8. Управление объемными изменениями порошковых тел при жидкофазном спекании

Интенсификация уменьшения объема порошкового тела в присутствии жидкой фазы при спекании и достижение им конечной малопористой (а иногда практически беспористой) структуры лишало актуальности в течение достаточно длительного времени вопрос о возможности получения высокопористых материалов жидкофазным спеканием. В конце 70-х годов XX в. в работах Ю.В. Найдича, В.В. Скорохода, С.М. Солонина и др. были исследованы условия, позволяющие управлять объемными изменениями при жидкофазном спекании, получая высокопористые порошковые материалы и изделия с размерами, практически равными размерам исходных прессовок. На примере вольфрам-медных композиций было показано, что для этого требуется создание бипористой структуры порошкового тела, содержащей мелкие естественные поры и крупные искусственные поры (созданные, например, за счет улетучивающегося порообразователя с крупными частицами). В этом случае происходит уменьшение сил поверхностного натяжения, действующих в крупных искусственных порах, а также проявляется большая объемная вязкость прессовок с крупными порами по сравнению с прессовками с мелкими естественными порами.

Рисунок 8 - Зависимость объемной усадки (V/V) и конечной пористости брикетов (П)

от количества жидкой фазы (Ж) при спекании в Н₂ при 1250 °С, 1 ч:

1 – W-Cu; 2 - W-(Cu-20 Ni).

Металлические порошки (вольфрам ВЧ, медь ПМС-1, никель ПНК-1) смешивали с порошком двууглекислого аммония [52 % (объемн.); размер частиц 100 мкм], прессовали брикеты таким образом, чтобы микропористость (естественная пористость объемов металлического порошка) составляла 50 %, и при 200 °С в Н₂ отгоняли из прессовок порообразователь, создавая в них 52 % (объемн.) крупных пор (макропористость). Таким образом, перед спеканием прессовки имели бипористую структуру с суммарным объемом пор 76 % [24 % (объемн.)) мелкие естественные поры и 52 % (объемн.) крупные искусственные поры]. На рисунке 8 показана зависимость объемной усадки и конечной пористости от количества жидкой фазы при спекании (1250 °С, 1 ч, Н₂) образцов W-Cu и W-Cu-Ni. У образцов W-Cu после спекания сохраняется пористость 70 % даже при 50 %-ном содержании жидкой фазы (т. е. микропористость уменьшается незначительно из-за повышенного сопротивления вязкому деформированию этой гетерогенной системы), тогда как присутствие никеля, в котором растворяется вольфрам, заметно увеличивает усадку и при содержании жидкой фазы > 28% конечная пористость меньше, чем исходная макропористость [отметим, что при содержании жидкой фазы 20-35 % (объемн.) в материале сохраняется высокая общая пористость 40-60].

В порошковом теле с исходной бипористой структурой объемная усадка определяется прежде всего уплотнением участков с мелкими естественными порами. Следовательно, если затормозить их уплотнение (например, заполнить эти поры до начала интенсивной усадки каким-либо веществом), то усадка порошкового тела при спекании не произойдет. Так, можно совместить со спеканием инфильтрацию медью мелких пор в бипористой вольфрамовой формовке как из внешних, так и из внутренних источников.

При получении пористого материала состава W-30Cu (вольфрам активирован никелем) спеканием смеси этих дисперсных порошков усадка составила 21 %, а совмещением спекания и инфильтрации из внешнего источника всего 2,1 %. Более технологична инфильтрация из внутренних источников с использованием крупного сферического медного порошка. В этом случае торможение усадки порошкового тела происходит вследствие заполнения мелких пор (в которых действуют большие капиллярные силы) расплавленной медью: частицы меди расплавляются, жидкость всасывается мелкими порами и появляются крупные сферические поры, которые, не влияя на усадку, резко увеличивают газопроницаемость пористого материала. В таблице 3 приведены величины (жидкофазное спекание при 1250 °С, 0,5 ч) объемной усадки бипористых брикетов (микропористость 30 %) в зависимо- сти от степени заполнения медью мелких пор (V_Cu/V_{м. п.} – отношение объема меди к объему мелких пор) и газопроницаемость спеченных W—Си материалов. Как показывают эти данные, при инфильтрации мелких пор из внутренних источников с увеличением количества жидкой фазы усадка порошкового тела с исходной бипористой структурой уменьшается, и при максимальном заполнении мелких пор объемные изменения при спекании практически отсутствуют. Газопроницаемость спеченных образцов существенно возрастает с увеличением количества меди, так как растет количество крупных пор, которые освобождаются при перераспределении меди в процессе жидкофазного спекания (отметим, что размеры частиц легкоплавкого компонента должны существенно превосходить размеры естественных пор, так как в случае мелкодисперсных частиц образуемый ими расплав будет в большей мере удерживаться на месте значительными капиллярными силами). Таким образом, можно обеспечить безусадочное спекание в присутствии жидкой фазы, что может оказаться желательным при изготовлении некоторых типов порошковых изделий.

Таблица 3 - Объемная усадка (V/V) и газопроницаемость (q) спеченных W-Cu брикетов.

Состав	П, %	VCu/Vм. п.	V/V	q, л/(мин*см^2)
W-1 Ni	55	0	13,7	-
WNi-6,4 Cu	60	0,3	6,1	-
WNi-13,8 Cu	60	0,7	2,1	-
WNi-25,8 Cu	60	1,0	1,3	-
W-10 Cu	75	-	-	39
W-20 Cu	74	-	-	58
W-30 Cu	72	-	-	6