17. Когда при спекании возможно увеличение размеров порошкового изделия?

При нагреве порошковых тел происходит рост (укрупнение) частиц, называемый рекристаллизацией. Крупные частицы образуются за счет переноса вещества при общей границе с частицы меньшего размера на частицу большего размера.

Движущая сила рекристаллизации определяется стремлением системы перейти в более равновесное состояние с меньшей суммарной поверхностью границ.

С ростом межчастичных контактов границы получают возможность передвигаться (прорастать) из одной частицы в другую; этот процесс называют межчастичной собирательной рекристаллизацией. Она зависит от размера частиц порошка, так как с его увеличением возрастает и размер пор в порошковом теле, а их тормозящее влияние на движение межчастичных границ уменьшается. При нагреве порошковых тел из мелких порошков контуры отдельных частиц исчезают раньше, чем в случае более крупных порошков.

Для большинства металлических порошков температура начала роста частиц и их конечный размер почти не зависят от давления прессования. Рост частиц вызывает лишь перемещение и перераспределение вещества в пределах объема пористого порошкового тела, но не приводит к сокращению объема пор и уплотнению спекаемого изделия.

Увеличение размеров частиц приводит к формированию крупнозернистой структуры с большими порами неправильной формы, а увеличение дисперсности порошков, активируя процессы массопереноса при спекании и обеспечивая получение более плотной (малопористой) структуры, может приводить к повышению содержания в материале неметаллических включений в связи с повышенной окисленностью исходного порошка.

17. Роль жидкой фазы при спекании

Жидкофазное спекание – спекание порошкового тела при температуре, обеспечивающей образование жидкой фазы.

При жидкофазном спекании облегчается развитие сил сцепления между отдельными частицами порошка и может сформироваться малопористая структура. Для жидкофазного спекания большое значение приобретает смачивание твердых частиц жидкой металлической фазой, мерой которого является величина краевого угла φ (Рисунок):

cosφ = (σ_т – σ_т-ж)/ σ_ж

где σ_т, σ_т-ж и σж – поверхностные энергии на границах раздела соответственно твердая частица–газ, твердая частица–жидкость и жидкость–газ. При полном смачивании φ = 0°, а при φ более 90° – смачивание плохое, образовавшаяся жидкая фаза тормозит спекание, препятствуя уплотнению порошкового тела.

Рисунок 32 – Равновесие жидкой капли на твердой поверхности

17. Когда появление жидкой фазы при спекании играет положительную роль?

Жидкие металлы хорошо смачивают чистые металлические поверхности и поверхности оксидов, боридов, карбидов и нитридов различных металлов, графита и др., с которыми они вступают в химическое взаимодействие (краевой угол смачивания обычно не превышает 30–40° и часто наблюдается полное смачивание).

Появление жидкой фазы при нагреве связано с плавлением более легкоплавкого компонента или структурной составляющей (например, эвтектики) спекаемого материала, а также с «контактным» плавлением, когда жидкая фаза возникает при температуре, более низкой, чем температура плавления указанных составляющих порошкового тела. При этом механизм спекания с участием жидкой фазы зависит от характера диаграммы состояния соответствующей системы компонентов. Чем лучше смачивание, тем большие количества жидкой фазы могут удерживаться в порошковом теле во время спекания, не вытекая и не искажая его формы.

В присутствии жидкой фазы существенно увеличивается скорость само- и гетеродиффузии атомов, что ускоряет сплавообразование, и облегчается перемещение твердых частиц относительно друг друга, способствуя заполнению пор веществом. В связи с этим при жидкофазном спекании можно обеспечить получение практически беспористых порошковых изделий. Степень уплотнения существенно больше, чем при твердофазном спекании многокомпонентных систем.