди в никеле высокий, а никел€ в меди низкий. Ёто приводит к тому, что в частицах меди образуютс€ избыточные вакансии, стекающие в поры, а частицы никел€ увеличиваютс€ в размере из-за преобладани€ притока атомов меди над оттоком атомов никел€. √омогенизаци€ шихты перед прессованием обеспечивает более однородные усадку, состав и свойства в объеме спекаемой формовки.

 

 

–ис. 4.13.  онцентрационна€ зависимость усадки в системе Cu-Ni

после спекани€ при 1000о— и выдержках: 1 Ц 0; 2 Ц 2; 3 Ц 5;

4 Ц 10; 5 Ц 15; 6 Ц 20; 7 Ц 30; 8 Ц 60; 9 Ц 120 мин

 

—истемы с ограниченной растворимостью компонентов

ѕримерами €вл€ютс€ наиболее распространенные в ѕћ системы, в том числе: Fe-C; Fe-Cu; W-Ni; W-Ni-Cu; Mo-Ni; Mo-Ni-Cu; Ni-Ti; Cu-Ag; Ni-Cr; Co-Cu; Co-Cr и многие другие. ѕри нагреве сначала в порошковой формовке присутствуют все фазы, имеющиес€ на диаграмме состо€ни€. «ависимость усадки от содержани€ элементов нелинейна€, а их характерный вид зависит от типа диаграммы.

 

–ис. 4.14. ƒиаграмма состо€ни€ (а) и концентрационна€ зависимость усадки (б) порошковых тел системы Cu-Ag при 700 о— и

выдержке 30 (1) и 15 мин (2)

 

Ќапример, в системах с эвтектикой (рис. 4.14) наблюдаетс€ снижение усадки в области твердых растворов и €рко выраженный максимум в двухфазной области, приход€щийс€ на ее середину. –. ј. јндриевский объ€сн€ет максимум усадки про€влением сверхпластичности и межчастичным скольжением в структуре порошкового тела.

¬ системах с перитектикой, например Ag-Pt, (рис. 4.15) усадка в двухфазной области имеет четкий минимум. Ёто обусловлено увеличением объема порошковой формовки при спекании. Ќапример, объем сплава Ag- 60%Pt при спекании увеличиваетс€, но 27 %, что св€зано с малым изменением растворимости платины в серебре (с 50 % при 1000о— до 45 % при 800о—).

 

–ис. 4.15. ƒиаграмма состо€ни€ (а) и концентрационна€ зависимость усадки (б) порошковых тел системы Ag-Pt при 700о

 

¬заимодействие компонентов смеси порошков с образованием в процессе спекани€ химических соединений или интерметаллидов существенно усложн€ет вид концентрационной зависимости усадки, и ход кривых может быть самым различным.

 

—истемы с нерастворимыми компонентами

ѕримерами таких систем €вл€ютс€ Cu-C; W-Ag; W-Cu; Mo-Cu и др. “ермодинамическое условие припекани€ двух частиц с нерастворимыми компонентами имеет вид:

 

αј¬ < (αј + α¬). (4.19)

Ёто означает, что порошковое тело будет спекатьс€ только в том случае, если поверхностна€ энерги€ образовавшейс€ межфазной границы ј¬ будет меньше, чем сумма поверхностных энергий частиц ј и ¬. –азличают два возможных случа€ спекани€ при выполнении услови€ (4.19)

 

αј¬ < (αј - α¬), (4.20)

 

αј¬ > (αј - α¬). (4.21)

 

≈сли выполн€етс€ условие (4.20) частица вещества с большей поверхностной энергией покрываетс€ веществом с меньшей поверхностной энергией (рис.4.16). ¬ нашем случае частица вещества ¬ покроетс€ слоем атомов второго вещества ј с помощью поверхностной диффузии или путем переноса через газовую фазу в той последовательности, как это показано на рисунке.

 

   

–ис. 4.16. —хематичное изображение этапов припекани€ частиц

 

≈сли имеет место условие (4.21), припекание частиц существенно отличаетс€ от рассмотренного. ¬ этом случае распределение вещества ј и ¬ в области контактного перешейка определ€етс€ границей, имеющей форму сферы с выпуклостью в сторону частицы с меньшей поверхностной энергией. ѕри этом частица с большей поверхностной энергией как бы вдавливаетс€ в частицу с меньшей поверхностной энергией. ѕолное уплотнение порошкового тела в этом случае не происходит.

 

 онтрольные вопросы:

1. “вердофазное спекание систем с полной взаимной растворимостью компонентов.

2. „ем объ€снить рост формовки при спекании перитектических систем с ограниченной растворимостью?

3.  аковы механизмы формировани€ межчастичных св€зей при спекании системы с нерастворимыми компонентами?

4.  аковы движущие силы при твердофазном спекании многокомпонетных порошковых тел?

 

4.2. ∆»ƒ ќ‘ј«Ќќ≈ —ѕ≈ јЌ»≈

ќбщие положени€

ћногие порошковые системы спекают в присутствии жидкой фазы, образующейс€ в результате плавлени€ одного из компонентов или при образовании эвтектики. ѕримерами таких систем €вл€ютс€: Cu-Sn (227); Fe-Cu (1083); Fe-P (1050); Cu-Pb (326); Cu-Bi (270); Cu-Cd (314);W-Cu (1083); Mo-Ag (961): Cr3C2-Ni (1280); WC-Co (1340); TiC-Ni (1280) и др. ¬ скобках у каждой системы указана температура плавлени€ легкоплавкого компонента (о—).

–азличают спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее по€влени€ и спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца изотермической выдержки. ¬ обоих случа€х количество жидкой фазы не должно быть чрезмерно большим, иначе спекаема€ заготовка может потер€ть заданную форму. ѕри жидкофазном спекании система состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. ’арактерным дл€ такой системы, как и при твердофазном спекании, €вл€етс€ наличие поровых каналов, про€вл€ющих капилл€рные свойства. ≈сли жидкость хорошо смачивает твердые частицы, то при этом происходит более интенсивное уплотнение, чем при твердофазном спекании. ¬ результате остаточна€ пористость в заготовках, полученных при твердофазном спекании, может быть меньше 0,1 %.

 

–ис. 4.17. –авновесие жидкой капли на твердой поверхности

 

ћерой смачивани€ €вл€етс€ величина краевого угла υ (рис. 4.17). ѕри полном смачивании, когда υ = 0, может быть достигнуто максимальное уплотнение. ѕолное несмачивание имеет место при υ = 180о. ѕрактика показала, что при плохом смачивании (υ > 90о) жидка€ фаза тормозит спекание.

 раевой угол смачивани€ определ€етс€ соотношением свободной энергии на трех межфазных поверхност€х раздела:

 

cоs υ = (αт - αт-ж) / αж , (4.22)

 

где αт, αж, αт-ж Ц соответственно поверхностные энергии на границах радела твердое тело Ц газ, жидкость Ц газ и твердое тело Ц жидкость. ∆идкие металлы хорошо смачивают чистые металлические поверхности, а также поверхности оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других соединений, с которыми они вступают в химическое взаимодействие.

ѕроцесс уплотнени€ при жидкофазном спекании протекает по стади€м. —начала идет в€зкое течение жидкости, привод€щее к перегруппировке твердых частиц, затем начинает действовать механизм растворение - осаждение и на заключительной стадии происходит образование жесткого скелета в услови€х твердофазного спекани€. ѕерегруппировка частиц происходит быстро. ѕри содержании жидкой фазы 25 Ц 35 % (объемн.) может быть достигнута теоретическа€ плотность. ѕри меньшем количестве жидкой фазы (5 % и более) ведуща€ роль в спекании принадлежит механизму растворение ‑ осаждение. Ётот механизм обычно про€вл€ет себ€ в таких системах, где тверда€ тугоплавка€ компонента хорошо раствор€етс€ в жидкой легкоплавкой составл€ющей. Ќа завершающей стадии процесс спекани€ замедл€етс€. ѕроисходит срастание частиц и затрудн€етс€ продвижение жидкости. ‘ормирование жесткого скелета подчин€етс€ закономерност€м твердофазного спекани€.

 

—пекание с исчезающей жидкой фазой

–ассмотрим смесь порошков из тугоплавкого основного компонента ј и более легкоплавкого компонента ¬.  омпонент ¬ при спекании плавитс€ и в жидком состо€нии диффундирует в межчастичное пространство компонента ј. ѕри взаимодействии компонентов образуетс€ твердый раствор с растворением компонента ј в компоненте ¬. ѕри перекристаллизации компонента ј через расплав ¬, зерна компонента ј ст€гиваютс€ силами поверхностного нат€жени€, иницииру€ интенсивную усадку формовки. ƒалее, после исчезновени€ жидкой фазы, процесс продолжаетс€ в режиме твердофазного спекани€.

“ипичным примером спекани€ с образованием жидкой фазы, исчезающей в процессе нагрева, €вл€етс€ производство посто€нных магнитов из смеси порошков железа, никел€ и алюмини€. Ётот сплав содержит 27 Ц 28% Ni, 13 Ц 14% Al, остальное ‑ Fe. јлюминий ввод€т в виде молотой лигатуры Fe-Al с температурой плавлени€ ~ 1150о—. ∆идка€ лигатура взаимодействует с твердыми частицами железа и никел€ с образованием тройных твердых растворов. ѕри производстве антифрикционных материалов бронзовые и бронзографитовые системы (Cu-Sn) и (Cu-Sn-—) также €вл€ютс€ примерами спекани€ с исчезающей при нагреве жидкой фазой.

—пекание с жидкой фазой, присутствующей до конца изотермической выдержки

ƒовольно часто спекаютс€ смеси порошков из двух или нескольких компонентов, отличающихс€ от рассмотренных ранее тем, что растворимость более тугоплавкого металла в жидкой фазе сравнительно мала. ¬ этом случае, независимо от времени, жидка€ фаза присутствует в спекаемой формовке до конца изотермической выдержки.

–ассмотрим смесь из порошка основного тугоплавкого компонента ј и легкоплавкого ¬, в расплаве которого компонент ј частично раствор€етс€. ѕо€вл€юща€с€ при нагреве жидка€ фаза заполн€ет поры, смачива€ компонент ј и раствор€€ его мелкие частицы. Ѕлагодар€ повышенной кривизне поверхности мелких частиц, образуетс€ пересыщенный, по отношению к крупным частицам, раствор. ѕоэтому, одновременно с растворением мелких частиц компонента ј идет процесс выделени€ этого же компонента на поверхности его крупных частиц. ¬ результате перекристаллизации происходит рост крупных частиц за счет мелких. ѕри этом крупные частицы компонента ј неправильной формы приобретают ограненную или овальную, округлую форму.

Ќар€ду с перекристаллизацией компонента ј через его раствор в компоненте ¬, жидка€ фаза выполн€ет также функцию ст€гивани€ частиц ј силами поверхностного нат€жени€. Ѕлагодар€ большой поверхности контакта компонентов ј и ¬ по€вл€етс€ возможность получить практически беспористую структуру сплава.

’арактерным примером спекани€ с жидкой фазой, присутствующей до конца изотермической выдержки может служить производство твердых сплавов, содержащих карбид вольфрама и кобальт. ѕри спекании этой системы образуетс€ жидка€ фаза на основе кобальта, через которую происходит перекристаллизаци€ карбида вольфрама.

∆идка€ фаза может оставатьс€ в формовке до конца изотермической выдержки при спекании и в том случае, если компоненты ј и ¬ взаимно нерастворимы. ѕри таком варианте спекани€ легкоплавкий компонент ¬ затекает в поры между частицами основного компонента ј и тормозит усадку при наличии уже образовавшегос€ жесткого скелета из частиц ј. ¬ итоге, усадка либо вообще не происходит, или она незначительна.

 

4.3. ѕ–ј “» ј —ѕ≈ јЌ»я

 

4.3.1. јтмосферы спекани€ и защитные засыпки

ѕорошковые формовки обычно спекают в среде защитного газа или в вакууме. ѕрименение защитных газовых атмосфер и вакуума необходимо дл€ предохранени€ порошковой формовки от окислени€ при нагреве, а также дл€ восстановлени€ оксидных пленок, которые всегда имеютс€ на поверхности порошковых частиц. ќкисление при спекании недопустимо, поскольку оно преп€тствует упрочнению порошковых тел и тормозит усадку.

»сточником кислорода при спекании могут быть: кислород воздуха, пары воды в защитном газе, оксиды в спекаемом порошке и др. ћеталл не окисл€етс€ в газовой атмосфере в том случае, когда парциальное давление кислорода меньше упругости диссоциации оксидов этого металла при температуре изотермической выдержки. ѕоэтому особенно трудно защитить от окислени€ при спекании металлы с низкой упругостью диссоциации оксидов (алюминий, титан и им подобные). ’арактеристика примен€емых при спекании газовых сред приведена в табл. 4.3.

 

 

“аблица 4.3





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-01-29; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 2002 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

≈сли вы думаете, что на что-то способны, вы правы; если думаете, что у вас ничего не получитс€ - вы тоже правы. © √енри ‘орд
==> читать все изречени€...

1133 - | 1157 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.084 с.