2 Лекция

Спекание – является одним из наиболее важных процессов так, как после спекания полученные изделия, если у них есть дефекты, то их сложно уничтожить (неисправимый брак, идёт на хим. обработку). Определяют конечные свойства материала после процесса спекания.

Во время спекания происходит много физико-химических явлений, причём эти процессы идут параллельно и последовательно, сл-но нет единой теории спекания.

Процессы, протекаемые при процессе спекания, диффузионно-конролируемые. Там где диффузия – там дефекты.

Диффузия – это распространение и перенос массы элементарными частицами. Движущей силой диффузии является градиент химического потенциала в системе.

В порошках по мимо выравнивание химического потенциала, идёт ещё уменьшении избыточной поверхностной и свободной энергии системы.

Порошок отличается, от компактных материалов, свободной энергией в системе (поверхностью) (сл-но порошки более химически активны, могут самовозгораться, окисляться, растворяться). Поверхностные атомы обладают избыточной энергией и они стремятся уйти в глубь, то по мимо того что у нас есть избыточная поверхностная энергия, у нас возникает ещё одна энергия (энергия дефектов).

Избыточная свободная энергия:

ΔG₁ – избыточная поверхностная энергия

ΔG₁ – энергия дефектов кристаллической решётки

σ – удельная поверхностная энергия

S_уд – удельная площадь всех частиц порошка

ΣS – суммарная поверхность всех частиц порошка

m – масса частиц

поверхность 1 частицы порошка =

объём сферы =

N_ч – количество всех частиц

Энергия дефектов

Дефекты бывают:

• Линейные

• Точечные

• Объёмные

• Поверхностные

Равновесные дефекты – точечные. Обладают равновесной концентрацией (для каждой температуры существует своя концентрация дефектов)

Линейные дефекты не равномерны.

G – модуль сдвига

b –вектор Бюргерса

ρ –плотность дислокаций

V_в – вольный объём

Избыточная энергия, полученная у дефектов будет прямопропорциональна плотности дислокаций.

Определённая теоретически рассчитанная, избыточная свободная энергия для всех металлов не превышает 500-2000 Дж.

Избыточная свободная энергия порошков меньше энергии большинства химических реакций. Равновесия этих реакций практически не зависят от дисперсности порошков. Тем не менее эта энергия сопоставима с энергией процесса спекания. Дисперсность порошков может повлиять на процесс спекания.

Практически для всех металлов такой границей, при которой дисперсность существенно влияет на ход процесса спекания является размер частиц 0,2-0,5 мкм (размер частиц, ниже которого существенно влияют на равновесие процессов, происходящих при спекании)

Термодинамические свойства порошков важны при процессе спекания.

Вносит свой вклад в избыточную свободную энергию порошков (в формовках) избыточная энергия границ зёрен.

Любая система, которая обладает избыточной энергией, стремиться к минимуму энергии => При спекании система будет стремиться к минимуму энергии. В идеале, с термодинамической точки зрения, минимальной энергией обладает монокристалл с равновесной концентрацией дефектов.

Движущая сила процесса спекания

Спекание может быть, как физико-химический процесс, или как технологическая операция.

Если рассматривать процесс спекания как технологическая операция, то внешними признаками спекания служат:

Внешними признаками спекания служат:

• Уменьшение размеров (усадка)

• Уменьшение пористости и увеличение кажущейся плотности

• Повышение прочности спекаемого тела

• Повышение электропроводности спекаемого тела

Усадка может быть положительной и отрицательной:

+ когда уменьшается размер тела

- когда увеличивается размер тела

Целью спекания можно считать достижение определённого уровня заявленных свойств

Спекание

В результате по ГОСТу спекания - это процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств материала, полученного нагревом сформованного или свободно насыпанного порошка без расплавления основного компонента.

Рассмотрим и ответим на вопросы:

Почему и как происходит спекание порошкового тела?

1) Почему?

Ответ связан с рассмотрением движущих сил спекания, т.е. причин вызывающих изменение порошкового тела при спекании.

Существуют 2 важных момента

Есть движущая сила спекания (любого процесса), а есть механизм процесса

Может быть:

Движущие силы могут быть разные, а механизм один

Движущая сила может быть одна, а механизмы разные

Пример:

Вы решили поехать в Сочи – движущая сила

То как мы добрались до Сочи – механизм

Разные механизмы – разная скорость – разный результат.

В процессе спекания одного и того же порошкового тела, могут изменяться и движущие силы и механизмы спекания (меняются в процессе спекания).

Модель спекания двух частиц

Процесс спекания разделяют на 3 стадии:

1. Н ачальная стадия – стадия припекания. Когда порошковая формовка представляет из себя как агломерат из порошинок сприкосающихся на малой площади, при этом каждая порошинка сохраняет свою индивидуальность. Между порошинками есть чётко обозначенная граница/контакт.

На данной стадии спекания происходит уплотнение, если оно происходит вообще (оно может не происходить, из-за того что может происходит снятие остаточных напряжений после формования, выделение газа). Если происходит, то как правило не за счёт диффузионных процессах, а за счёт кооперативных процессов. То есть за счёт движения происходит уплотнение, как целого (не атомарный процесс). Происходит дальше встраивание в поровое тела. Может происходит процесс рекристаллизации, за счёт этого рекристаллизационное смещение дислокаций идёт (материал немного пластически деформируется). Проходит снятие межчастичного напряжения. бывает разрыв контакта за счёт того, что напряжение после формования при нагреве дополнительно снимается.

2. Во 2-ой стадии уже представляется пористое тело, как совокупность 2-ух хаотично распределённых фаз: фаза вещества и фаза пустоты. На этой фазе ещё формируются замкнутые поры, при этом контакт между частицами/порошинками исчезает.

3. Стадия – консолидации. Уже сформированы замкнутые изолированные поры и происходит уплотнение за счёт уменьшения числа и объёма изолированных друг от друга пор.

Виды пористости (открытая, закрытая)

Методом БЭТ можно определить открытую пористость

Методом БЭТ нагоняется газ, который осаждается мономолекулярным слоем, дальше проверяют сколько газа было поглощено.

Виды пористости (изолированная, сообщающаяся)

Поры являются стопорами трещин, при высоких температурах может происходить самозалечивание.

Существует сквозная пористость и тупиковая пористость. Для разных материалов требуется разная пористость.

Стадии спекания сильно пористой прессовки или свободно насыпанного порошка до состояния практически беспористого тела

Более подробно процесс спекания делят на 6 стадий

1) Образование связей между частицами

2) Образование и рост шеек на месте межчастичных контактах

3) Закрытие сквозной пористости (образование изолированных пор)

4) Сфероидизация изолированных пор

5) Уплотнение за счёт усадки пор

6) Укрупнение (коалесценция) изолированных пор

В технологических процессах при получении каких-либо изделий эти стадии имеют значения.