Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Роль поверхностной диффузии и переноса атомов через газовую фазу

01.05.2019

Поверхностная диффузия и перенос атомов металла через газовую фазу играют важнейшую роль в формировании свойств пористых спекаемых тел. Наглядной иллюстрацией исключительно большой перестройки, которая может происходить при нагреве за счет этих процессов, является опыт П.И. Лукирского с кристаллами каменной соли. Лукирским было обнаружено, что при отжиге в результате поверхностных процессов шар, выточенный из монокристалла хлористого натрия, превращается в многогранник.

Такое превращение обусловлено стремлением системы к минимуму свободной поверхностной энергии, что достигается не только путем уменьшения поверхности, но и образованием плоскостей с наименьшим значением поверхностного натяжения. Хотя при превращении шара в многогранник увеличивается общая поверхность, но суммарная поверхностная энергия уменьшается в связи с уменьшением поверхностного натяжения.

В процессе спекания порошковых тел взаимодействие между частицами происходит прежде всего в поверхностных слоях В период нагрева и на ранних стадиях спекания благодаря поверхностной диффузии и испарению, протекание которых в большинстве случаев активируется в связи с восстановлением окислов, образуются перемычки между частицами, а впоследствии зарастают впадины между частицами и на их поверхности.

Спрессованные порошковые брикеты, как показывают измерения, обычно характеризуются большими значениями удельной поверхности, доходящими до нескольких десятых квадратного метра на грамм порошка. Поэтому вклад поверхностных процессов в общий перенос вещества и формирование свойств в спекаемом теле может быть весьма значительным.

Перенос атомов через газовую фазу и поверхностная диффузия, способствуя изменению формы пор, не оказывают влияния на изменение плотности при спекании. Как уже отмечалось, на протекание начальных стадий усадки оказывают влияние процессы в поверхностных слоях в зоне контактов между частицами. Одним из эффективных методов воздействия на усадку при спекании является легирование поверхностных слоев порошковых частиц, что более подробно будет изложено ниже.

Аналитический расчет роста межчастичных контактов за счет поверхностных и других процессов был предпринят несколькими исследователями. В этих работах при предположении различных механизмов рассчитывалась величина диаметра шейки при припекании сферических частиц к плоским шлифам или друг к другу (рис. 153). Результаты этих работ приведены в табл. 42.
Роль поверхностной диффузии и переноса атомов через газовую фазу

Различный вид зависимостей x = f(t) связан с характером предположений при выводе. Так, если при рассмотрении роста реличины х за счет испарения и конденсации исходить из замкнутого пространства и принимать, что все испаряющиеся с поверхности атомы конденсируются в шейке, можно получить формулу Б.Я. Пинеса х7 = t. Если же расчет проводить для незамкнутого пространства (т. е. часть атомов не конденсируется в шейке), то изменение радиуса контакта подчиняется закону х3 = t. Первый случай ближе к реальным условиям спекания пористых тел, второй — к условиям припекания. При рассмотрении объемной и поверхностной диффузии также возможны различные подходы для определения градиента концентрации вакансий.

На практике рост радиуса контакта является результатом протекания всех перечисленных процессов, в большинстве случаев показатель степени в выражении xn = t равен 5. При применении же сфер хлористого натрия, упругость паров которого велика, рост радиуса подчинялся зависимости x3 = t, что совпадает с расчетами.

Некоторые исследователи на основании изучения спекания на моделях стремились сделать вывод о механизме спекания (усадки). Однако эти попытки нельзя признать удачными в связи с трудностью трактовки результатов из-за одновременного действия на рост контакта различных процессов и частичной неопределенности в решении зависимости xn = t. Помимо этого, опыты на моделях большей частью проводились с равновесными объектами, что не отвечает реальным условиям спекания.

За последнее время изучение спекания на моделях было плодотворно использовано для исследования влияния дефектов на процесс припекания.

Для большинства металлов, как показывают оценки, роль испарения и конденсации в зарастании искусственно созданных на поверхности дефектов невелика, она составляет доли процента от вклада поверхностной диффузии. Так, соотношение времен полузалечивания риски для двух механизмов имеет следующий вид:

где m — масса атома; n — плотность атомов в поверхностном слое; Pa — равновесная упругость паров; L — линейный размер риски.

Выражение (IV.20) вполне применимо и к условиям спекания. Роль риски в этом случае играют впадины на поверхности частиц. Из этого выражения видно, что с увеличением размера L (что равноценно увеличению размера частицы) повышается роль испарения и конденсации в связи с удлинением путей диффузии.

Однако в целом зарастание за счет поверхностной диффузии и переконденсационного механизма впадин между частицами при увеличении размеров последних происходит менее интенсивно. Это обстоятельство оказывает влияние на свойства спеченных тел, изготовленных из порошков различной дисперсности При одинаковой относительной плотности образцы, спеченные из мелких порошков, характеризуются более высокими значениями механических и других свойств, чем образцы из грубых порошков, поскольку в последних для зарастания пор требуется относительно больший перенос вещества.

С повышением температуры роль переконденсационного механизма увеличивается. Однако для реальных условий спекания нужно учитывать, что роль переконденсационного механизма может быть существенно повышена и в связи с протеканием химических реакций между спекаемым телом и окружающей газовой средой.

В работе одного из авторов экспериментально показано, что перенос атомов через газовую фазу может существенно меняться в зависимости от состояния исходного порошка. В случае, например, отжига окисленного с поверхности медного порошка в восстановительной атмосфере перенос атомов через газовую фазу существенно повышался, в сравнении с отжигом не-окисленного порошка.

Наглядное представление об этом можно получить также из результатов изменения удельной поверхности спеченных брикетов. В табл. 43 приведены наши данные измерения удельной поверхности (методом проницаемости по Б.В. Дерягину) брикетов железа, спеченных в различных условиях. Применяя режимы активированного спекания, можно получить спеченные брикеты с небольшой удельной поверхностью пор. Сглаживание рельефа в данном случае интенсифицируется за счет протекания на поверхности пор химических реакций (окисления и восстановления, образования и диссоциации галогенидов), которые обусловливают перенос атомов через газовую фазу. Однако методы количественной оценки роли переконденсационного механизма и поверхностной диффузии в реальных условиях сглаживания рельефа пор при спекании пока не развиты.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: