Уплотнение при спекании

В результате спекания в большинстве случаев плотность порошкового тела увеличивается с уменьшением линейных размеров и объема

В начальный период времени могут развиваться процессы, приводящие к расширению заготовки в направлении, противоположном сжатию при прессовании. Увеличение габаритов, обычно связанное с удалением паров воды и газов вследствие десорбции, релаксацией упругих напряжений, выгоранием/разложением связок, становится заметным при температуре 100 – 150 оС. Это приводит к разрушению некоторой доли контактов и уменьшению их суммарной площади. На увеличение объема образца оказывает влияние и обычное термическое расширение материала.

При температурах выше 150 оС (на следующем этапе неизотермического спекания) отмеченные выше процессы также имеют место, однако увеличение подвижности атомов, особенно появившихся Уплотнение при спекании в результате восстановления оксидных пленок, приводит к ускорению диффузии и началу уменьшения габаритов заготовки. При Т = 0,4 – 0,5 Тпл релаксация упругих напряжений заканчивается, неметаллические контакты заменяются металлическими, их площадь увеличивается, соответственно возрастают тепло- и электропроводность.

Если в материале есть связки и/или смазки, то процесс их удаления может продолжаться, а может уже закончится (в зависимости природы этих соединений).

При температурах выше 0,6 Тпл обычно может начинаться изотермическая стадия спекания, в начале которой восстановление оксидов завершается, все контакты становятся металлическими, протекают все рассмотренные ранее основные процессы: сглаживание неровных поверхностей, рекристаллизация зерен, сфероидизация и коалесценция пор, уменьшение их количества и суммарного объема. Следует отметить, что Уплотнение при спекании в случае мелких, активных порошков процессы, приводящие к усадке, могут начаться до достижения температурного диапазона 0,5 – 0,6 Тпл.

Усадку при изотермической выдержке можно разделить на три стадии:

Ранняя стадия. На этой стадии плотность порошковой формовки еще сравнительно мала, а скорость уплотнения высока. Это обусловливается процессами, протекающими в приконтактных областях, структура и геометрия которых играет большую роль. Высокая скорость уплотнения обеспечивается проскальзыванием зерен друг относительно друга, что Я.Е. Гегузин считал проявлением сверхпластичности. (Следует отметить, что эта стадия изотермического спекания характеризуется процессами, которые имеют место и во время нагрева заготовки до Тизот.)

Промежуточная стадия. Плотность порошкового тела на этой стадии становится достаточно большой Уплотнение при спекании. Уменьшение объема отдельных пор в так называемом ансамбле происходит практически независимо, а пористая матрица ведет себя как вязкая, сжимаемая среда и при равномерном распределении пор по объему заготовки усадка ее равномерная.

Поздняя стадия. Порошковое тело содержит отдельные изолированные поры, которые залечиваются (зарастают) путем медленного диффузионного растворения с выходом вакансий на габаритную поверхность образца.

Отчетливой границы между стадиями уплотнения при изотермической выдержке нет.



Характерной чертой усадки порошкового однокомпонентного материала является уменьшение ее скорости по мере продолжения изотермической выдержки. С повышением температуры усадка в начале выдержки проходит быстрее, но быстрее тормозится, начиная с некоторого момента.

Для усадки однокомпонентных систем предложена общая зависимость Уплотнение при спекании следующего вида:

где: V – текущий объем пор; DV – его изменение в данный момент времени; k – константа.

В.А. Ивенсен показал, что при изотермическом спекании металлических порошков снижение скорости уменьшения объема пор связано с уменьшением их объема, причем связь выражается достаточно простой формулой

где: V1 и V2 – объемы пор соответственно в моменты времени 1 и 2.

Эта закономерность при постоянном значении показателя степени n, характеризующего интенсивность торможения усадки, выдерживается на протяжении всего процесса спекания, как на этапе быстрого сокращения объема пор в начале, так и на этапе медленного его сокращения в конце.

Диапазон времен выдержки, в котором данное соотношение остается справедливым Уплотнение при спекании, достаточно велик – более 50 часов. Кроме этого, оно справедливо для порошков разной природы и полученных разными способами.

В результате интегрирования Ивенсен получил следующее выражение:

где: V – объем пор в некоторый момент времени t изотермической выдержки; Vн – начальный объем пор в момент времени t = 0; m – константа, характеризующая интенсивность снижения скорости сокращения объема пор во время спекания, m = n – 1; q – константа, имеющая смысл скорости относительного сокращения единицы объема пор в начале изотермической выдержки.

Чем больше m, тем интенсивнее тормозится уменьшение объема пор. Физический смысл этой константы можно уточнить следующим образом: величина m равна отношению относительных скоростей снижения концентрации несовершенств структуры металла и Уплотнение при спекании сокращения объема пор, то есть:

где: N – текущая концентрация несовершенств. Это означает, что при большой величине m сокращение объема пор сопровождается быстрым снижением концентрации несовершенств, а поэтому и более резким снижением скорости уплотнения.

Для величины q предложено следующее соотношение:

Численные значения q и m зависят от температуры спекания и свойств порошков. Для разных материалов q может возрастать или уменьшаться с увеличением температуры изотермической выдержки из-за противоположного влияния двух факторов. Один из них – снижение способности порошкового тела к дальнейшему уплотнению в период нагрева до заданной температуры. Другой – обычное влияние температуры на процессы, это уплотнение обусловливающие.

Для порошков металлов Уплотнение при спекании, карбидов, оксидов величина m всегда уменьшается с ростом температуры. Как правило, выполняется линейная зависимость ℓg m от 1/Т, если процесс спекания не нарушен образованием замкнутых пор. Рост m в области высоких температур является признаком тормозящего влияния давления газа, замкнутого в изолированных порах.

Зависимость усадки от времени, описываемая уравнением Ивенсена, объясняется тем, что запас энергии в единице массы порошка определяется не только его дисперсностью (т. е. площадью поверхности), но и состоянием поверхности, а также степенью дефектности частиц. Порошки с сильно развитой поверхностью и большой концентрацией дефектов уплотняются с большой скоростью. Затухание усадки связано с уменьшением свободной энергии.

На подтверждение Уплотнение при спекании этого "работает" эффект, заключающийся в том, что уровень плотности порошкового тела, достигнутый при изотермической выдержке при определенной температуре может быть повышен за счет подъема температуры, если это возможно по технологическим соображениям.

Это было продемонстрировано В.А. Ивенсеном на прессовках из различных порошков. Для серебряного порошка температуры выдержек были 600, 740 и 880 оС. Для медного и никелевого – соответственно 700, 850 и 1000 оС. Каждая изотермическая выдержка длилась чуть больше 2 часов. Наиболее простым объяснением этого явления может быть термическая активация новых дефектов при подъеме температуры.

Следует отметить, что способность порошкового тела к уплотнению не может быть охарактеризована только одним параметром, даже таким обобщенным, как "активность" (куда Уплотнение при спекании входит и дисперсность с избытком свободной поверхностной энергии, и концентрация дефектов).

Высокая начальная скорость уплотнения может сочетаться с резким торможением усадки, что бывает, например, при больших скоростях нагрева или в случае очень дисперсных (активных) порошков. При этом уровень достигнутой плотности может оказаться ниже уровня плотности при спекании с меньшей начальной скоростью усадки и менее интенсивным торможением (т. е. в случае менее активных порошков и/или спекания с меньшей скоростью нагрева).

Для более строгого описания развития усадки при скачке температуры и достижения более высоких относительных плотностей при меньших скоростях нагрева с меньшим затуханием уплотнения можно использовать подход Ивенсена, который вкратце можно сформулировать следующим Уплотнение при спекании образом:

Процесс спекания с уплотнением порошкового тела, как любой сложный процесс, может включать в себя несколько стадий с образованием промежуточных продуктов. В частности нагрев и выдержка при повышенных температурах дефектного кристалла, вероятно, приводит не к простому исчезновению исходных несовершенств, а к одновременному образованию новых несовершенств, качественно отличных от исходных. Эти новые несовершенства также исчезают, взаимодействуют друг с другом или с другими (исходными) несовершенствами (дефектами).

Исходя из этого подхода, представляется весьма возможным, что повышение текучести, выражающееся в ускорении усадки, вызывают не исходные несовершенства решетки, возникшие при производстве порошка и/или при его формовании, а так называемые "активные" или "подвижные Уплотнение при спекании" несовершенства, образующиеся при взаимодействии и исчезновении (аннигиляции) исходных. Эти дефекты взаимодействуют друг с другом и исчезают с большой скоростью, причем энергия активации взаимодействия "активных" несовершенств намного ниже энергии активации взаимодействия или исчезновения (аннигиляции) исходных (устойчивых) дефектов.

Текущая концентрация "активных" несовершенств будет определяться динамическим равновесием процессов их образования и исчезновения. В любой момент изотермического спекания скорости образования и исчезновения "активных" несовершенств должны быть равны при некоторой равновесной их концентрации.

При увеличивающейся температуре (нагреве или переходе от одной температуры изотермической выдержки к другой) "активные" несовершенства образуются быстрее, чем аннигилируют (исчезают). Это происходит потому, что энергия активации аннигиляции исходных дефектов и соответственно образования Уплотнение при спекании "активных" несовершенств оказывается больше энергии активации аннигиляции этих "активных" несовершенств. (Следует помнить, что чем выше энергия активации некоторого процесса, тем быстрее возрастает его скорость с повышением температуры; чем больше скорость подъема температуры, тем больше скорость процесса.)

Учитывая, что аннигиляция "активных" несовершенств не следует сразу же за их образованием, и требуется хотя и небольшое, но все-таки время для их сближения и взаимодействия (так называемое время жизни), можно сделать вывод, что из-за разницы в отмеченных выше энергиях активации при быстром повышении температуры должно наблюдаться накопление "активных" несовершенств. В этот период их текущая концентрация может значительно превысить равновесную величину Уплотнение при спекании при изотермическом спекании. После прекращения повышения температуры (или заметного уменьшения скорости повышения) концентрация "активных" несовершенств должна более или менее быстро снизиться до равновесного уровня, определяемого равенством скоростей их образования и аннигиляции (исчезновения). Этому снижению концентрации соответствует торможение усадки, четко фиксируемое на кривой уплотнения при ступенчатом подъеме температуры.

Очевидно, что наблюдаемая пониженная скорость уплотнения при нагреве порошковой заготовки до температуры изотермической выдержки с меньшей скоростью объясняется меньшей разницей между реальной и равновесной концентрациями "активных" несовершенств. Торможение усадки при приближении к температуре изотермической выдержки объясняется уменьшением разницы между реальной и равновесной концентрациями из-за снижения скорости подъема температуры.

Отмечаемая в некоторых Уплотнение при спекании экспериментах более высокая относительная плотность при спекании прессовок из теоретически менее активных порошков по сравнению с более активными (при одинаковых скоростях нагрева или при меньших скоростях нагрева первых) может быть объяснена не с позиций количества, а с позиций "качества" несовершенств. Ускорение уплотнения в этом случае зависит от энергии активации аннигиляции (исчезновения) первичных несовершенств и от способности материала генерировать активные несовершенства, причем этот подход может быть использован для описания различий в относительных плоскостях заготовок и на этапе изотермического спекания.

Следует отметить, что более низкие уровни относительной плотности заготовок после быстрого нагрева и определенной изотермической выдержки по сравнению с медленным нагревом могут Уплотнение при спекании объясняться проще, а именно более быстрой изоляцией пор и, как результат, противодавлением газа, замкнутого в этих порах. При медленном нагреве избыточный газ успевает выходить из усаживающихся, но все еще связанных друг с другом открытых пор.

Рассмотрим вкратце природу "активных" несовершенств и их влияние на массоперенос при спекании.

Возникшая при нагревании дефектного кристалла высокая концентрация вакансий быстро снижается благодаря перемещению их к стокам, где они исчезают. При интенсивной и длительной генерации вакансий возможна их "конденсация" (объединение) с образованием зародышей пор и рост этих зародышей. Такое объединение термодинамически оправдано, поскольку при образовании дивакансии из двух моновакансий выделяется энергия Уплотнение при спекании. Присоединение каждой следующей вакансии также энергетически выгодно, так что можно говорить об энергетической устойчивости вакансионных комплексов.

Самыми устойчивыми являются конфигурации с наиболее высокой энергией связи (поливакансии обладают наименьшей свободной энергией). Однако, по мнению В.А. Ивенсена, не все поливакансии приобретают максимально устойчивые конфигурации. Флуктуации энергии вызывают перескоки атомов в менее энергетически выгодные положения. При этом поливакансии "осциллируют", меняя конфигурации, причем доля менее энергетически выгодных конфигураций растет с температурой и, видимо, меняется по экспоненциальному закону.

Атомы на границе поливакансии более подвижны, чем в глубине кристалла, поэтому они могут отрываться от него и уходить в объем поливакансии. Есть основания предполагать, что в крупной поливакансии Уплотнение при спекании велика доля перемещения атомов в ее объеме (по сравнению с перемещением атомов по ее поверхности). Таким образом, можно говорить об образовании не столько субмикропоры, сколько квазижидкого дефекта (КД). По мере поглощения таким дефектом дополнительных вакансий должно произойти его превращение в зародыш поры.

КД – окруженный кристаллической решеткой субмикроскопический объем, заполненный веществом, находящимся в квазижидком состоянии.

Субмикропора – полость, ограниченная поверхностью раздела "твердое – пар" или "твердое – вакуум".

В квазижидком дефекте ускоренное поступательное движение атомов происходит во всем объеме, в субмикропоре – только в поверхностном слое.

Расчеты показали, что существует некий критический размер КД: если размер дефекта превышает его, наблюдается переход "квазижидкий дефект Уплотнение при спекании ® пора". Если размер дефекта меньше, КД остается тем, чем он является.

Отсюда становится ясно, что коагуляция вакансий не может сразу привести к образованию субмикропоры. Оценивая вероятность образования "жидкостного" дефекта вместо субмикропоры, следует учитывать напряженное состояние кристаллической решетки вокруг нее. Около поливакансии с поперечником 2×10-7 см (2 нм) окружающая решетка растянута отрицательным капиллярным давлением порядка 2500 МПа. Вероятно, растяжение решетки облегчает переход вещества в квазижидкое состояние (по аналогии с влиянием давления на температуру и энергию фазового перехода "твердое ® жидкое"). Расчеты показывают, что критический размер дефекта в таких условиях может быть намного больше 10-7 см (1 нм).

Около кважидкого дефекта кристаллическая решетка тоже находится в растянутом состоянии Уплотнение при спекании, но отрицательное капиллярное давление в этом случае намного меньше, чем около субмикропоры эквивалентного размера, которая получится в результате перехода "КД ® пора". Это обусловлено бóльшим радиусом кривизны поверхности и меньшей энергией границы "твердое – квазижидкое". Растянутая зона около жидкостного дефекта во многом предопределяет его поведение в спекающемся теле.

Аналогично движению вакансии, перемещающейся в поле напряжений, квазижидкий дефект, сохраняющий свойства поливакансии, также должен двигаться в поле напряжений. При этом его сферическая или центросимметричная форма может нарушаться. Передний (после начала движения) край дефекта на участке растворения будет расширяться, а противоположная сторона соответственно сужаться. В области сужения ("хвоста") развиваются очень большие сжимающие напряжения Уплотнение при спекании, которые могут превысить предел текучести кристаллического вещества.

Движение квазижидкого дефекта представляется как растворение вещества кристалла в "головной" части КД и перенос его в "хвост", где развиваются пластические деформации, и формируется структура, соответствующая понятию уже не "квазижидкого", а твердого состояния.

Дойдя до дислокации, КД "растворяется" в ней, вызывая резкий скачок участка дислокации в смежные плоскости. Эффект от поглощения квазижидкой поливакансии равноценен поглощению множества вакансий. Проходя ряд атомных плоскостей, дислокация (вернее ее переместившийся участок) может попасть в такую межатомную плоскость, где вблизи нет препятствий. В этой зоне создаются усилия сдвига, приводящие к быстрому смещению дислокации до встречи с очередным препятствием Уплотнение при спекании. Вызванный этим сдвиг следует рассматривать как единичный субмикроскопический акт деформации.

Вместе с тем, далеко не всякое взаимодействие квазижидкого дефекта с дислокацией заканчивается актом микродеформации. Если этот процесс проходит вне зоны интенсивного воздействия капиллярных сил, то при отсутствии сдвигового напряжения происходит лишь резкое перемещение дислокации в соседние атомные слои с исчезновением КД. Впрочем, и в зоне интенсивного воздействия этих сил не все дислокации расположены так, чтобы после скачкообразного перемещения попасть в слои с достаточным сдвиговым усилием.

Можно считать, что не все квазижидкие дефекты участвуют в создании микродеформаций, и исчезновение КД во многих случаях может происходить вхолостую с точки зрения микропластических сдвигов Уплотнение при спекании.

Подводя итоги по попыткам объяснения аномально быстрого уплотнения, наблюдаемого при неизотермическом спекании, а также иногда в начале изотермической выдержки, к упоминавшемуся диффузионно-аккомодационному механизму и механизму усадки с участием "активных" несовершенств следует добавить еще один, на первый взгляд похожий на диффузионно-аккомодационный.

Отмечаемое во многих экспериментах противоречие между реальной усадкой и ожидаемой по механизму Набарро-Херринга-Лифшица можно преодолеть, если предположить на стадии интенсивной усадки действие механизма, который связан с движением частиц, как целых объектов. При прессовании в пресс-формах аналогичный механизм, действующий на этапе структурной деформации, дает отчетливо заметные результаты. Однако если в случае структурной деформации при Уплотнение при спекании формовании есть возможность наглядно продемонстрировать процесс уплотнения, то в случае спекания необходимо косвенным путем доказывать справедливость предположений о схемах скольжения целых частиц друг относительно друга.

Простейшая модель скольжения частиц по диффузионной схеме состояла из четырех квадратных частиц, между которыми располагалась квадратная пора.

Скорость взаимного скольжения на границе контакта под действием сдвигового напряжения описывается уравнением:

где: λ – средняя длина шероховатости; h – ее высота; V0 – атомный объем; sτ – сдвиговое напряжение; D – коэффициент объемной диффузии; DG – коэффициент зернограничной диффузии; δ – толщина слоя зернограничной диффузии.

Макроскопическую скорость усадки на основе диффузионного скольжения можно описать следующим уравнением:

где: dP – среднее расстояние между порами; γS Уплотнение при спекании – поверхностная энергия; γG – зернограничная энергия; 2x – расстояние, преодолеваемое скольжением.

Подстановка реальных значений для конкретного эксперимента даст скорость усадки порядка 10-5 1/мин. Эта величина на 2 – 3 порядка меньше измеренной экспериментально.

Для осуществления усадки с проскальзыванием целых частиц в поры за счет диффузионно-дислокационного течения необходимо, чтобы скорость локальной деформации deD/dt такого течения в области контакта имела такую же величину, как и скорость усадки de/dt

где: NV – плотность дислокаций; – среднее линейное расстояние между "свободными" подвижными дислокациями; D – коэффициент объемной диффузии; Р – среднее капиллярное давление.

где: А1 – численный коэффициент, равный 1 ¸ 4 в зависимости от геометрии частиц; γS – поверхностная энергия; γG – энергия контактной межзеренной границы Уплотнение при спекании; П – пористость; – средний размер частиц,

При Nv » (1,0 ¸ 1,7)×1010 1/см2; Р ≈ 0,05 МПа, что соответствует параметрам интенсивной усадки, deD/dt ≈ (3,0 ¸ 5,0)×10-2 1/мин. Это совпадает с экспериментальными значениями.

В ходе исследований было показано, что максимальная скорость усадки совпадает по времени с процессами неконсервативного движения свободных дислокаций. Это позволяет сделать вывод, что стадия интенсивной усадки характеризуется "исчерпыванием" свободных дислокаций в процессе их переползания.

Совершенно очевидно, что происходящие при спекании стабилизация кристаллической структуры, увеличение плотности нагреваемого порошкового тела, сопровождающееся повышением микроскопической вязкости, влияют на кинетику уплотнения. Влияние дефектов принято называть структурным фактором (по Бальшину); влияние упрочнения – геометрическим фактором (по Ивенсену).

Увеличение плотности пористого порошкового тела Уплотнение при спекании уменьшает его способность к деформированию под действием одних и тех же капиллярных сил из-за увеличения площадей контактных участков и увеличения макроскопической вязкости всего тела.

Вязкость порошкового тела некорректно принимать равной вязкости (табличной) материала порошка (слайд "Вязкость порошкового тела"). По МакКензи:

где: h1 – вязкость вещества в режиме, не приводящем к уплотнению; hк – вязкость компактного материала; J – относительная плотность.

где: h2 – вязкость вещества в режиме, приводящем к уплотнению.

где: d – параметр решетки; D – коэффициент объемной диффузии; L – характерный размер элемента структуры (зерна, частицы и т.п.).


documentanjrjrl.html
documentanjrrbt.html
documentanjrymb.html
documentanjsfwj.html
documentanjsngr.html
Документ Уплотнение при спекании