СПЕКАНИЕ - ОБЕСПЕЧИВАЕТ НЕОБХОДИМУЮ ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛИ, РАВНУЮ ПРОЧНОСТИ МОНОЛИТНОГО МЕТАЛЛА

 

Альжанов М.К., Тулеуова Г.К., Орынгожина С.Е., Жиенкулов Н.А., Кожамкулов С.Б., Есжанова А.Е., Жакупова А.Р

(КарГТУ, г.Караганда, Республика Казахстан)

 

Sintering is final technological operation which defines essence of a method powder metallurgy. During carrying out sintering powder forming turns to a strong poweder body with the properties, coming nearer to properties compact deporous material.

 

Спекание является заключительной технологической операцией, которая и определяет сущность метода порошковой металлургии. В процессе проведения спекания порошковая формовка превращается в прочное порошковое тело со свойствами, приближающимися к свойствам компактного беспористого материала.

При спекании происходит упрочнения межчастичного сцепления и формирование технологических свойств материала, достигаемого нагревом сформованного или свободно насыпанного порошка (волокна) без расплавления основного компонента. Понятно, что это одна из важнейших технологических операций, результатом которой является превращение непрочной прессовки в прочное спеченное тело. Такое превращение есть следствие изменения характера межчастичных контактов: если в прессовке или свободно насыпанном порошке частицы связаны между собой в основном механически, то в спеченном изделии образуются обширные области вещества, "сцементированные" между собой за счет иных сил (температурная когезия). Плотность, прочность и другие физико-механические свойства спеченных, изделий зависят от свойств исходных порошков и условий формования: давления прессования, температуры, времени и атмосферы спекания.

 

Геометрия спекающейся системы

Механизмы повышения прочности при спекании сложны, а понимание их требует специальных знаний в области физики металлов и металловедения.

Известно, что все металлы имеют кристаллическое строение, характерной особенностью которого является расположение атомов, занимающих вполне определенное положение в кристаллической решетке. Даже при комнатной температуре атомы, обладающие некоторой энергией, совершают значительные колебания относительно какого-то среднего положения равновесия, так как их покой возможен лишь при температуре абсолютного нуля. С повышением температуры энергия и амплитуда колебаний атомов увеличиваются, и возрастает вероятность их ухода из занимаемого положения. 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 (благодаря нагреву или, например, ультразвуковым колебаниям) снова не увеличится. При соответствующих внешних условиях процесс диффузионного обмена между взаимодействующими телами или частицами порошка можно существенно увеличить.

Изменения, происходящие в процессе спекания следует разделить на:

изменение размеров, структуры и свойств исходных порошковых тел;

протекание процессов граничной, поверхностной и объемной диффузии;

проявление различных дислокационных явлений;

диффузионные процессы через газовую фазу;

протекание химических реакции и фазовых превращений;

физико-механические явления, сопровождающиеся релаксацией микро- и макронапряжений, ростом зерен;

усадку, т. е. изменение размеров порошкового тела. Рост зерен (рекристаллизация) при спекании одно из важных наблюдаемых явлений. Так как при этом мелкие зерна исчезают, то суммарная поверхность частиц уменьшается, что способствует увеличению прочности за счет сцепления частиц.

Наличие жидкой фазы облегчает развитие сил сцепления, но только в том случае, если расплав смачивает частицы, остающиеся твердыми. Жидкие металлы хорошо смачивают чистые металлические поверхности, поверхности тех неметаллических компонентов (окислов, карбидов, графита и др.), с которыми они вступают в химическое взаимодействие.

Появление жидкой фазы при спекании (если оно планируется) приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и облегчает перемещение частиц твердой фазы относительно друг друга, способствует заполнению пор.

При производстве некоторых видов спеченных материалов широко применяют пропитку спрессованного, а затем спеченного пористого каркаса из более тугоплавкого компонента жидкой легкоплавкой металлической составляющей композиции. При этом жидкий металл или сплав заполняет сообщающие поры заготовки из тугоплавкого компонента. Так, вольфрам пропитывают медью или серебром, никель серебром, медь свинцом, карбид титана сталью, вольфрамовое или углеродное волокно медью или ее сплавами.

При спекании совершаются сложные физико-химические процессы, весьма чувствительные к окружающей газовой среде. В большинстве случаев нагрев прессовок проводят в среде защитного газа, состав которого тщательно контролируют, или в вакууме, что предохраняет металлы от окисления. Восстановительная атмосфера обеспечивает восстановление окисных пленок, имеющихся на поверхности частиц. Правильный выбор защитной атмосферы способствует получению спеченных деталей высокого качества.