Глава 4. Спекание

4.1. Сущность, движущая сила и виды спекания

В общем случае под спеканием понимается происхо­дящий при высоких температурах процесс получения из слабосвязан­ного пористого зернистого материала плотного и прочного камневидного тела, сопровождающийся, как правило, уменьшением внешних размеров спекающегося тела (усадкой).

Конечным результатом спека­ния является получение из конгломерата слабосвязанных силами ад­гезии и трения плотного малопористого и прочного камневидного тела, свойства которого обусловлены силами химической связи.

Таким образом, спекание, в сущности, сводится к «удалению» пор из пористого тела за счет их самопроизвольного зарастания (запол­нения веществом) при высокой температуре.

С термодинамической точки зрения спекание представляет собой нестационарный необратимый процесс перехода системы в более стабильное, устойчивое состояние за счет самопроизвольного уплот­нения дисперсного пористого тела. Движущей силой процесса спе­кания является поверхностная энергия. В исходном состоянии пористое тело имеет развитую внутреннюю межфазовую поверхность и представляет собой систему, далекую от термодинамического рав­новесия. Это обусловлено повышенным запасом свободной поверх­ностной энергии. Как известно, любая система имеет тенденцию к сокращению межфазовой поверхности, что равносильно уменьшению поверхностной и, следовательно, общей энергии системы. При спекании эта тенденция реализуется за счет заполнения веществом пор между зернами и внутри зерен, что приводит к сокращению внут­ренней поверхности тела.

Основным физическим процессом при спекании является про­цесс массопереноса (диффузии), обеспечивающий заполнение пор веществом. В зависимости от механизма массопереноса различают несколько видов спекания: твердофазовое (диффузионное) спекание, жидкостное спекание, спекание за счет процесса испарение — кон­денсация, спекание за счет пластической деформации под давлением, реакционное спекание (за счет протекания химической реакции). Наиболее часто встречающимися в технологии силикатных и других тугоплавких материалов являются твердофазовое и жидкостное спе­кание. В зависимости от состава спекающегося материала и условий спекания один из его видов может преобладать, однако для многих материалов часто наблюдается совместное действие различных ви­дов спекания. Ниже проедена характеристика отдельных видов спекания в их чистом виде.

Процесс спекания относится к одному из важнейших процессов, протекающих при изготовлении различных силикатных и других тугоплавких материалов и определяющих в значительной степени свойства получаемых продуктов. С увеличением степени спекания из­делий возрастают их плотность, прочность, твердость, химическая стойкость, уменьшаются газо- и водопроницаемость.

4.2. Твердофазовое спекание

Стадии твердофазового спекания. Как показывает назва­ние, этот вид спекания осуществляется под действием температуры за счет переноса вещества в твердой фазе в отсутствие жидкости и без участия газовой фазы. Сложную последовательность процессов, про­исходящих при твердофазовом спекании, можно условно разделить по чисто геометрическому признаку на три стадии.

Начальная стадия спекания (рис. 66, а). На этой стадии, когда пористость заготовки очень велика, уплотнение зернистого тела происходит за счет скольжения частиц по границам зерен. Это про­исходит в результате того, что в объеме заготовки благодаря развитой поверхности сосредоточена избыточная свободная энергия. Отноше­ние последней к объему заготовки обусловливает величину давления, стремящегося сжать материал и уменьшить его свободную поверх­ность.

Таким образом, первая стадия уплотнения связана с перемеще­нием зерен в целом. Это перемещение заканчивается при достиже­нии плотной упаковки частиц, и в дальнейшем уплотнение может про­исходить только за счет массопереноса в объеме зерен, а не за счет их движения. На этой стадии происходит также взаимное припекание зерен, выражающееся в увеличении площади контакта между ними и сближении их центров. Однако отдельные зерна на этой стадии про

Рис. 66. Стадии процесса спекания:

1 — граница спекающегося тела;

2 — твердая фаза;

3 — поры

должают сохранять свою индивидуальность, т.е. границы между ними сохраняются. Отличительной особенностью начальной а б в стадии спе­кания является значительная усадка спекающегося тела.

Промежуточная стадия спекания (рис. 66, б). На этой стадии площадь контакта между зернами интенсивно увеличивается и зерна постепенно сливаются друг с другом, теряя свою индивидуальность. Поры вначале приобретают вид сообщающихся каналов (открытые поры), величина которых постепенно уменьшается за счет заполне­ния веществом, в результате чего к концу этого периода формируют­ся изолированные поры, находящиеся либо на границе зерен, либо внутри них. На промежуточной стадии происходят равномерное уплотнение пористого тела и его дальнейшая усадка.

Конечная стадия спекания (рис. 66, в). На этой стадии в спека­ющемся теле остаются в основном лишь замкнутые изолированные поры, количество и размер которых постепенно уменьшаются за счет их зарастания (заполнения веществом).

Механизм твердофазового спекания. Теоретическое описание ме­ханизма твердофазового спекания дали в 40-х годах прошлого столе­тия отечественные ученые Я.И. Френкель и Б.Я. Пинес.

По Френкелю, твердофазовое спекание осуществляется за счет диффузионной ползучести твердого тела при высокой температуре под действием сил поверхностного натяжения. На искривленной по­верхности зерен возникают силы избыточного давления, зависящие от поверхностного натяжения и размера зерен. Это давление доста­точно велико и может достирать нескольких десятых долей МПа. Под его действием частицы твёрдого тела перемещаются и в конечном итоге сливаются подобно слиянию капель вязкой жидкости. Такое перемещение частиц, названное Френкелем вязким течением, пред­ставляет собой кооперативное движение атомов или ионов диффу­зионным путем.