5. 4. Спекание

Спеканием порошковой формовки называют нагрев и выдержку ее при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Это одна из важнейших технологических операций, результатом которой является превращение непрочного порошкового тела в прочное спеченное изделие со свойствами, приближающимися к свойствам литого металла. Такое превращение есть следствие изменения характера межчастичных контактов: если в формовке или свободно насыпанном порошке частицы связаны между собой механически (сцеплением, зацеплением и опиранием одних частиц на другие), то в спеченном изделии образуются обширные области вещества, принадлежащие сразу нескольким частицам. Плотность, прочность и другие физические и механические свойства спеченных изделий зависят от свойств исходных порошков и условий изготовления: давления прессования, температуры, времени и атмосферы спекания и других факторов.

Возможны две основные разновидности процесса спекания  твердофазное, то есть без образования жидкой фазы, и жидкофазное, при котором нагрев порошковой формовки проводят при температуре, обеспечивающей появление жидкой фазы.

Основными процессами, проходящими при спекании, являются: поверхностная и объемная диффузия атомов, перенос атомов через газовую фазу, усадка, рекристаллизация.

Диффузия  это перемещение атомов, которое может совершаться как по поверхности тела, так и в его объеме. В результате движения атомов происходит расширение контактных участков, приводящее к развитию межчастичного сцепления.

Перенос атомов через газовую фазу связан с процессом испарения вещества с поверхности одних частиц и его конденсация на поверхности других частиц. Перенос вещества идет в направлении межчастичного контакта, увеличивая его протяженность и повышая прочность межчастичного сцепления.

Усадка проявляется в изменении размеров нагреваемого порошкового тела. Принято различать объемную и линейную усадку. Условно процесс усадки можно разделить на три последовательно происходящие стадии.

Ранняя стадия. Плотность порошкового тела мала и скорость уплотнения зависит от процессов, происходящих в приконтактных областях. Скорость смещения относительно друг друга и объемного деформирования частиц под действием поверхностного натяжения путем объемной самодиффузии атомов по пустотам, что обеспечивает заполнение пор металлом, высока.

Промежуточная стадия. Плотность порошкового тела достаточно велика и уменьшение объема каждой из пор, в совокупности составляющих некий единый ансамбль, может происходить фактически независимо. Уплотнение происходит равномерно во всем объеме нагреваемого тела, если его пористость однородна.

Поздняя стадия. Порошковое тело содержит отдельные изолированные поры, которые зарастают в результате объемной диффузии атомов. До окончательного исчезновения пор может происходить процесс их укрупнения (коалесценция), при котором мелкие поры как бы поглощаются (растворяются) крупными и исчезают, тогда как суммарный объем пор сохраняется неизменным.

Источником движущей силой процесса усадки при спекании является стремление системы (порошкового тела) к уменьшению запаса внутренней энергии, что возможно только за счет сокращения суммарной поверхности раздела между веществом и порами.

Рекристаллизация. Рост (рекристаллизация) зерен при спекании  одно из важных наблюдаемых явлений, при котором мелкие зерна исчезают, а суммарная поверхность раздела между частицами уменьшается.

При спекании порошковых формовок совершаются сложные физико-химические процессы, весьма чувствительные к окружающей газовой среде, поэтому в подавляющем большинстве случаев их нагрев проводят в среде защитных газов или даже вакууме. Выбор среды спекания определяется экономической целесообразностью (чем дешевле заготовка, тем меньше должна быть стоимость среды).

Основными видами брака при спекании являются:

- скрытый расслой  появление в изделии трещин;

- недопекание, нарушение требований плотности и прочности спеченного изделия при занижении температуры или времени изотермической выдержки;

- пережог, нарушение нормальной структуры спеченного изделия при превышении температуры спекания;

- коробление, искажение формы изделия, приводящее к нарушению требуемых геометрических размеров изделия;

- вспучивание, появление пузырей на поверхности изделия;

- окисление, появление на поверхности изделия окислов.