5.3.        Спекание

Спекание проводят для повышения физико-механических свойств заготовок, полученных прессованием, прокаткой или формовкой. Спекание представляет собой процесс развития межчастичного сцепления и формирования свойств материала за счет нагрева спрессованного или свободно насыпного порошка. Различают два вида спекания: твердофазное и жидкофазное. Твердофазное спекание происходит при температурных условиях ниже температуры плавления самого низкоплавкого компонента порошковой смеси. Жидкофазное спекание происходит при температурных условиях процесса выше температуры плавления самого низкоплавкого компонента порошковой смеси.

Спекание рекомендуется проводить за три этапа:

1) нагрев до температуры 150…200 оС для удаления влаги;

2) нагрев до температуры, равной половине температуры  спекания для снятия упругих напряжение и повышения активности сцепления частиц;

3) окончательный нагрев до температуры спекания.

Время выдержки после достижения температуры спекания по всему сечению составляет 30…90 мин.

Твердофазное спекание осуществляется за счет диффузионных процессов растворения микропор и включает следующие этапы:

1) припекание, когда между отдельными частицами порошка образуются точечные зоны сварки;

2) образование изолированных пор за счет расширения зон сварки;

3) растворение изолированных пор за счет диффузионного растворения вакансий.

В процессе спекания происходит уплотнение полуфабриката, понижение пористости и усадка (уменьшение объема). Процесс усадки при спекании описывается соотношением:

,                                         (5.5)

где  DV/V  – относительная усадка изделия; С, m, k – эмпирические постоянные; р – давление прессования; Тсппл – гомологическая температура спекания.

Жидкофазное спекание осуществляется при температурах, обеспечивающих появление жидкой фазы, в присутствии которой облегчается развитие сил сцепления между отдельными частицами порошка и высока вероятность образования беспористой структуры.

Подбор компонентов жидкой фазы производится с учетом смачиваемости жидкой фазой твердых частиц. Смачивание характеризуется краевым углом, который определяется из выражения:

,                                                       (5.6)

где sтг, sтж,  sжт – поверхностные энергии на границах раздела «твердая частица – газ», «твердая частица – жидкость», «жидкость – газ».

Полное смачивание происходит при q = 0, плохое смачивание – при q ³ 90о, а хорошее смачивание обеспечивается при угле смачивания q = 30…40о.

Жидкие металлы хорошо смачивают те металлы и неметаллы, с которыми они легко вступают в химическое взаимодействие. Чем лучше смачиваемость, тем большее количество жидкой фазы может удерживаться в порошковом теле во время спекания, не вытекая и не искажая его форму.


В присутствии жидкой фазы существенно увеличивается скорость самодиффузии и гетеродиффузии, что ускоряет процесс сплавообразо

вания. Появление жидкой фазы при нагреве обеспечивается расплавом более легкоплавкого компонента или структуры спекаемого металла, например эвтектики.

Механизм спекания в присутствии жидкой фазы зависит от диаграммы состояния соответствующей системы компонентов. Различают следующие виды жидкофазного спекания:

1) спекание с жидкой фазой, исчезающей сразу после ее появления вследствие растворения ее в твердой фазе (хотя нагрев продолжается) или образования с ее участием какой-либо  более устойчивой фазы;

2) спекание с жидкой фазой, присутствующей до конца изотермической выдержки при нагреве;

3) объем жидкой фазы при нагреве должен быть в пределах 3,0…50 %., при этом оптимальным является 25…35 %. При объеме жидкой фазы более 50 % возможно изменение формы порошковой заготовки.

Выделяют три основные стадии жидкофазного спекания (рис. 5.6):

1) стадию перегруппировки, заключающуюся в перемещении частиц под действием капиллярных сил и приводящая к формированию структуры с взаимным упорядоченным расположением частиц порошка. Перегруппировка и переориентация частиц порошка сопровождается заполнением жидкой фазой всех пор;

2) стадию растворения-осаждения, заключающуюся в переносе через жидкость растворенного в ней вещества более тугоплавкой фазы с поверхности частиц меньшего размера к поверхности более крупных частиц. Процесс растворения-осаждения сопровождается растворением мелких частиц в жидкой фазе, диффузией растворенных атомов в жидкости и осаждении растворенного вещества на поверхности более крупных частиц. Форма частиц при осаждении на них растворенного вещества становится более округлой, при этом минимизируется свободная поверхностная энергия;

3) стадию твердофазного спекания, заключающуюся в срастании частиц тугоплавкой фазы с образованием жесткого каркаса (скелета). Стадия твердофазного спекания является заключительным этапом общего жидкофазного спекания, при этом исчезновение жидкой фазы связывается с ее растворением в твердой фазе и ее кристаллизацией за счет обогащения тугоплавкими компонентами.

Изменение усадки заготовки при жидкофазном спекании характеризуется выражением:

,                                                        (5.7)

где t – продолжительность процесса спекания.

Для повышения физико-механических свойств спеченных заготовок применяют повторное прессование и спекание, пропитку смазочными материалами или специальными металлами и сплавами, термическую и химико-термическую обработку. Применение повторного прессования и спекания позволяет получать детали с более высокой плотностью и низкой пористостью.  Промежуточный отжиг снимает наклеп в зернах заготовки и способствует дальнейшему уплотнению при относительно небольших давлениях прессования.

Спеченные материалы можно подвергать практически всем видам механической обработки.