9. Атмосферы спекания и защитные засыпки

Спекание порошковых формовок проводят в среде защитного газа или в вакууме. Применение защитных атмосфер необходимо для предохранения нагреваемых материалов от окисления в процессе термической обработки, а также восстановления оксидов, имеющихся на поверхности частиц соответствующих порошков.

Окисление при спекании крайне нежелательно, так как процесс уплотнения и упрочнения нагреваемых порошковых тел тормозится и даже останавливается при образовании на поверхности частиц (порошинок) оксидных пленок. При нагреве частицы порошка могут окисляться кислородом, содержащимся в защитной атмосфере (например, в виде паров воды или примеси кислорода) или в спекаемом материале (например, в виде оксидов на поверхности частиц или в виде кислородсодержащего газа в порах порошковой формовки), а также кислородом воздуха, подсасываемого в рабочее пространство нагревательного устройства через его неплотности. Металлический материал не окисляется в газовой атмосфере, в которой парциальное давление кислорода меньше, чем упругость диссоциации оксидов этого материала при температуре изотермической выдержки. Защиту от окисления особенно трудно осуществить при спекании металлов, образующих трудновосстановимые оксиды (хром, титан, алюминий и др.).

Выбор защитной среды в значительной степени зависит от состава порошкового материала, типа печи, экономических факторов и т.п. Взаимодействие с атмосферой в рабочем пространстве печи не должно приводить к образованию соединений, ухудшающих свойства порошковых тел; атмосфера спекания влияет на десорбцию газов, рафинирование, восстановление и диссоциацию оксидов, перенос вещества через газовую фазу, образование различных химических соединений, поверхностную диффузию атомов и пр.

В качестве защитной атмосферы при спекании чаще всего применяют водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ, аргон, азот, эндо– и экзогазы, а также вакуум. Их общая характеристика дана в таблице 1.

В большинстве случаев применяемые защитные газы перед подачей в рабочее пространство печи очищают от свободного кислорода, углекислоты и влаги. Для очистки от кислорода газ пропускают через нагретую до 400–500 °С трубу с медной стружкой или пористой губкой: медь либо служит катализатором реакции взаимодействия кислорода и водорода (примесь кислорода, соединяясь с водородом, превращается в пары воды по реакции Н₂ +0,5 О₂ = Н₂О), либо окисляется по реакции 2Сu + О₂ = 2 СuО. Более высокая степень очистки газов от кислорода достигается пропусканием его через нагретый до 900–1000 °С пористый ферромарганец, ферротитан, ферросилиций или губчатый титан. Кальций интенсивно поглощает кислород при 450–500 °С и азот при 650–750 °С. Можно пропускать водород через специальный аппарат с палладиевым катализатором, обеспечивающим взаимодействие кислорода с водородом при комнатной температуре; такие стандартные установки имеют производительность 6–60 м³/ч. СО₂ удаляют, пропуская обрабатываемый защитный газ через водные растворы этаноламинов, которыми он поглощается.

Важной проблемой является осушка защитных газов, содержание в которых Н₂О характеризуют точкой росы или количеством воды в граммах на 1 м³, а также выражают в объемных процентах. Пары воды, присутствующие в защитном газе, поглощаются при его прохождении через адсорберы с силикагелем или алюмогелем. В лабораторной практике газ можно осушить, пропуская через хлористый кальций, фосфорный ангидрид и другие вещества, поглощающие влагу. Для особо острой осушки, необходимой при спекании, например хрома и его сплавов, могут потребоваться специальные приемы.

Для анализа состава защитных газов используют газоанализаторы различных типов: ВТИ–2, ОРСА, ТП–5101М, ТКГ–4, МГК–2 и др.

Таблица 1 - Общая характеристика защитных газовых сред
Защитная среда	Содержание компонента, % (объемн.)							Точка росы, °С, не хуже
	Н2	N2	СО	СО2	СН4 (не более)	О2 (не более)
Водород технический, марка Б, 1–й сорт	≥99,8	–	–	–	–	0,2	–30
Аммиак диссоциированный	75	25	–	–	–	–	–40
Природный газ конвертированный	75–76	0,5–1	22–23	1–2	0,5	–	+20
Эндогаз	38–40	ост.	18–20	1	1	–	от +20 до –20
Экзогаз:
богатый	15–18	ост.	10–13	4–5	1	–	от +20 до 0
бедный	0,7	ост.	0,7	10–13	–	–	от +20 до 0
Азот технический:
высший сорт	–	≥99,994	–	–	–	0,005	–60
1–й сорт	–	≥99,6	–	–	–	0,4	–40
Аргон технический:
высший сорт	–	≤0,008	сумма ≤ 0,001		–	0,001	–55
1–й сорт	–	≤0,01	сумма ≤0,005		–	0,003	–50

По условиям техники безопасности установки для выработки защитных газов и баллоны со сжатым газом размещают в отдельных помещениях, удаленных от основного производства, а газ к печам подводят по трубопроводам.

При спекании в защитных атмосферах при быстром нагреве в результате интенсивного выделения газов, адсорбированных порошком, может произойти разрушение формовок. В любом случае десорбция адсорбированных порошком газов при нагреве оказывает тормозящее воздействие на формирование свойств спекаемых изделий.

При спекании в вакууме газы удаляются значительно легче и при более низких температурах. Вакуум не только предохраняет порошковые формовки от взаимодействия с кислородом при нагреве, но и способствует восстановлению оксидов (например, под действием примеси углерода, имеющейся в некоторых порошках) или их диссоциации; в нем легче испаряются летучие примеси, содержащиеся во многих металлических порошках. Положительное влияние вакуума наиболее заметно проявляется при спекании с жидкой фазой: улучшается смачивание тугоплавкой фазы расплавом, вакуум способствует более быстрому уплотнению и повышает равномерность распределения жидкой фазы в порошковом теле.

Независимо от атмосферы в рабочем пространстве печи спекание часто проводят в так называемых защитных засыпках (кварцевом песке, корраксе, графитовой крупке, асбестовой мелочи и др.), которые используют при укладке порошковых формовок в поддоны, короба или лодочки. Чаще всего применяют комбинированные засыпки, состоящие из разнородных компонентов (например, корракса с добавкой графитовой крупки или хрома, кремния и т.п.). Состав засыпки выбирают таким образом, чтобы с ее помощью создать в непосредственной близости от спекаемой заготовки (вокруг нее) наиболее благоприятную защитную атмосферу. Температура плавления засыпки должна быть выше температуры спекания и засыпка не должна взаимодействовать со спекаемым материалом. Защитная засыпка способствует также более равномерному прогреву спекаемых заготовок и предотвращает их припекание друг к другу.