Спекание

17. Что такое спекание? Классификация вариантов спекания

Спекание – процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств изделия, полученных при нагреве сформованного порошка. Спекание приводит к изменению размеров структуры и свойств исходных порошковых тел, в которых протекают процессы поверхностной граничной или объемной само- и/или гетеродиффузия. Плотность, прочность и другие физико-механические свойства спеченных изделий зависят от условий изготовления: давления, прессования, температуры, времени и атмосферы спекания в других факторов.

В зависимости от состава шихты различают твердофазное спекание (т.е. спекание без образования жидкой фазы) и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси порошков расплавляются.

Твердофазное – без образования жидкой фазы.

Основные процессы происходящие при твердофазном спекании:

– поверхностная и объёмная диффузия;

– усадка;

– рекристаллизация;

– перенос атомов через газовую фазу.

Классификация по химическому составу нагреваемого порошка:

• Спекание однокомпонентных систем

• Многокомпонентных систем

Жидкофазное – с расплавлением легкоплавких компонентов смеси порошков.

Различают три стадии спекания в присутствии жидкой фазы:

– вязкое течение жидкости и перегруппировка частиц;

– растворение и осаждение;

– образование жесткого скелета.

При спекании в присутствии жидкой фазы нужно строго выдерживать температурный интервал.

17. Почему, как правило, при спекании происходит усадка образцов?

Увеличение контактной поверхности и сближение частиц (усадка) при спекании по этой схеме в основном связано с перемещением атомов в тонком дефектном по структуре поверхностном слое.

Подвижность поверхностных атомов зависит от занимаемого ими места: наименее подвижны атомы, лежащие внутри контактных участков. Далее, в порядке возрастания подвижности, идут атомы на границах контактных участков, атомы в углублениях и впадинах поверхности, атомы на ровных участках и, наконец, атомы на выступах поверхности. Так как атомы внутри контактных участков менее подвижны, обладая меньшим запасом свободной энергии, чем на всех других участках поверхности, то от свободных, неконтактных участков к контактным переходит значительно больше атомов, чем в обратном направлении. В результате происходит расширение контактного участка с одновременным сближением геометрических центров соприкасающихся частиц, т.е. происходит усадка.

17. Движущие силы процессов спекания

Спекание есть самопроизвольный процесс уменьшения св.энергии порошкообразного тела при нагреве.

Источником движущих сил процессов усадки спекании является стремление системы к уменьшению запасов свободной энергии, что возможно только за счет сокращения суммарной поверхности, которой она обладает.

Чем больше свободная поверхность в исходном объекте, тем больше начальные движущие силы спекания.

При высоких температурах в связи с высокой подвижностью атомов поверхностная энергия эквивалентна поверхностному натяжению, т.е. силе, стремящейся уменьшить площадь поверхности и понизить избыток энергии, связанный с величиной поверхности.

При спекании частиц движущими силами являются силы избыточного капиллярного давления (Лаплассовские силы), возникающие на искривленных поверхностях и равные σ/R (σ – поверхностное натяжение, R – Радиус частиц).

Суммарное действие этих сил эквивалентно приложению внешнего давления всестороннего сжатия, под влиянием которого частицы перемещаются и сливаются подобно слиянию капель воды. Слияние частиц тормозится вязкостью частиц.

При этом усадка (перемещение частиц) проворциональна давлению всестороннего сжатия p и обратно пропорциональная вязкости η.