Строение металлов (стр. 46 из 48)

Разновидностью динамического формования является динамическое горячее прессование (метод ДГП). Метод основан на предварительном холодном формовании пористой заготовки из порошковой шихты заданного состава, её последующем кратковременном нагреве и допрессовки динамическими нагрузками. Этот метод позволяет получать практически беспористые изделия точных размеров и с высокой чистотой поверхности.

При вибрационном формовании используется эффект благоприятного воздействия вибрации на процесс уплотнения, что связано с разрушением межчастичных связей и улучшением взаимоподвижности частиц. В результате достигается плотная укладка частиц при меньших давлениях прессования и обеспечивается высокая равномерность распределения плотности по объёму заготовки.

Энергия вибрирования расходуется на преодоление инерции и упругого сопротивления вибрирующей системы и на преодоление инерции, сил трения и сцепления уплотняемого порошка. В случае уплотнения порошка небольшой массы основную роль играют инерция и упругие свойства системы. Поэтому для обеспечения наиболее выгодного режима уплотнения следует выбирать частоту вибрирования ближе к собственной частоте колебаний системы. При уплотнении больших масс порошка основную роль будут играть собственная частота колебаний слоя частиц и силы связи между ними. Поэтому частоту вибрирования выбирают ближе к резонансной или по отношению к вибрирующей системе, или по отношению к уплотняемой массе порошка. При правильном выборе частоты, ускорения и амплитуды вибрирования плотность и прочность прессовок выше, чем при статическом прессовании.

Во всех случаях, требующих высоких давлений при статическом прессовании применение вибрирования будет выгодным. Наиболее эффективно применение вибрации при прессовании порошков непластичных и хрупких металлов, к которым высокие статические давления не могут быть приложены из-за происходящего при этом разрушения брикетов.

6.4. Спекание

Спекание порошковых материалов представляет собой тепловую обработку свободно насыпанного порошка или спрессованных заготовок при температуре 0,7 - 0,9 абсолютной температуры плавления металла порошка или температуры плавления основного металла в многокомпонентной системе порошков. Это одна из важнейших технологических операций, результатом которой является превращение непрочной заготовки в прочное спеченное тело со свойствами, приближающимися к свойствам литого материала.

При спекании происходит удаление газов, адсорбированных на поверхности частиц, возгонка различных примесей, снятие остаточных напряжений на контактных участках между частицами и в самих частицах, восстановление оксидов и растворение их, перестройка поверхностного слоя в результате диффузии и переноса металла в виде пара с одних мест в другие, качественное изменение межчастичных контактов и формы пор.

Существуют две основные разновидности процесса спекания. Это твердофазное или спекание без образования жидкой фазы и жидкофазное, при котором легкоплавкие компоненты смеси порошков расплавляются.

6.4.1. Основные процессы происходящие при спекании

При твердофазном спекании основными процессами являются:

- поверхностная и объёмная диффузия;

- усадка;

- рекристаллизация;

- перенос атомов через газовую фазу.

Поверхностная и объёмная диффузия является наиболее существенным механизмом при спекании. Все металлы имеют кристаллическое строение, характерной особенностью которого является упорядоченное положение атомов. В узлах кристаллической решетки металла частиц располагаются атомы, которые совершают колебательные движения. Амплитуда этих колебаний с повышением температуры увеличивается и приводит к тому, что положение атомов становится неустойчивым, в результате чего возникает возможность перехода атома из одного узла кристаллической решетки в другой. При переходе атомов из одного положения в другое затрачивается некоторая энергия, и на новом месте атом некоторое время опять совершает колебательные движения, пока его энергия снова не увеличится. Такое перемещение может совершаться как по поверхности тела (поверхностная диффузия), так и в его объёме (объёмная диффузия).

Движение атомов происходит по имеющимся в кристаллической решетке пустотам, представляющим собой не занятые атомами узлы решетки или свободные промежутки в самой кристаллической решетки.

При одной и той же температуре не все атомы частицы обладают одинаковой подвижностью. Атомы, находящиеся на поверхности частиц и особенно на их выступах, обладают большей подвижностью. Поэтому в начальный период спекания перемещения испытывают поверхностные атомы частиц и прежде всего атомы, которые располагаются на их выступах как обладающие наибольшим запасом поверхностной энергии. Такие атомы легко покидают свои места и стремятся занять более устойчивые положения во впадинах частиц. В узких участках межчастичного пространства высокоподвижные атомы концентрируются и начинают принадлежать одновременно нескольким частицам. Такая поверхностная диффузия приводит к увеличению межчастичных контактов и к упрочнению порошковых тел.

Наиболее эффективное проявление поверхностной диффузии наблюдается при низких и средних температурах спекания. При высоких температурах преимущественное значение приобретает объёмная диффузия, выражающаяся в снижении механической прочности частиц, в повышении пластичности и способности их металла к объёмному течению под действием сил поверхностного натяжения. Это вызывает перемещение материала частиц в пространство пор и сокращение суммарного объёма пор, что приводит к сближению центров частиц и в общем случае к усадке.

Усадка - это изменение размеров нагреваемого порошкового тела при спекании. Величина усадки представляет собой выраженное в процентах или долях единицы отношение разности между начальным и конечным параметрами к начальному параметру. Она может быть объёмной или линейной и определяется формулами:

или

%

где V₀ - объём прессовки до спекания; V₁ - объём прессовки после спекания; Н₀ - высота прессовки до спекания; Н₁ - высота прессовки после спекания.

Обычно при спекании уменьшается пористость и возрастает плотность изделий. В начальный период спекания (100 - 150 °С) происходит удаление паров и газов адсорбированных на частицах металла, испарение или выгорания смазок и снятие упругих напряжений. С повышением температуры (0,4 - 0,5 Т_пл) заканчивается снятие упругих напряжений, продолжается дегазация и выгорание смазок и связующих веществ, происходит восстановление оксидных плёнок, в результате чего неметаллические контакты заменяются металлическими и увеличивается их площадь. При температуре 0,7 - 0,9 Т_пл заканчивается восстановление оксидов, контакты между частицами становятся полностью металлическими, происходит сглаживание поверхности частиц, сфероидизация пор и окончательное упрочнение.

Процесс усадки при спекании характеризуется стремлением системы к уменьшению запаса поверхностной энергии, что возможно только за счет сокращения суммарной поверхности порошковых частиц. Поэтому порошки с сильно развитой поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большим запасом поверхностной энергии. При нагреве прессовки до некоторой температуры и выдержке усадка в начальный момент происходит быстро, а затем замедляется и почти прекращается. При новом подъёме температуры скорость уплотнения снова возрастает и опять замедляется через некоторое время. Это происходит при каждом новом подъёме температуры и связано с тем, что запас поверхностной энергии зависит от величины и состояния поверхности частиц или от количества дефектов на единицу площади. В начальный момент нагрева дефектов много и каждая частица стремиться избавиться от них и усадка идет быстро. Затем число дефектов приближается к равновесному для данных условий и усадка замедляется.

При спекании прессовок иногда бывают случаи нарушения процесса спекания, выражающиеся в недостаточной степени усадки или даже увеличении объёма. Это может происходить за счет снятия упругих напряжений, возникших при прессовании, наличия невосстанавливающихся оксидов, фазовых превращений и выделений газов, образующихся при химических реакциях, протекающих при спекании.

Спекание многокомпонентных систем характеризуется рядом особенностей, заключающихся в том, что спекание разнородных материалов является более сложным процессом, в котором наряду с самодиффузией, обуславливающий перенос массы в область контакта частиц, должна происходить гетеродиффузия, обеспечивающая выравнивание концентраций разноименных атомов в пределах образца. В значительной степени на ход процесса спекания таких систем оказывает характер диаграммы состояния компонентов. При неограниченной взаимной растворимости компонентов наибольшее значение имеет объёмная гетеродиффузия. Усадка в этом случае меньше возможной суммарной усадки каждого из компонентов системы и зависит от их концентрации в материале. Это объясняется более низкой подвижностью атомов в твердых растворах по сравнению с чистыми металлами и невозможностью получения при смешивании абсолютно однородной смеси. Поэтому при спекании образуется большое количество контактов, скорость диффузии через которые неодинакова.

Спекание систем с ограниченной растворимостью или при полной нерастворимости компонентов осложняется изолированием однородных частиц от взаимного контакта, что существенно препятствует протеканию самодиффузии, и ухудшает условия спекания.