Технологические факторы, влияющие на процесс спекания

Свойства исходных порошков

Свойства исходных порошков во многом предопределяют их поведение при спекании. Установлено, что с увеличением дисперсности порошка процесс спекания ускоряется. Так как запас поверхностной энергии тем больше, чем больше суммарная поверхность частиц, то процесс спекания ускоряется с увеличением их дисперсности и шероховатости, а плотность и прочность изделий возрастают. При одной и той же плотности механические и электрические свойства изделий после спекания тем выше, чем дисперснее исходный порошок.

Шероховатость поверхности частиц и дефектность кристаллического строения способствуют усилению диффузионной подвижности атомов, что позволяет получать более плотные и прочные изделия.
Структура спеченных из тонких порошков изделий отличается наличием большого числа крупных зерен, выросших в результате рекристаллизации при спекании.

Интенсификации спекания способствуют оксиды, содержащиеся в большом количестве в мелких порошках и восстанавливающихся в процессе спекания.

В общем случае на изменение плотности и свойств прессовок при спекании влияют величина и состояние поверхности частиц, содержание оксидов и несовершенства кристаллического строения.

Давление прессования

Увеличение давления прессования приводит к увеличению исходной плотности спекаемых изделий и к уменьшению объёмной и линейной усадок. Это связано с тем, что при большей плотности материал имеет больший коэффициент вязкости или сильнее сопротивляется изменениям объёма под воздействием усилий, возникающих при спекании.

Так как плотность прессовок неодинакова по высоте, то при спекании усадка в средней части прессовки больше, чем у её торцов, пористость в которых после прессования меньше. При спекании мелкозернистых порошков наблюдается выравнивание пористости как между прессовок с разной исходной плотностью, так и между местами с неоднородной плотностью у одной и той же прессовки.

Увеличение давления прессования приводит к повышению твердости, сопротивления разрыву и сжатию, т.е. к повышению всех показателей прочности спеченных изделий.

Температура спекания

С повышением температуры спекания плотность и прочность спеченных изделий возрастают и тем быстрее, чем ниже давление прессования.

В области низких температур усадка незначительна, так как происходит испарение влаги, удаление адсорбированных газов и восстановление поверхностных оксидов.

В области высоких температур происходит значительный рост металлического контакта между частицами, уплотнение пор под действием сил поверхностного натяжения и усадка прессовки.

Большое значение имеет скорость подъёма температуры при спекании. При быстром подъёме в крупногабаритных изделиях может наблюдаться местное различие в величине усадки из-за неравномерности прогрева, что приводит к искажению формы изделия.

Продолжительность спекания

Выдержка спрессованных изделий при постоянной температуре спекания вызывает сначала резкий, а затем более медленный рост плотности, прочности и других свойств. Максимальная прочность достигается за довольно короткое время и при дальнейшем увеличении времени изотермической выдержки она практически остаётся неизменной. На практике выдержка при спекании варьируется от нескольких десятков минут до нескольких часов в зависимости от температуры спекания, состава и требуемой плотности изделия, его размеров и других факторов.

Атмосфера спекания

Атмосфера спекания существенно влияет на результаты. Сравнение результатов спекания, проводимого в различных средах, свидетельствует о том, что при спекании в восстановительной среде достигается большая плотность, чем при спекании в нейтральной среде. Это объясняется химическим воздействием восстановительной среды на оксидные пленки, приводящим к их уничтожению. Благодаря этому активируется миграция атомов металла к контактным участкам соприкасающихся частиц.

Очень полно и быстро происходит спекание в вакууме, которое по сравнению со спеканием в нейтральной среде в большинстве случаев начинается при более низких температурах и даёт повышенную плотность изделий.

Влияние атмосферы спекания возрастает, если к ней добавить некоторые соединения, активирующие процесс спекания (например, пары галогенидов). В этом случае атомы металла на выступах как наиболее активные реагируют с такими добавками, а образующиеся соединения снова восстанавливаются до металла, атомы которого в свою очередь конденсируются в местах с минимальным запасом свободной энергии (стыки частиц, впадины на поверхности частиц), благоприятствуя переносу вещества через газовую фазу. Активированная атмосфера может благоприятно влиять на процесс спекания и вследствие удаления примесей и рафинирования спекаемого материала.