02.06.2015

Операция спекания заключается в термической обработке (ниже температуры плавления основного компонента) заготовок, сформированных прессованием порошков или другим путем. Операция спекания имеет основной целью повышение механических свойств изделий. Иногда для получения необходимых свойств прибегают к дополнительной обработке после спекания.
Для спекания применяют печи самого разнообразного типа как по конструкции, так и по способу нагрева. Выбор типа печи зависит от ряда факторов: режима спекания (защитной среды, температуры и выдержки при спекании), режима охлаждения, состава изделий, их количества, величины и формы и т. п. В свою очередь выбор соответствующего режима спекания сильно зависит от применяемых печей.
Электрические печи сопротивления с нихромовой или фехралевой обмоткой пригодны для спекания до температуры 1050—1100°, газовые и нефтяные — до 1200°, электрические печи с силитовым сопротивлением — до 1350°, молибденовые— до 1400°. Печи, применяемые в производстве твердых сплавов, нагреваваются током, проходящим через угольную трубу до 2500°. Высокочастотные печи могут работать при температуре до 2000—3000°. Самые высокие температуры — до 3200° (спекание тугоплавких металлов) — можно получить в так называемых сварочных колпаках (рис. 22), пропуская ток непосредственно через спекаемые изделия.
Спекание

Спекаемые изделия вследствие пористости обладают повышенной склонностью к окислению. Поэтому необходимо вести в защитной среде не только спекание, но и охлаждение. В связи с этим наиболее совершенные типы печей сконструированы с расчетом уменьшения тепловых потерь и сокращения расхода защитного газа при охлаждении. Это достигается в камерных колпаковых печах и проходных печах с холодильником.
Колпаковая печь (рис. 23) имеет два колпака: внутренний — герметический, прикрывающий спекаемые изделия, с подводкой для циркуляции защитной атмосферы, и наружный — нагревательный с обмоткой. Наружный колпак по окончании спекания снимают и надевают на другой, заблаговременно подготовленный к спеканию внутренний колпак. Таким образом достигается экономия электроэнергии на предварительный разогрев наружного колпака, ускоряется охлаждение изделий и снижается расход защитного газа. Расход электроэнергии при спекании железных деталей в колпаковых печах 1,5—2 квт*ч на 1 кг продукции.
Спекание

Проходные печи с передвижкой продукции (рис. 24) имеют холодильник, представляющий собой камеру с двойными стенками, между которыми циркулирует проточная вода. В холодильной камере изделия охлаждаются около 30 мин. до комнатной температуры в защитной атмосфере. Защитный газ поступает в печь по принципу противотока — от холодильника к загрузочному концу. Потери тепла и защитного газа на охлаждение сводятся к минимуму.
Спекание

Для автоматизации продвижения изделий эти печи обычно снабжаются механическим или гидравлическим толкателем 10 (рис. 24), или конвейером, или же применяют печи с шагающим подом. В механическом толкателе (рис. 25) вращение электродвигателя 2 передается шестерне 1, зубцы которой при каждом обороте зацепляют винт 5, перемещая штангу 4, проталкивающую лодочку с продукцией. При проталкивании передвижение этой лодочки передается следующей и т. д. Так как первая проталкиваемая лодочка находится в сравнительно холодной зоне, то толкатели можно применять для печей с любой температурой спекания (выше 2000°). Расход энергии на спекание при 1150° в печи с передвижкой продукции толканием равен 0,8—1,2 квт*ч на 1 кг.
Спекание

У проходных печей с конвейерной передвижкой продукции температура спекания ограничивается жаропрочностью материала конвейера — конвейерные печи обычно применяют при температурах до 1200°. При спекании пользуются также и горизонтальными проходными печами с шагающим подом.
Печи с вертикальным перемещением продукции, впервые сконструированные Киффером и Краллем около пятнадцати лет назад, представляют большой интерес. На рис. 26 схематически представлена такая печь с загрузкой продукции в верхней части и с выдачей в нижней. Киффер и Кралль описали спекание в печах с температурой до 2000°. Продукция загружалась в тигли высотой 75 и диаметром 50 мм, установленные стопкой в количестве 40 шт. В такой печи спекалось около 300 кг продукции в сутки.
Спекание

Защитная среда при спекании должна: а) обеспечивать восстановление окислов; б) не допускать образования нежелательных загрязнений продукции (копоти, карбидов, нитридов и т. д.); в) предотвращать нежелательное выгорание отдельных компонентов при спекании, например, углерода в твердых сплавах; г) обеспечивать безопасность процесса спекания.
В качестве защитной среды применяют всевозможные засыпки (угольные, графитовые, из металлический стружки), восстановительные и защитные газы (водород, генераторный газ, продукты неполного сгорания светильного или природного газа, диссоциированный аммиак), сочетания защитных газов с защитной засыпкой, а также вакуум.
Механизм спекания изучен рядом советских и иностранных исследователей (Я.И. Френкель, Б.Я. Пинес, В.А. Ивенсен, В.И. Лихтман, И. М. Федорченко, М.Ю. Бальшин, Ф. Зауэрвальд, Г. Кучинский, В. Давиль и др.).
Механизм спекания двух сферических частиц порошка схематически показан на рис. 27. В прикоптактном участке диаметром 2а и радиусом отрицательной кривизны ρ возникают капиллярные напряжения (отрицательное капиллярное давление), равные γ/ρ, где γ — величина поверхностного натяжения. Эти напряжения, действующие в направлении, указанном на рис. 27, деформируют частицу, увеличивая размер поверхности контакта и уменьшая расстояние между центрами частиц. Схема показывает, что спекание является процессом деформации частиц под действием капиллярных напряжений (капиллярного давления) в приконтактных участках. Капиллярное давление, вызванное неполнотой контакта между частицами, обусловлено поверхностным натяжением приконтактных участков и стремится к слиянию индивидуальных частиц в единое тело.
Спекание

Деформация частиц порошка идет за счет двух процессов — быстро протекающей пластической деформации и медленного течения (крипа). Первый процесс идет при местных напряжениях в приконтактных участках, которые равны значениям соответствующих кратковременных пределов текучести материала при температуре спекания или же превышают эти значения. Второй процесс идет при более низких значениях приконтактных напряжений. Если площадь контактных участков близка к нулю, то местные капиллярные напряжения в соответствующих приконтактных участках близки к бесконечности. Поэтому начальная стадия спекания неспрессованных или слабо спрессованных порошков (в особенности тонких порошков), когда площадь контакта между частицами небольшая, происходит в значительной степени за счет быстро протекающей пластической деформации. С ростом контакта между частицами при дальнейшем спекании возрастает роль второго процесса — медленного течения (крипа), а роль пластической деформации уменьшается. В ряде случаев при большой плотности спекаемого материала (в начальных или конечных стадиях спекания) пластической деформацией материала можно пренебречь.
Скорость спекания можно характеризовать двумя параметрами — увеличением размера контактной поверхности между частицами и усадкой. Скорость усадки конгломерата частиц при изотермическом спекании очень быстро уменьшается — пропорционально времени спекания (рис. 28). В то же время в первые минуты или даже часы спекания прочность и твердость растут линейно со временем спекания, а при спекании неспрессованных порошков — даже приблизительно пропорционально времени спекания (рис. 29). Таким образом, приращение прочности в единицу времени в этих интервалах времени приблизительно постоянно, т. е. скорость увеличения контактной поверхности между слоями частиц также в этих случаях постоянна. При дальнейшем увеличении времени спекания, когда достигается значительная степень уплотнения, скорость увеличения контактной поверхности значительно замедляется со временем и затем рост контактной поверхности совсем прекращается. Если порошковый металл перед спеканием был сильно спрессован и имел, таким образом, значительную исходную контактную поверхность, то даже в первое время спекания скорость увеличения контактной поверхности, прочности и твердости не постоянна, а уменьшается и в ряде случаев очень значительно со временем.
Для большинства чистых металлов, например меди, железа, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена и ряда других, температура эффективного спекания, применяемого в производстве порошковых изделий, определяется так называемым правилом Зауэрвальда. В соответствии с этим правилом рост частиц большинства чистых порошковых металлов начинается при температурах, равных 2/3—3/4 абсолютной точки плавления спекаемого металла. Эта температура начала роста частиц обычно совпадает с температурой начала эффективного спекания.
С ростом температуры спекания значительно возрастает скорость спекания. Для порошков железа и меди рост температуры на 100° приблизительно соответствует росту скорости спекания на 1 порядок (в 8—10 раз). Следует, однако, иметь в виду, что для большинства порошков имеется оптимальная температура спекания, при превышении которой снижаются плотность и прочность спеченных изделий, вследствие, главным образом, чрезмерного роста зерна.
Уменьшение пористости при спекании приблизительно пропорционально исходной пористости. Поэтому в результате спекания в значительной мере выравниваются вызванные прессованием местные различия в пористости и плотности изделий.
Оптимальная температура спекания снижается с уменьшением величины частиц исходного порошка. Скорость спекания очень сильно увеличивается с уменьшением размера частиц, приблизительно обратно пропорционально второй — четвертой степени диаметра частиц. Однако, как было указано ранее, чрезмерно тонкие порошки обычно из-за более высокого содержания окислов, плохой прессуемости и склонности к короблению и образованию трещин при спекании в ряде случаев менее пригодны для спекания, чем порошки с более крупными частицами.
Следует также иметь в виду, что скорость спекания и спекаемость обусловлены не только размером частиц, но и, как отмечено В.А. Ивенсеном и другими исследователями, активностью порошка. Активность порошка определяется концентрацией структурных дефектов и, в первую очередь, величиной свободной поверхности, следовательно, шероховатостью частиц и величиной межфазной поверхности частиц (поверхности подразделений частиц).
Процесс спекания может быть в некоторых случаях значительно активирован в результате химического воздействия на металл при спекании. Так, например, для снижения температуры спекания при производстве молибденовых изделий практикуется добавление к водороду, применяемому в качестве атмосферы спекания, небольшого количества водяных паров. В результате такой добавки при спекании идет обратимая реакция типа
МеО + Н2 ⇔ Ме + Н2О,

при этом атомы металла переходят из решетки окислов в решетку металла и обратно. В момент перехода атомов из одной решетки в другую повышается их подвижность, в результате чего возрастает деформируемость материала и активизируется процесс спекания. Необходимыми условиями активирования спекания при таком химическом воздействии являются: а) легкая восстановимость образующегося соединения; б) достаточная подвижность атомов образующегося соединения. Оба эти условия возможны при образовании окислов молибдена. Поэтому спекание молибдена можно активировать за счет введения паров воды в атмосферу спекания. Однако эти условия не соблюдаются, например, при образовании окислов хрома. Поэтому хром и сплавы с значительным содержанием хрома (например, нержавеющую сталь с 18% Сr и 8% N1) следует спекать в остро очищенном водороде, не содержащем кислорода и паров воды.
В процессе спекания происходит увеличение контактной поверхности и упрочнение контакта между частицами. Это упрочнение связей (схватывание) препятствует дальнейшему уплотнению порошкового металла и росту контактной межчастичной поверхности с увеличением времени спекания. Рост контактной поверхности между частицами порошкового конгломерата неизбежно должен сопровождаться разупрочнением и разрывом некоторой части старых связей, а этому препятствует уже достигнутое ранее схватывание между частицами. Поэтому наиболее эффективны такие технологические процессы спекания, которые содействуют не только росту новых контактных участков и связей между частицами, но также, наряду с этим, и разупрочнению старых связей между ними и, тем самым, уменьшению схватывания. К числу таких эффективных процессов относятся циклическое спекание (т. е. спекание с циклическим снижением и повышением температуры) и спекание, сопровождаемое циклической вибрацией.
Хорошо известно, что циклические нагрев и охлаждение (в особенности быстрые нагрев и охлаждение) ослабляют связь между структурными элементами компактных металлических и неметаллических материалов и в конце концов приводят к их растрескиванию. Однако в пористых спекаемых металлах благодаря капиллярному давлению в ряде случаев нейтрализуется вредное действие таких циклических тепло-смен и, наоборот, проявляется полезное действие циклического спекания, снижающего схватывание между частицами. Так в работе Р.С. Минц показано, что циклическое спекание небольших образцов титана было значительно более эффективным, чем изотермическое спекание при постоянной температуре.
Еще более эффективна циклическая звуковая или ультразвуковая вибрация при спекании, которая периодически усиливает и ослабляет различные связи между частицами спекаемого материала. В табл. 8 приведены данные В.С. Раковского, показывающие, что звуковая вибрация при спекании частотой 8000 цикл/сек значительно повысила плотность, твердость и прочность ряда спекаемых материалов.
Спекание

Следует, однако, иметь в виду, что в некоторых случаях ослабление связей при циклическом и вибрационном спеканиях может дать отрицательные результаты и поэтому не всякие режимы циклического или вибрационного спекания дадут положительный эффект.
При спекании металлокерамических композиций и сплавов, состоящих из нескольких компонентов, особенный интерес представляет спекание сплавов, в которых более легкоплавкий компонент (или компоненты) реагирует с более тугоплавкими компонентами с образованием жидкой фазы (например, твердые сплавы, содержащие карбид вольфрама и кобальт). Обычно жидкая фаза составляет 10—30% (объемн.), и спекание ведут при температуре несколько выше температуры образования жидкой фазы. В этих случаях можно получить очень высокую плотность (близкую к теоретической) и механические свойства не ниже, чем у литых сплавов при сравнительно низких температурах спекания (в ряде случаев около 50% от точки плавления основного компонента).