Автор: Пользователь скрыл имя, 10 Февраля 2012 в 01:35, аттестационная работа
ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ОСНОВИ СПІКАННЯ
Безпосередньо після пресування спресований брикет являє собою конгломерат, сила зв'язку часток у якому дуже незначна. У зв'язку з цим застосування пресовок безпосередньо після пресування неможливо, через їх низьку механічну міцність. У таких пресовках сила зв'язку між частками обумовлена силами металевого зв'язку - утворюються металеві контакти, що характерно для пластичних матеріалів (рис.1).
Вплив різних факторів на процес спікання в присутності рідкої фази
Як було відзначено, у процесі жидкофазного спікання беруть участь усі розібрані нами механізми. Однак у залежності від розчинності компонентів, ступеня змочування і кількості рідини може переважати той або інший механізм.
При великій кількості рідини повне ущільнення може бути досягнуте за рахунок тільки процесу рідкого плину без зміни форми зерен твердої фази.
У загальному випадку швидкість і ступінь ущільнення ростуть зі збільшенням кількості рідкої фази.
Однак
у деяких системах унаслідок значної
розчинності компонентів і
Так, наприклад, при спіканні системи Cu-Al, унаслідок високого коефіцієнта (гетеро)дифузії алюмінію в мідь, утворяться мікропори, що відповідно приводить до росту пористості виробу.
На процес рідкофазного cnікання також впливає розмір часток. У деяких випадках цей вплив досить істотний.
Встановлено, що в процесі перегрупування ступінь ущільнення
оберненопропорційна розміру часток, а в процесі розчинення-осадження, розмір часток впливає пропорційно радіусу в ступені 4/3:
Наприклад, у системі Fe-Cu вироби з мілкодисперсних порошків, незважаючи на їх гіршу здатність ущільнюватися при пресуванні, при рідкофазному спіканні ущільнюються краще ніж з великих порошків.
Важливе значення також має тиск пресування. Справа в тім, що високі тиски пресування сприяють утворенню "замкнутих" пор у виробі, а це буде приводити до того, що при спіканні капілярному тиску будуть протидіяти тиски газів у замкнених порах. Якщо капілярний тиск більше тиску газу в порах, то відбувається усадка, якщо менше, ріст зразка. Ріст виробів можна зменшити якщо збільшити час спікання за рахунок компенсуючої дії усадки, що розвивається.
У цьому випадку відбувається коелесценція пор (збільшення в розмірі) і тим самим зменшується вплив тиску газів у них.
Це явище дуже помітне при спіканні порошків систем Cu-Pb, Cu-Sn, Cu-Cd і ін.
У загальному випадку можна сказати, що збільшення тиску пресування позитивно впливає на спікання зразків у тих межах, де воно не є причиною утворення великої кількості замкнутих пор.
Вплив середовища спікання мало відрізняється від впливу середовища при твердофазному спіканні.
Розглянемо два типових випадки, що зустрічаються в практиці рідкофазного спікання.
1. Спікання зі зникаючою рідкою фазою.
2. Спікання з рідкою фазою, що присутня до кінця спікання.
Типовим випадком спікання зі зникаючою рідкою фазою є спікання системи Cu-Sn.
При спіканні цієї системи з підвищенням температури відбувається дифузія міді в олово з утворенням нових фаз. Так, ще при температурі нижче плавлення олова (200°С) утворяться дві фази:
ε - фаза (Cu3 Sn), що примикає до міді і η - фаза (Cu6 Sn5), що примикає до олова. При температурах плавлення олова (232°С) і вище процес розвивається в напрямку збільшення вмісту ε - фази за рахунок зменшення кількості η - фази і за рахунок міді.
При нагріванні до 400° зникає η - фаза й існує тільки ε - фаза .
При підвищенні температури вище 400°С починає утворюватися δ - фаза, ще більш багата міддю, що поглинає ε - фазу. При температурах ~ 500° починає утворюватися α - твердий розчин завдяки розчиненню олова в міді, що супроводжується руйнуванням раніше утворених інтерметалічних з'єднань.
До температури ~ 700° утвориться повністю α - твердий розчин з незначним вмістом δ - фази.
При 800°С виходить однорідний α - твердий розчин, який і спікається.
Слід відмітити, що температурні границі утворення фаз носять умовний характер, тому що вони залежать від умов нагрівання.
На закінчення можна відзначити, що процес спікання системи
можна розбити на 4 етапи.
1.
Розплавлювання олова і швидке
зникнення рідкої фази з
2. Виникнення і розвиток ε - фази (Cu3Sn) між η і Cu.
З. Зникнення ε - фази і виникнення δ - фази на границі η і Cu.
4. Розпад δ - фази, обумовлений переходом всього олова у твердий розчин, і гомогенізація твердого розчину.
Крім розібраного нами приклада рідкофазного спікання, коли рідка фаза зникає в процесі спікання, розберемо ще один випадок, коли рідка фаза присутня до кінця спікання. Прикладом може служити система WС-Со. Остання є основою виробництва твердих сплавів і є прикладом систем, у яких спечений сплав формується в результаті спікання в присутності рідкої фази, що утвориться на основі легкоплавкого компонента (кобальту).
Спікання цієї системи має наступні ознаки:
1) тугоплавкий компонент (WC) частково розчиняється в рідині;
2)
спостерігається повна
Якщо побудувати криву усадки (або краще у нашому випадку зміну довжини виробу) від температури при швидкості нагрівання 3°/хв, то одержимо графік представлений на рис. 54
Рисунок 54 - Зміна довжини зразків у залежності від
температури при спіканні
системи WC-Co
Як видно з рисунка усадка починається приблизно при 1150°С і закінчується при ~1320°С. Температура ж ~1320°С відповідає приблизно початку появи рідкої фази евтектичного складу, як видно з діаграми WC-Co (рис. 55).
Рисунок 55 - Діаграма стану WC-Co
У даному випадку на початку нагрівання спікання відбувається без участі рідкої фази (Т°Спл. Со = 1490°С). З ростом температури карбід вольфраму розчиняється у твердому кобальті і склад твердого розчину, що утворюється, змінюється по кривій 1-2.
Коли
склад твердого розчину досягає
точки 2, що відповідає насиченню твердого
розчину карбідом вольфраму при
температурі плавлення
Продовження спікання при цій температурі не повинне приводити, як видно з діаграми, до зміни в співвідношенні фаз. Таким чином, у розглянутій системі спікання характеризується істотним ущільненням ще до досягнення температур появи рідкої фази і швидким (практично протягом декількох хвилин) ущільненням після появи рідкої фази. Спікання до появи рідкої фази здійснюється у твердій фазі і супроводжується дифузійними процесами з утворенням твердих розчинів.
З появою рідкої фази процес спікання аналогічний процесам спікання в присутності рідкої фази, розібраним нами раніше, тобто в цьому випадку ущільнення відбувається за рахунок грузлого плину рідини під дією сил поверхневого натягу.
У цьому випадку ущільненню також сприяє перекристалізація карбідних зерен через рідкий кобальт. Цей процес сприяє пристосовуванню зерен до форми сусідніх і тим самим створюючи умови сил поверхневого натягу.
У загальному випадку в цей час можуть відбуватися наступні процеси:
1) Перекристалізація через рідку фазу;
2)
Зрощування сусідніх зерен, що
відбувається за рахунок
3)
Розвиток контактів між