Влияние свойств порошков и плотности брикетов на протекание спекания
Условия получения порошков. Ранее отмечалось, что условия получения металлических порошков во многом предопределяют их поведение при спекании. Величина частиц, распределение их по фракциям, состояние поверхности порошковых частиц, содержание окислов и несовершенств кристаллического строения — все эти параметры зависят от условий изготовления порошков и в свою очередь оказывают существенное влияние на изменение плотности и свойств при спекании.
В практике порошковой металлургии хорошо известно, что мелкие фракции порошков дают при спекании большую усадку. На рис. 156 показано влияние среднего размера частиц электролитического порошка меди на усадку при спекании. С увеличением времени спекания зависимость AV/V = f(1/d), где d — диаметр частиц, превращается в линейную.
Величина частиц не только оказывает влияние на изменение плотности, но и определяет свойства спеченных тел. При той же плотности брикетов механические и электрические свойства оказываются тем выше, чем дисперснее порошок. Это объясняется большим количеством межчастичных контактов в случае мелких порошков и более интенсивным зарастанием межчастичных впадин и сглаживанием рельефа пор.
Следует отметить, что на практике мелкие порошки могут содержать большее количество окислов, что также способствует в ряде случаев интенсификации спекания. Часто влияние величины частиц и содержания окислов может быть совместным. В табл. 44 представлены результаты Петрдлика по исследованию свойств брикетов никеля, спрессованных ИЗ недовосстановленных порошков. Как видно из этих данных, спекание порошков, восстановленных при низких температурах, сопровождается значительной усадкой; свойства брикетов, спеченных из таких порошков, высоки. Все это — результат влияния восстановления окислов при спекании, а также малой величины порошковых частиц и развитой их поверхности.
Исследование влияния условий восстановления железных порошков на изменение плотности и прочностных свойств при спекании описано в работе. Чем ниже была температура восстановления окислов водородом (760—980°), тем больше оказалась удельная поверхность порошков (фракция — 53+74 мк) и выше содержание окислов, тем больше было изменение плотности при спекании. Характерно, что при одинаковой плотности спеченных тел предел прочности был выше в тех случаях, когда использовались порошки с большой удельной поверхностью. При одинаковой температуре восстановления усадка и механические свойства повышались со снижением интенсивности размола (растирание проволочной щеткой, пестиком в ступке, размол в мельницах) и соответственно с увеличением удельной поверхности порошков.
В работе одного из авторов обнаружена линейная зависимость усадки от величины удельной поверхности исходного железного порошка (рис. 157) при сохранении постоянства ситового состава исходного порошка. С увеличением удельной поверхности усадка возрастала. Экспериментальные данные однозначно показывают, что с повышением дисперсности порошка и неоднородности рельефа поверхности частиц увеличивается удельная поверхность и усадка при спекании. Наличие выступов и впадин на поверхности частиц значительно активирует усадку за счет образования микропор с малым радиусом кривизны на стыках частиц. Содержание дефектов кристаллического строения в этих выступах также повышенное, что способствует активированию диффузионной подвижности атомов.
Отжиг порошка, приводя к сглаживанию рельефа частиц, их взаимному срастанию и устранению несовершенств кристаллического строения, способствует снижению усадки при спекании. Для регулирования усадки при спекании существует много методов, однако использование предварительного отжига и дошихтовка мелких фракций крупными фракциями являются в большинстве случаев наиболее целесообразными.
Исследование влияния плотности тока при электролитическом получении порошка на усадку при спекании брикетов выполнено в работе. С повышением плотности тока при электролизе возрастала усадка. Электронномикроскопические исследования показали, что форма частиц меди (исследовалась фракция меньше 40 мк) при всех режимах электролиза была примерно идентичной, но, как следовало из рентгеноструктурного анализа, с ростом плотности тока увеличивались напряжения 3-го рода. Авторы работы объясняют возрастание усадки увеличением количества несовершенств кристаллического строения.
В заключение отметим, что хотя факт влияния условий получения порошков на их спекаемость не оставляет сомнения (чем неравновеснее условие изготовления, тем лучше спекаемость), однозначно роль различных факторов в этом влиянии во многих случаях не установлена.
Начальная пористость брикетов. Зависимость усадки от начальной пористости изучалась во многих работах. Чем выше начальная пористость, тем больше усадка (рис. 158). М.Ю. Бальшин отмечает, что между усадкой и исходной пористостью брикетов существует зависимость вида AV/V=kO. Линеиныи характер этой зависимости оправдывается в довольно большом интервале пористостей. Однако во многих случаях брикеты с пористостью 10% и менее при спекании дают не усадку, а рост. На причинах этого роста, обусловленного давлением газа в замкнутых порах, мы остановимся ниже.
Влияние исходной пористости на величину усадки связано с геометрическим фактором — величиной межчастичных контактов. Брикеты с большей относительной плотностью характеризуются большим коэффициентом вязкости, что и обусловливает меньшую усадку. Расчет величины конечной пористости в зависимости от начальной пористости с учетом влияния геометрического фактора дан В.В. Скороходом.
М.Ю. Бальшин отмечает, что при рассмотрении процесса усадки необходимо учитывать возможность локализации уплотнения в отдельных зонах. В предыдущей главе сообщалось о неравномерности распределения пористости в спрессованных брикетах, что связано с явлением внешнего трения. Естественно, что в реальных металлокерамических телах, особенно при больших размерах последних, усадка протекает неоднородно. Например, в цилиндрических брикетах часто после усадки можно наблюдать «талию» (усадка в середине больше, чем на торцах, которые характеризуются меньшей пористостью после прессования). Усадка в направлении прессования, как правило, больше, чем в перпендикулярном направлении, что обычно связывается с разной величиной контактов.