Спікання

  У зв'язку з викладеним, при розгляді кінетики усадки необхідно мати на увазі безупинне зміцнення брикету в процесі спікання за рахунок геометричного фактора.

  Аналітичний вплив геометричного фактора  нами вже був розглянутий при  розборі пластичного плину (теорія Маккензі і Шаттлворса). Там же нами було відзначено, що вона (теорія) добре  описує процес усадки при пористості менш  7-10%, тобто коли пори закриті.

  Для розгляду кінетики спікання пористих тіл з пористістю вище 10% використовується фенеменологічний опис процесу усадки, як об'ємного в'язкого плину, запропонований В.В.Скороходом. Ним було виведене рівняння ущільнення при в'язкому плині, придатне для пористостей, що найчастіше зустрічаються в практиці спікання керамічних і металевих пористих тіл.

  Методи  розрахунку ґрунтуються на ідеї Я.І.Френкеля про прирівнювання дисипіруємої при в'язкому плині енергії до роботи зовнішніх сил. Іншими словами, прирівнюється робота сил внутрішнього тертя, що виникає при в'язкому плині, до роботи сил поверхневого натягу.

  У зв'язку з цим, загальне вираження  балансу енергії при усадці записується  у виді: 

                                     ,                     (7.1) 

  де: U_ik, U_ll, U_el – компоненти тензора швидкості деформації.

  Підінтегральний вираз ліворуч являє собою  енергію, дисипіровану в одиниці  об'єму в одиницю часу. Використовується повний вираз для щільності дисипірованої енергії з урахуванням об'ємної в'язкості ξ. При врахуванні, що при усадці відбувається однорідна об'ємна деформація, тензор швидкості деформації зводиться до радіальної складової 

                                                                                            (7.2) 

  У цьому випадку робота дисипативних сил внутрішнього тертя, віднесена  до одиниці об'єму і часу, виражається  подвоєною дисипативною функцією Ψ, що для випадку великих об'ємних деформацій має вид: 

                                                       

  чи 

                                                         ,                                              (7.3) 

  де: ξ - другий коефіцієнт в'язкості.

  Так як в нашому випадку ми розглядаємо  тільки об'ємну деформацію, то поступове  “згущення” пористого тіла описується залежністю другого коефіцієнта  в'язкості ξ, що входить у рівняння гідродинаміки в'язкої рідини, від пористості наступним виразом: 

                                                    ,                                      (7.4) 

  де: η - коефіцієнт сдвигової в'язкості (ламінарної) компактного матеріалу,

         f – пористість.

  З огляду на все вищесказане можемо записати, що 

                                                             ,                                 (7.5) 

  де: S - загальна поверхня пористого тіла, у випадку скорочення (зміни) об'єма тіла при спіканні записується у виді: 

                                                                                                            (7.6) 

  Підставляючи  вираз (7.6) у рівняння (7.5) одержимо: 

                                                           

  чи 

                                                                                                    (7.7) 

  В якості моделі пористого тіла приймемо статистичну суміш ізомірних  і ізодиаметричних часток речовини і порожнечі. Надалі будемо використовувати як змінну величину пористість f, тому що вона змінюється в процесі спікання.

  Якщо  позначити:

  V - об'єм пористого тіла,

  V₁ - об'єм речовини в пористому тілі,

  V₂ - об'єм пор у пористому тілі,

        то з пористістю вони зв'язані співвідношеннями (1.11; 1.12): 

                                                                   ;   

  Вільна  поверхня пор для прийнятої моделі буде дорівнювати: 

                                                                  ,                                            (7.8) 

  де: r - радіус часток, які утворюють суміш.

  Підставляючи  в рівняння (7.7) значення V і S з (1.12) і (7.8), одержимо: 

                                     

  і диференціюючи його: 

                                     
 

  і після спрощення: 
 

                                                                                               (7.9) 

  Підставивши в рівняння (7.9) значення ξ з виразу (7.4), одержимо остаточне диференціальне рівняння для кінетики зміни пористості: 

                                       

  чи 

                                                                        (7.10) 

  Інтегрування  цього рівняння 

                                                                       (7.11) 

дає можливість одержати розрахункові графічні залежності зміни пористості при спіканні (рис.32).

                        Рисунок 32 – Залежність зміни  пористості при спіканні 

  По  абсцисі на графіку (рис.32) відкладена величина τ (приведений час), що дорівнює інтегралу від правої частини рівняння (7.11): 

                                                                                                         (7.12) 

  Графік  є універсальним, тому що τ є незалежною змінною.

  У загальному випадку рівняння (7.11) можна  записати у виді: 

                                                                                                                 (7.13) 

  де: F(f) - первісна функція диференціала, який стоїть в лівій частині рівняння (7.11), що після інтегрування приймає вид: 

                                               (7.14) 
 
 
 

   VIII. ВПЛИВ РІЗНИХ ФАКТОРІВ НА ПРОЦЕС

                     СПІКАННЯ ПОРОШКОВИХ ПРЕСОВОК

 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА  ПРОЦЕСУ СПІКАННЯ В РЕАЛЬНИХ УМОВАХ

 

   Незважаючи  на те, що для практики великий інтерес представляє вивчення процесу спікання багатокомпонентних систем, з'ясування закономірностей спікання однокомпонентних порошків має велике значення як для створення теоретичних основ процесу, так і для рішення практичних задач у випадку розробки технології виготовлення таких однокомпонентних матеріалів, як фільтрові, магнітні, частково антифрикційні, конструкційні, тугоплавкі й ін.

   Для простоти характеристики процесу спікання ми також будемо розглядати з точки  зору спікання однокомпонентної системи. Спікання багатокомпонентних систем, як ми розглянемо нижче, трохи відрізняється від однокомпонентних.

   Що  ж відбувається з матеріалом з  моменту приміщення його в піч  і початку підйому температури?

   Як  уже відзначалося раніш, у спресованих  виробах частка металевого контакту дуже мала і спікання в зв'язку з цим супроводжується насамперед ростом міжчасткових контактів за рахунок процесів дифузії, крипу, переносу речовини через газову фазу і т.і.(див. вище).

   Протікання  цих процесів істотно залежить від  таких факторів, як температура і час спікання, характеристики вихідних порошків і виробів спресованих з них, середовища, у якому протікає процес спікання й ін. Результатом спікання в більшості випадків є зміна щільності (пористості) і фізико-механічних властивостей виробу, що спікається, убік наближення їх до властивостей безпористого матеріалу.

   У вихідному матеріалі частки порошку  покриті адсорбованими газами, плівками окислів, а також плівками матеріалу  змазки чи зв'язки, що вводяться в  шихту для поліпшення процесу  пресування.

   Основний  вплив на процес спікання робить температура.

   Дію підйому температури можна розділити  на кілька етапів.

   Перший  етап характеризується неметалічним контактом між частками у виробі. При підвищенні температури збільшення контакту, ріст міцності і незначна усадка пояснюється головним чином випаром вологи з поверхневих шарів часток.

   У даному випадку усадка і збільшення контакту має такий же характер як і при висиханні глини.

   На  першому етапі, у залежності від  міцності пресовок (тиску пресування) може спостерігатися невелика усадка (звичайно ~0,1%) чи незначний ріст, але в більшості випадків зміна розмірів практично не спостерігається. Перший етап спікання закінчується в районі температур 100-150°С.

   Слідом  за першим етапом або паралельно з  ним починається другий етап. Він характеризується, у випадку якщо спікання відбувається у відновному середовищі, відновленням окислів, тобто якісною зміною контакту між частками в спресованому виробі. При цьому контакт перетворюється з неметалічного в металевий. Цей етап, як і попередній, не характеризується значною усадкою.

     Третій етап починається в залежності від матеріалу і характеристики вихідних порошків при температурах 0,2 - 0,4 від температури плавлення. Характеризується він значним кількісним ростом металевого контакту за рахунок того, що атоми металу при цій температурі стають більш рухливими і внаслідок цього збільшується коефіцієнт дифузії. Дифузія ж грає значну роль у процесі спікання. Спостерігається також зміна форми часток і індивідуальна рекристалізація. Майже увесь час третій етап відбувається спільно з другим, роль якого, однак, тепер не так велика.

   Для дрібних порошків цей етап характеризується значною усадкою, що вже не може пояснюватися тільки температурним розширенням. У виробах спресованих з великих порошків при великих тисках навпаки, може спостерігатися ріст, так звана негативна усадка, за рахунок зняття залишкових напруг. Амортизація залишкових напруг і зняття наклепу порошків у більшості випадків закінчується до початку четвертого етапу.