Спекание порошковых материалов.

Заключительной операцией технологии порошковой металлургии является спекание. Оно заключается в нагреве и выдержке сформованного изделия при температуре ниже точки плавления основного компонента.

Спекание проводят для увеличения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. Спекание сопровождается ростом контактов между отдельными частицами порошка. Это является следствием протекания в спекаемом теле при нагреве следующих процессов: восстановления поверхностных оксидов, диффузии, рекристаллизации и др. Протекание этих процессов зависит от температуры и времени спекания, среды, в которой осуществляется спекание, и других факторов.

При спекании изменяются линейные размеры заготовки (обычно наблюдается усадка) и физико-механические свойства спеченных материалов. Температура спекания обычно составляет 0,6…0,9Т_пл порошка для однокомпонентной системы, или ниже Т_пл материала матрицы для композиций, в состав которых входят несколько компонентов. Время выдержки при спекании составляет 30…90 мин. Увеличение времени и температуры спекания до определенных пределов способствует увеличению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение пределов технологических параметров может привести к снижению прочности в результате роста зерен кристаллизации.

Для многокомпонентных систем различают твердофазное и жидкофазное спекание.

Твердофазное спекание сопровождается возникновением и развитием связей между частицами, образованием и ростом контактов (шеек), закрытием сквозной пористости, укрупнением и сфероидизацией пор, уплотнением заготовки за счет усадки. В процессе спекания происходит массоперенос вещества через газовую фазу за счет поверхностной и объемной диффузии, вязкого течения, течения, вызванного внешними нагрузками (спекание под давлением). При спекании наблюдается также рекристаллизация (рост одних зерен за счет других той же фазы). Уплотнение при нагреве в основном происходит за счет объемной деформации частиц, осуществляемой путем объемной самодиффузии атомов. Температура твердофазного спекания составляет 0,7…0,9 от температуры плавления самого легкоплавкого компонента смеси. Движущей силой процесса является стремление системы к минимуму поверхностной энергии.

Жидкофазное спекание протекает в присутствии жидкой фазы легкоплавкого компонента, которая хорошо смачивает твердую фазу, улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффузии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга. Твердая фаза в зоне контакта может растворяться в жидкой, интенсифицируя процессы массопереноса.

Спекание проводят в среде защитного газа или вакууме.

Совмещение процесса прессования и спекания наблюдается при горячем прессовании, которое производят при Т=(0,5…0,9)Т_пл основного компонента. Благодаря нагреву процесс уплотнения протекает значительно интенсивнее, чем при обычном прессовании, что позволяет значительно снизить давление прессования. Время выдержки составляет от 15…30 мин до нескольких часов. Горячепрессованные детали имеют мелкозернистую структуру.

Материал для изготовления пресс-форм для горячего прессования должен иметь достаточную прочность при температурах прессовнаи, не реагировать с прессуемым порошком, быть дешевым. При Т_{прессования}=500…600⁰С применяют жаропрочные сплавы на основе никеля, при Т_{прессования}=800…900⁰С – твердые сплавы. В случае более высоких Т_{прессования}=2500…2600⁰С единственным материалом для пресс-форм служит графит, прочность которого с увеличением температуры повышается.

Однако низкая производительность, малая стойкость пресс-форм (10…12 прессовок), необходимость проведения процесса в среде защитных газов ограничивают применение горячего прессовании и обусловливают его использование только в тех случаях, когда другие методы порошковой металлургии не могут быть использованы.