Твердофазное спекание

Твердофазное спекание – спекание порошкового тела без образования жидкой фазы.

Спекание однокомпонентных систем

Строго говоря, термин "однокомпонентная порошковая система" довольно условен, поскольку частицы порошка практически всегда содержат примеси в виде газов, адсорбированных на поверхности или растворенных в объеме, а также химических соединений, влияние которых на проходящие процессы приходится учитывать.

Термодинамические предпосылки спекания однокомпонентных систем

В исходном состоянии порошковая формовка представляет собой тело, по своему энергетическому состоянию весьма удаленное от равновесия. Источниками избыточной энергии являются:

1. Большая поверхность раздела фаз, а именно суммарная поверхность частиц, контактирующих друг с другом, с порами и окружающей средой;

2. Дефекты кристаллической решетки материала порошка: вакансии, дислокации (краевые и винтовые), границы зерен в пределах частиц, микро- и нанопоры внутри них.

Следует иметь в виду, что в многокомпонентных системах может появляться еще один источник избыточной энергии – неравномерное распределение компонентов по объему заготовки на макроуровне, причем его вклад может значительно превосходить вклад указанных выше источников.

Стадии спекания

Всю сложную последовательность процессов, протекающих при спекании однокомпонентных систем можно условно разделить на отдельные стадии по характеру изменения некоторых ключевых объектов в спекаемом теле.

Для двух частиц, находящихся в контакте друг с другом внутри порошковой заготовки, вводят понятие межчастичного контакта или "шейки".

Я.Е. Гегузин предложил укрупненную классификацию стадий спекания (слайд "Структура порошкового тела на разных стадиях спекания").

На первой (начальной) стадии происходит припекание частиц друг к другу, что сопровождается увеличением площади контакта между ними, однако каждая частица сохраняет свою индивидуальность, а границы раздела не меняют своего положения в пространстве.

На второй стадии пористое тело может быть представлено как совокупность перемежающихся фаз – фазы вещества и "фазы пустоты" (т.е. пор). Первоначальные контакты между частицами исчезают, границы между ними меняют свое положение в пространстве, изоляция пор еще не началась.

На третьей стадии в порошковом теле наблюдаются лишь изолированные (замкнутые) поры, число которых и их суммарный объем могут уменьшаться.

Четких границ между указанными стадиями нет; так при определенных условиях изолированные поры встречаются уже в конце неизотермического спекания (прогрева), а первичные контакты между частицами могут наблюдаться после многочасовой изотермической выдержки.

Некоторые технологии получения порошковых материалов и изделий могут ограничиваться только первой стадией, например получение металлических фильтров из крупных сферических порошков, спеканием в состоянии свободной насыпки.

Более детальное разделение спекание предусматривает уже не три, а шесть стадий.

1. Развитие и/или возникновение с последующим развитием связей между частицами порошка.

2. Образование и рост "шеек" на межчастичных контактах.

3. Закрытие сквозной пористости.

4. Сфероидизация пор.

5. Уплотнение порошкового тела за счет усадки изолированных пор.

6. Укрупнение (коалесценция) пор.

Развитие связей между частицами начинается сразу после начала нагрева порошковой формовки. Это диффузионный процесс, приводящий к увеличению межчастичных контактов, то есть к увеличению прочности, тепло- и электропроводности заготовки. В конце этой стадии могут появиться характерные образования, называемые "шейками".

Рост "шеек" осуществляется за счет продолжающегося массопереноса в область межчастичного контакта по различным механизмам.

Результатом роста "шеек" является пережатие ими сквозных поровых каналов, приводящее к образованию отдельных изолированных пор или их групп. На данной стадии может наблюдаться уменьшение суммарного объема пор, то есть усадка. В ряде случаев целесообразно спекание на этом остановить.

Сфероидизация пор также может быть следствием роста "шеек", поскольку вещество с некоторых участков поверхности перемещается в область контакта, так что поры округляются, не меняя своего объема (слайд "Сфероидизация пор в результате роста "шеек").

Усадка изолированных пор требует высоких температур и длительных выдержек. Теоретически эта стадия, длящаяся десятки или даже сотни часов, может привести к формированию малопористого, и даже беспористого тела.

Укрупнение (коалесценция) пор представляет собой рост крупных пустот за счет уменьшения и исчезновения мелких. Общий уровень пористости (суммарный объем пустот) при этом не изменяется.

Условно первые две стадии детального разделения процесса спекания можно поставить в соответствие первой стадии деления по Я.Е. Гегузину, третью и четвертую – второй стадии, и соответственно пятую и шестую – третьей.