» » Сварка (спекание) порошков
21.12.2014

Соболевский П.Г. и Мобарский В.В. получили монолит спеканием порошков в 1830 г. (платиновые монеты). В 1980 г. мировое производство металлических порошков достигло 1,5 млн т.
Порошковые тела обладают рядом особенностей:
- размеры порошковых частиц составляют 0,1-1000 мкм;
- в 1 см3 порошкового тела может содержаться 103частиц;
- площадь поверхности порошинки - 0,01-20 см2;
- температура плавления уменьшается с уменьшением размеров (фракции) частиц (температура плавления компактного свинца составляет 237°С; свинца в порошке с размерами частиц 5*10в-6 см - на 7°С ниже; а с размерами 5*10в-7 см - на 41°С ниже); поверхность фактического соприкосновения в порошковых телах составляет очень малую долю всей поверхности - 0,001-0,01%, последствием чего является тот факт, что среднее давление 10 Н/мм2; приводит к контактным напряжениям между порошинками - 2000 Н/мм2. Уже от веса насыпанного порошка может начаться пластическая деформация и первоначальный точечный контакт переходит s контакт поверхности;
- в малых порошинках возникает схема всестороннего неравномерного сжатия, обусловленная свободной энергией поверхности (наблюдается рентгеноструктурным методом по искажению кристаллической решетки).
При прессовании объем порошкового тела изменяется в результате заполнения пустот между частицами за счет их смещения и пластической деформации.
Свободная засыпка порошка характеризуется арочным эффектом (возникновение в металлическом порошке пор, превышающих размеры наиболее крупных частиц порошка).
Под действием прикладываемых внешних сил пустоты заполняются - достигается наиболее плотная укладка порошинок.
Сварка (спекание) порошков

В случае пластичных материалов дальнейшее уплотнение будет происходить за счет пластической деформации частиц (формоизменение отдельных порошинок), причем, сначала на контакте с инструментом, а затем и в глубине насыпанного порошка.
При прессовании хрупких материалов деформация проявляется в разрушении и дроблении выступов на поверхности порошинок.
Изменение относительной плотности порошка (относительная плотность - отношение фактической плотности порошка к плотности беспористого материала) при прессовании происходит в три этапа.
Сварка (спекание) порошков

Когда давление прессования превысит сопротивление сжатию частиц порошка, начинается третий этап процесса уплотнения: пластическая деформация охватывает весь объем каждой частицы, смещение контактов прекращается и они фиксируются (процесс формообразования),
Фактически в процессе прессования все три этапа идут одновременно: пластическая деформация отдельных частиц начинается уже при малых давлениях, в то время, как скольжение отдельных порошинок продолжается и при высоких нагрузках. Чем пластичнее металл, тем при более низком давлении начинается уплотнение за счет деформации частиц.
Большая заслуга в разработке теоретических положений, связанных с уплотнением порошковых тел при прессовании, принадлежит М.Ю. Бальшину. Он показал, что количественная зависимость плотности прессовки от давления прессования может быть выражена уравнением
Сварка (спекание) порошков

где р - приложенное давление прессования; рмакс - давление прессования, обеспечивающее получение беспористой прессовки (компактного тела); m - показатель прессования (для металлических порошков m > 3); β - относительный объем прессовки.
При размере частиц 10в-4 см устанавливается равновесная форма частиц вследствие поверхностной диффузии атомов.
Для порошковых тел должна существовать своя механика, объединяющая понятия механики сплошной среды и механики материальной точки (кристаллическая механика).
В отличие от компактных литых металлов прочность порошковых прессовок возрастает с уменьшением твердости и ростом пластичности (например, прессовки из меди прочнее, чем из железа): у пластичных материалов в результате быстрого заполнения контактных микронеровностей в непосредственный контакт вступает большее число атомов совмещенных поверхностей, что способствует проявлению молекулярных сил сцепления.
Сварка (спекание) порошков

Спрессованные брикеты (прессовки) принято характеризовать прочностью на сжатие и изгиб, так как прочность на разрыв невелика.
При холодном прессовании порошка получают брикет (полупродукт), в котором осуществлено формоизменение (пластическая деформация отдельных порошинок) и лишь частично начато формообразование. Брикет остается пористым и имеет ничтожную прочность. Далее такой брикет спекают (нагревают до температуры T = (0,5-0,7) Tплавл), при этом через места схватывания (сварки) происходит диффузия.
При горячем прессовании порошков процессы пластической деформации и диффузии идут одновременно. Давление и пластическая деформация увеличивают скорость диффузии.
Спекание ведут в среде водорода или восстановительных окислов. При прокатке порошков процесс интенсифицируют ультразвуком (активация атомов).
При спекании порошков с использованием процессов ОМД можно получать материалы и составы, не реализуемые методами литья (нерастворимые соединения, металлокерамика), можно получать пористые изделия для дальнейшей пропитки их жидкостью (подшипники), слоистые изделия.
Кроме прессования существуют другие способы формообразования перед спеканием: осаждение из суспензий, пластификаторный (пропитывание вязкими жидкостями). В этих способах для формообразования иногда используют обработку резанием, но спеченные изделия имеют форму, близкую к форме готового изделия.