5.2. Инфильтрация

Заполнение пор порошковой формовки расплавленным металлом или сплавом называют инфильтрацией. До 1982 г. инфильтрацию называли «пропитка». Первые исследования процесса инфильтрации появились в 1914 г., а промышленное применение этой технологии началось в 1945 г. Сущность инфильтрации проста: из порошка тугоплавкого компонента формуют пористый каркас, а затем поры каркаса заполняют расплавом более легкоплавкого компонента. Теория процесса примерно та же, что и при жидкофазном спекании. Капиллярные силы, создают давление на расплав:

ΔР = 4 γ cos υ / r_п , (5.1)

где γ – поверхностная энергия расплава; υ – угол смачивания; r_п – радиус поровых каналов. Условие осуществления инфильтрации υ<90^о. При υ≥90^о инфильтрация невозможна. Например, пористое тело из Al₂O₃ невозможно заполнить расплавом железа из-за плохой смачиваемости. Уплотнение порошкового тела при инфильтрации аналогично спеканию в присутствии жидкой фазы. Скорость инфильтрации составляет около 1 мм/c. Высота (толщина) инфильтрованного слоя h зависит от свойств расплава и длительности его контакта τ с твердым каркасом:

h = (1/π) (γ cos υ r_п τ / η_ж)^1/2 _, (5.2)

Длительность полной инфильтрации τ_п можно определить по формуле:

τ_п = 4 η_ж h² / (r_п γ cos υ ± g V ρ_ж r_п²) / S , (5.3)

где g – ускорение свободного падения; V – начальный объем пор в формовке;

ρ_ж – плотность расплава; S – площадь сечения формовки.

Инфильтрацию из внешних источников ведут методом наложения или методом погружения. При методе наложении пористый каркас, вместе с помещенным на нем (наложенным) твердым легкоплавким компонентом, загружают в нагревательное устройство с защитной атмосферой или вакуумом и нагревают до температуры на 100-150^оС выше температуры плавления наложенного компонента. Образующийся расплав впитывается в поры каркаса. Для расчета τ_п по методу наложения формулу (5.3) берут со знаком «+». По методу погружения (знак « - » в формуле 5.3) пористый каркас погружают в предварительно расплавленный легкоплавкий компонент.

Для сплавов на основе железа хорошим инфильтрантом является медь с добавками никеля, марганца, алюминия, углерода, цинка. На рис 5.1 представлена микроструктура инфильтрованной стали с исключительно высокой ударной вязкостью (около 3 МДж/м²) при содержании углерода 0,9% (зарубежные данные).

5.3. Горячее прессование

Горячее прессование представляет собой совмещенный процесс спекания и прессования, проводимый при температурах 0,5 – 0,9 от температуры плавления прессуемого материала. При горячем прессовании помимо давления капиллярных сил, способствующих развитию межчастичных контактов, на порошковое тело действуют внешние силы, вызывающие диффузионную ползучесть (крип) при напряжениях ниже предела текучести и пластическое течение, при напряжениях выше предела текучести.

На рис. 5.2 показано соотношение температуры и давления, которые при горячем прессовании обеспечивают получение заготовок с плотностью 99% из железного порошка. Скорость уплотнения при прессовании приближенно может быть выражена уравнением Маккензи и Шаттлворса:

ln [(1 – ρ_н) /(1 – ρ) ] ~ 0,75 τР/η (5.4)

где ρ  относительная плотность образца после прессования; ρ_н – начальная относительная плотность образца;   коэффициент вязкости; Р – давление прессования;   время выдержки.

Наибольшее распространение в промышленности получил способ одноосного горячего прессования порошков в токопроводящих пресс-формах, которые одновременно служат нагревателями (рис.5.3). Материалом для прессформ обычно служит графит. При температурах прессования до 1000С используют и металлические пресс-формы из жаропрочных сплавов. При более высоких температурах, наряду с графитовыми, применяют также пресс-формы из тугоплавких оксидов, силикатов и других соединений. Для предотвращения взаимодействия прессуемого материала со стенкой пресс-формы внутреннюю поверхность последней покрывают инертными составами (жидкое стекло, эмаль, нитрид бора и др.). Для защиты прессуемого материала от окисления процесс прессования проводят в защитной атмосфере или вакууме. В качестве оборудования, создающего требуемое давление при прессовании, применяют чаще всего гидравлические прессы с усилием до 1 МН.

Горячее одноосное прессование применяется, прежде всего, для производства особых композиционных материалов. Другим примером промышленного применения горячего прессования является высокотемпературный синтез искусственных алмазов и сверхтвердых материалов для режущих и других инструментов. В табл.5.2 представлены зарубежные данные о составе и технологии горячего прессования при производстве особых композиционных материалов.

Таблица 5.2. Состав материалов и технология горячего прессования

Состав материала	, мкм	Т, оС	Р, МПа	τ, ч	Материал формы
Ni-30TiC SiAlON-20SiC Ti-67TiC TiAl-5SiC TiB2-10Ni ZrO2-3Y2O3	2 0,1 1 65 5 0,15	1300 1750 1550 900 1550 1300	200 30 24 100 12 20	2 0,5 1,5 1 2 1	Al2O3 Графит Титан Графит Графит Графит

Примечание: D – размер порошковых частиц; Т – температура изотермической выдержки; Р – давление прессования; τ – время выдержки.

Автор с сотрудниками применяли одноосное горячее прессование при уплотнении порошков инструментальных сталей в капсулах. Порошок со средним размером частиц ~ 100 мкм засыпали в тонкостенные капсулы из мягкой стали. Капсулы герметизировали приваркой крышек и нагревали в термической печи до температуры 1150С. Затем капсулу переносили в простейший штамп и прессовали при давлении около 300МПа (рис.5.4). Прессование проводили в два приема. Первым нажатием через верхний пуансон уплотняли верхнюю часть капсулы. Затем из-под штампа удаляли подкладное кольцо и вторым нажатием пресса уплотняли нижнюю часть капсулы через нижний пуансон. При отношении высоты капсулы к ее диаметру 1,5 – 2,0 в исходном состоянии, плотность порошковой заготовки после прессования составляет примерно 0,95 от теоретической. После удаления остатков капсулы с поверхности прессовки ее можно подвергать различным способам горячей деформации: ковке, прокатке и др. Преимуществом описанной технологии является простота и экономичность. Внедрение технологии не требует специального оборудования и может быть осуществлено в любом кузнечно-прессовом цехе. Недостатком технологии является сравнительно низкий выход годного из-за потерь металла при удалении остатков капсулы.

Прессы для горячего прессования, оборудованные устройствами для нагрева порошковой формовки, могут быть гидравлическими, пневматическими или механическими. В промышленности чаще применяют специальные гидравлические прессы. Например, прессы горячего прессования, применяемые в Германии, позволяют производить порошковые заготовки диаметром от 50 до 250 мм, при усилии прессования от 100 до 1500 кН, и температуре прессования до 2500^оС.

Особым случаем горячего прессования является электроразрядное (искровое) спекание. За рубежом его называют «Spark Sintering». Схема установки электроразрядного спекания показана на рис.5.5. Сущность этого процесса в том, что через порошок с помощью электродов-пуансонов, к которым приложено давление, пропускают сильный электрический разряд. При этом движущие силы уплотнения, характерные для обычного горячего прессования, дополняются электромеханическими силами, которые порождает разряд тока. Массоперенос в порошковом теле при прохождении импульсного электротока резко возрастает. Приконтактное вещество может частично растворяться или даже возгоняться с переходом в плазму.

Электроразрядное спекание обычно проводится в две стадии. На первой стадии через слабоспрессованный брикет пропускается электрический ток небольшой плотности (несколько ампер на см²). При этом на множестве межчастичных контактов возникает искрение и разрушение оксидных пленок. На второй стадии резко повышается плотность тока (несколько кА на см²) и давление прессования. В конце периода повышенного давления температура достигает максимального значения. Процесс длится несколько минут. После этого ток отключают, давление медленно понижают за время охлаждения порошковой заготовки.