Герман Абрамович Либенсон
ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
*** 1975 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Перенос атомов через газовую фазу
Это наблюдаемое при спекании явление связано с процессом испарения вещества при некоторой температуре нагрева с поверхности одних частиц и конденсацией его на поверхности других частиц. Такой процесс имеет место из-за различий в упругости паров вещества над этими поверхностями, обусловленных их разной кривизной у нескольких соприкасающихся частиц. Перенос вещества идет в направлении межчастичносо контакта, увеличивая его протяженность и соответственно повышая прочность межчастичного сцепления. Кроме того, перенос атомов через газовую фазу способствует изменению формы пор, но не оказывает влияния на изменение плотности при спекании. Влияние явления переноса вещества через газовую фазу на достигаемые при спекании физико-механические свойства тел возрастает с повышением температуры и в результате химических реакций между спекаемым материалом и газообразной атмосферой печи. В частности, при восстановлении окислов образующиеся атомы металла обладают большой подвижностью и легко переходят в газовую фазу, увеличивая концентрацию в пей паров вещества. В процессе выдержки при температуре спекания упругости паров вещества над частицами выравниваются и перенос атомов через газовую фазу затор маживается и затухает. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЦЕСС СПЕКАНИЯ И СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ ТЕЛ Свойства исходных порошков В общем случае на изменение плотности и свойств прессовок при спекании влияют величина частиц, их форма и состояние поверхности, содержание и тип окислов и степень совершенства кристаллического строения. Перечисленные факторы всецело зависят от условия изготовления порошка. Так как запас поверхностной энергии тем больше, чем больше суммарная поверхность частиц, то процесс спекания ускоряется с увеличением их дисперсности и шероховатости, а плотность и прочностные свойства спеченных изделий возрастают.Шри одной и той же плотности механические и электрические свойства прессовок после спекания тем выше, чем дисперс-нее исходный порошок. Интенсификации спекания способствуют легко восстанавливающиеся окислы, содержание которых в порошке тем больше, чем он мельче. Шероховатость поверхности частиц и дефектность кристаллического строения способствуют усилению диффузионной подвижности атомов, что позволяет получать более плотные и прочные изделия Структура спеченных из тонких порошков изделий отличается наличием большого числа крупных зерен, выросших в результате рекристаллизации при спекании. Усадка прессовки в процессе нагрева существенно уменьшается, если порошок подвергнуть отжигу, при котором происходит сглаживание рельефа поверхности частиц, их срастание и уменьшение несовершенства кристаллического строения. Давление прессования Увеличение плотности прессовки приводит к уменьшению объемной и линейной усадок. Это связано с тем, что при большей плотности материал имеет больший коэффициент вязкости, т. е. сильнее сопротивляется необратимым изменениям объема под воздействием усилий, возникающих при спекании. Так как плотность прессовок неодинакова по высоте, то при спекании часто усадка в средней части больше, чем на торцах наблюдается «талия». При спекании мелкозернистых порошков происходит выравнивание пористости как между прессовками разной плотности, так и между участками с неоднородной плотностью одной и той же прессовки. Увеличение давления прессования приводит к повышению всех показателей прочности спеченных изделий— твердости, сопротивления разрыву и сжатию. Температура, продолжительность и атмосфера спекания С повышением температуры плотность и прочность спеченных изделий в общем возрастают и тем быстрее, чем ниже было давление прессования. Обычно температура спекания составляет 0,7—0,9 Гпл наиболее легкоплавкого материала, входящего в состав материала. Большое значение имеет скорость подъема температуры. При быстром подъеме температуры в крупногабаритных брикетах может наблюдаться местное различие в величине усадки из-за неравномерности прогрева, что приведет к искажению формы изделия. Выдержка прессовки при постоянной температуре вызывает сначала резкий, а затем более медленный рост плотности, прочности и других свойств спеченного изделия. Максимальная прочность достигается за довольно короткое время и затем остается практически неизменной. Длительность выдержки при спекании варьируется от нескольких десятков минут до нескольких часов в зависимости от температуры процесса, состава и требуемой плотности изделия, его размеров, конструкции печи и других факторов. Таблица 9 Температура и продолжительность спекания некоторых материалов Атмосфера, в которой проводят спекание, существенно влияет на результаты. Плотность изделий будет выше при спекании прессовок в восстановительной среде по сравнению со спеканием в нейтральном газе. Объясняется это химическим воздействием восстановителя на окисные пленки, в результате чего происходит удаление кислорода и усиливается миграция атомов металла к контактным участкам соприкасающихся частиц. Очень полно и быстро проходит спекание в вакууме, которое по сравнению со спеканием в нейтральной среде в боль- | шинстве случаев начинается при более низких температурах и дает повышенную плотность изделия. Активированное спекание Применяя некоторые специальные приемы, можно ускорить процесс спекания и интенсифицировать изменение свойств получаемых изделий. Для этой цели используют физические и химические способы активирования спекания. Одним из наиболее простых и в то же время эффективных способов является химическое активирование, заключающееся в изменении состава атмосферы спекания путем добавления к ней различных соединений, например хлористых или фтористых соединений. В этом случае атомы металла на ьыступах как наиболее активные реагируют с такими добавками, а образующиеся соединения снова восстанавливаются до металла, атомы которого в свою очередь конденсируются в местах с минимальным запасом свободной энергии впадины на поверхности частиц, стыки частиц, благоприятствуя переносу вещества через газовую фазу. Прочность спекаемого тела увеличивается. Установлено, например, что оптимальная концентрация хлористого водорода в смеси его с водородом составляет 5—10% по объему. Активированная атмосфера может благоприятно влиять на процесс спекания и вследствие удаления примесей и происходящей при этом очистки спекаемого материала. Иногда для интенсификации уплотнения к металлам добавляют малые количества добавки с меньшей температурой плавления. Например, к вольфраму добавляют никель, к железу — золото и т. п. В настоящее время все более широкое применение находят физические способы активирования спекания: циклическое изменение температуры, воздействие ультразвука или вибраций, облучение прессовок, наложение сильного магнитного поля. Вопросы для повторения 1. Что понимают под спеканием материала? 2. Какое спекание называют твердофазным? 3. Перечислите основные процессы, происходящие при спекании. 4. Каковы механизм и стадии усадки? 5. Как технологические факторы влияют на процесс спекания и свойства спеченных тел? 6. Перечислите способы активирования спекания. § 9. ЖИДКОФАЗНОЕ СПЕКАНИЕ И ПРОПИТКА ЖИДКИМИ МЕТАЛЛАМИ ЖИДКОФАЗНОЕ СПЕКАНИЕ Прочность спеченных тел определяется силами сцеп ления между отдельными частицами порошка, величина которых зависит от того, насколько удалось создать тесный контакт на границах, разделяющих частицы. В присутствии жидкой фазы развитие сил сцепления облегчается, но только в том случае, если она смачивает частицы, остающиеся твердыми. При плохой смачиваемости жидкая фаза тормозит спекание, препятствуя уплотнению. Жидкие металлы хорошо смачивают чистые металлические поверхности и поверхности тех неметаллических компонентов окислов, боридов, карбидов, нитридов, графита, с которыми они вступают в химическое взаимодействие. Появление жидкой фазы при спекании, образующейся за счет расплавления более легкоплавкого компонента, приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы относительно друг друга, способствует заполнению пор. В связи с этим при жидкофазном спекании можно обеспечить получение практически беспористых изделий. Степень уплотнения является существенно большей, чем при твердофазном спекании.Различают три стадии спекания в присутствии жидкой фазы: перегруппировка твердых частиц под воздействием течения жидкости, так называемый процесс растворения—осаждения и образование жесткого скелета из твердых частиц в.результа-те происходящего твердофазного спекания. Сначала усадка идет наиболее интенсивно, так как частицы легко перемещаются жидкостью и заполняют межчастич-ные промежутки. При наличии растворимости имеет место процесс растворения — осаждения, при котором мелкие частицы растворяются в жидкости, а крупные растут за счет вещества, осаждающегося на них из расплава. На третьей стадии спекания уплотнение идет очень медленно: твердые частицы срастаются, жидкость уже не может затекать в межчастичные промежутки и усадка связана с процессами, имеющими место при твердофазном спекании. В результате срастания частиц в спекаемом брикете образуется жесткий скелет, тормозящий усадку и препятствующий быстрому зарастанию пор. В зависимости от природы спекаемых компонентов, количества образующейся жидкости, размера твердых частиц и начальной пористости какая-либо из стадий жидкофазного спекания становится преобладающей. Сами стадии в процессе спекания накладываются одна на другую. Принято различать спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца процесса, т. е. все время, пока сплав находится при температуре спекания, и спекание с жидкой фазой, исчезающей вскоре после ее появления, когда конечный период спекания происходит в твердой фазе. По первому из указанных вариантов спекаются твердые сплавы, материалы на основе железа, содержащие медь, серу, фосфор. При наличии растворимости более тугоплавкого компонента в жидкости например, растворимость карбида вольфрама в жидком кобальте при спекании твердого сплава при спекании реализуются все преимущества, связанные с присутствием жидкой фазы. Имеет место как перегруппировка твердых частиц, так и процесс растворения — осаждения, приводящий к тому, что частицы более тугоплавкого компонента приобретают правильную геометрическую форму. В результате остаточная пористость спеченных изделий близка к нулю. Если же твердая фаза нерастворима в жидкой, а при прессовании достигнута сравнительно плотная укладка тугоплавких частиц, то влияние жидкой фазы на уплотнение при спекании либо незначительно, либо вообще не проявляется. Наиболее характерными примерами спекания с исчезающей жидкой фазой является производство железо-никельалюминиевых постоянных магнитов, бронзовых и бронзографцтовых материалов. Начальная стадия спекания идет в присутствии жидкой фазы, а после ее исчезновения — в твердой. В любом из рассмотренных случаев количество образующейся жидкой фазы не должно быть слишком большим и не может превышать объем твердой фазы. Невыполнение этого требования может привести к потере изделием формы, полученной при прессовании. Однако необходимо помнить, что чрезмерно малое количество жидкой фазы не позволит в полной мере использовать все преимущества спекания с жидкой фазой, так как ее объем будет недостаточен для обеспечения требуемой активности соответствующих процессов при спекании. ПРОПИТКА ЖИДКИМИ МЕТАЛЛАМИ При производстве некоторых видов спеченных мате риалов, например электроконтактных или конструкционных, широко применяют пропитку спрессованного и затем спеченного пористого каркаса из более тугоплавкого компонента жидкой легкоплавкой металлической составляющей композиции. При этом жидкий металл или сплав заполняет сообщающиеся поры заготовки из тугоплавкого компонента. Так, вольфрам пропитывают медью или серебром, никель — серебром, медь — свинщУм, карбид титана — сталью, вольфрамовое волокно — медью или медноникелевым сплавом. Как и при жидкофазном спекании, важно обеспечить хорошую смачиваемость твердой фазы жидкостью. Исследования показали, что для улучшения качества пропитки к порошку тугоплавкого компонента перед прессованием необходимо добавить небольшое количество порошка того металла, которым затем производят пропитку. Существуют два варианта пропитки. По одному из них на пористый каркас помещают пропитывающий металл в виде кусочка, объем которого равен объему имеющихся пор каркаса. После нагрева в печи в защитной атмосфере до соответствующей температуры происходит расплавление легкоплавкого металла и расплав впитывается в поры тугоплавкого каркаса. По другому варианту пористый каркас погружают в ванну с расплавленным металлом или в засыпку из порошка пропитывающего металла. Впитывание металла происходит под действием капиллярных сил. Скорость пропитки составляет несколько десятых миллиметра в секунду и увеличивается с повышением температуры. Обычно температура пропитки на 100—150° С превышает температуру плавления пропитывающего металла, оставаясь, естественно, ниже температуры плавления тугоплавкого каркаса. Для улучшения смачиваемости к пропитывающему металлу добавляют небольшие количества различных присадок. Вопросы для повторения 1. Какое спекание называют жидкофазным? 2. Назовите стадии процесса жидкофазного спекания. 3. Перечислите разновидности жидкофазного спекания. |
