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 / rп |
(5.2) |
где γ – поверхностная энергия расплава; υ – угол смачивания; rп – радиус поровых каналов. Условие осуществления инфильтрации υ < 90о. При υ ≥ 90о 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 rп τ / ηж)1/2 . |
(5.3) |
Длительность полной инфильтрации τп можно определить по формуле:
τп = 4 ηж h2 / (rп γ cos υ ± g V ρж rп2) / S, |
(5.4) |
где g – ускорение свободного падения; V – начальный объем пор в формовке; ρж – 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 – 150оС выше температуры плавления наложенного компонента. Образующийся расплав впитывается в поры каркаса. Для расчета τп 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).
Рис. 5.1. Микроструктура
порошковой инфильтрованной стали
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 – ρн) /(1 – ρ) ] ~ 0,75 τР / η, |
(5.5) |
где ρ относительная плотность образца после прессования; ρн – начальная относительная плотность образца; коэффициент вязкости; Р – давление прессования; время выдержки.
Рис. 5.2. Температура
и давление, обеспечивающие плотность
99 % при горячем прессовании железного
порошка
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 1000С 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.
Рис. 5.3. Способы нагрева порошка при горячем прессовании:
а – прямым пропусканием тока через порошок и пресс-форму (I),
через порошок (II), через пресс-форму (III), импульсным током
высокого напряжения (IV); б – индукционным нагревом порошка (I), пресс-формы (II), промежуточного экрана (III)
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 |
D, 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 1150С. 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.
Рис. 5.4. Горячее прессование капсулы с порошком: 1 – штамп;
2 – верхний пуансон; 3 – капсула с порошком; 4 – нижний пуансон;
5 – подкладное разрезное кольцо; 6 – шабот пресса
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 2500оС.
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 заряд тока.
Рис. 5.5. Установка электроразрядного спекания: 1 – устройство для создания механического давления; 2,12 – электроды-пуансоны;
3 – трубопровод; 4,5 – измерительные электроды; 6 – порошок;
7 – бункер; 8 – источник электропитания; 9 – устройство съема
сигналов от электродов 4 и 5; 10 – усилитель; 11 – источник тока для спекания; 13 – матрица пресс-формы; 14 – рабочая полость матрицы
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.