3.4. Спекание и дополнительная обработка порошковых материалов

Прочность отформованных полуфабрикатов ничтожно мала, так как со­храняется только за счет сил механического сцепления частиц. Для обес­печения работоспособности изделий необходимо обеспечить между частица­ми межатомные связи, которые могут возникнуть за счет диффузии атомов в процессе спекания.

Спекание осуществляют в атмосфере нейтральных газов (аргон, азот) в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода, диссоциирован­ный аммиак) или в вакууме. Восстановительная атмосфера позволяет раз­рушить оксидные пленки на частицах и активизировать образование меж­атомных связей. Температура спекания составляет 0,7-0,9 температуры плавления Тпл однородного материала или наиболее легкоплавкого ком­понента.. Для спекания используют индукционные или электрические печи с соответствующей атмосферой. Длительность спекания составляет от по­лучаса до нескольких часов.

При нагреве в изделии происходят следующие процессы. При темпе­ратуре 100-150°С выгорают или испаряются технологические добавки и смазки, удаляются пары и газы. С повышением температуры до 0,4-0,5 Тпп наблюдается разрушение оксидов с восстановлением основных компо­нентов, в зонах контакта частиц возникают межатомные связи за счет поверхностной диффузии атомов. При этом протяженность контактных зон возрастает, а поры сфероидизируются. При дальнейшем повышении темпе­ратуры диффузия усиливается и становится пространственной, размеры пор сокращаются, может наблюдаться изменение объема изделия (усадка). В результате изотермического спекания между частицами возникают ус­тойчивые межатомные связи и изделие приобретает соответствующую проч­ность и работоспособность.

Прочность спеченных изделий зависит от исходной плотности, так как по­ристость в процессе спекания изменяет­ся, но незначительно. Показатель по­ристости П и относительная плотность ρ/ρ_к связаны соотношением П=(1- ρ/ρ_к). Чем меньше пористость, тем выше пре­дел прочности σ_в. Для однородных ма­териалов он становится близким к пре­делу прочности компактного материала σ_вк (рис. 3.4). Сравнивать же прочность многокомпонентных спеченных материалов с прочностью компактного материала того же химического соста­ва не всегда правомочно. Очень многие многокомпонентные спеченные материалы являются композиционными, сущность которых будет изложена ниже.

σ_в

σ_вк

1

П

Рис. 3.4. Зависимость относительной прочности от пористости спеченного материала.

Кроме рассмотренного процесса твердофазного спекания существует спекание жидкофазное, когда температура спекания выше температуры плавления одного из компонентов. В этом случае жидкая фаза смачивает твердые частицу с формированием впоследствии устойчивых металлических связей. Иногда может происходить и взаимное растворение компонентов с образованием твердых растворов и химических соединений.

Примером жидкофазного спекания могут служить бронзографитовые материалы из компо­нентов: медь, олово, графит. Олово смачивает медные частицы, постепен­но растворяет медь и жидкая фаза исчезает. При кидкофазном спекании пористость существенно меньше (1-2%).

Спеченные изделия в ряде случаев подвергают дополнительной обра­ботке: калибровке с целью повышения точности; пластическому деформи­рованию для снижения пористости; термической и химико-термической об­работке, если необходимо изменить механические свойства и микрострук­туру; пропитке смазочными веществами; механической обработке.