Общие закономерности изменения свойств при спекании

Целью спекания как технологической операции является придание спрессованным изделиям заданных физико-механических свойств. В зависимости от условий спекания свойства спеченных тел могут изменяться в широких пределах.

Однако если задаться определенными условиями спекания и изучать изменения свойств в процессе или после спекания, то обнаруживается ряд факторов, изменение которых влияет на свойства спекаемых тел определенным закономерным образом. Изменение свойств при нагреве спрессованных брикетов начинается несколько ранее проявления усадки. В этот период свойства меняются вследствие протекания процессов возврата поверхностных процессов и восстановления окислов.

Большой интерес для понимания процессов, идущих при спекании, представляют работы по кинетике изменения свойств в процессе спекания. Многие работы в этой области посвящены изучению электросопротивления.

На рис. 196 представлено изменение электросопротивления и усадки медных брикетов в процессе спекания в очищенном водороде. Данные других исследователей имеют примерно аналогичный характер. Начальный рост электросопротивления обычно связывается со снятием остаточных напряжений прессования, которое может приводить к разрыву межчастичных контактов. Этот подъем может быть также связан и с обычным температурным ходом электросопротивления.

После нагрева до температур 80—150° сопротивление начинает интенсивно понижаться, что обусловлено восстановлением окислов и образованием мостиков между частицами, а также десорбцией газовых пленок с поверхности частиц образца. Последующий подъем сопротивления связан с обычным для металлов увеличением электросопротивления с ростом температуры. Начало усадки приводит к уменьшению электросопротивления в связи с увеличением плотности.

Проявление отмеченных стадий изменения электросопротивления при спекании зависит от многих факторов. Так, при спекании брикетов, спрессованных при больших давлениях, усадка которых мала, наблюдается только уменьшение сопротивления в результате восстановления окислов и десорбции газов (кривая 4).

Повышение содержания окислов приводит к более, резкому спаду электросопротивления при температурах восстановления последних. При спекании же благородных металлов (например, серебра) этот спад тоже наблюдается и связан, по всей вероятности, с десорбцией газов и примесей.

Изменение электросопротивления при спекании брикетов никеля и железа происходит в основном аналогично таковому для меди.

В.И. Лихтман и Л.Т. Назаров отмечают, что температурный коэффициент сопротивления медных брикетов становится равным таковому для литой меди только после спекания при 700°, до этой температуры изменение величины межчастичных контактов может иметь обратимый характер.

Кинетика изменения свойств при спекании исследовалась многими авторами. На рис. 197 приведены наши данные по изотермической кинетике изменения свойств при спекании железа. С ростом плотности при спекании симбатно меняются физико-механические свойства. Наиболее интенсивное изменение наблюдается в начальной стадии.

Свойства спеченных пористых тел определяются прежде всего следующими факторами: плотностью, состоянием поверхности пор, величиной зерен, содержанием примесей. При спекании изменение этих характеристик происходит одновременно, но с разной скоростью. Помимо этого, чувствительность различных свойств к перечисленным выше факторам неодинакова. Поэтому темп роста различных свойств при спекании неодинаков. Так, электро- и теплопроводность, упругие свойства и магнитное насыщение определяются в основном плотностью, и изменение этих свойств затухает при прекращении или сильном замедлении уплотнения. Прочность и особенно пластические свойства, будучи чувствительными к форме пор, улучшаются при сглаживании рельефа пор даже при отсутствии изменения плотности. Магнитная проницаемость и коэрцитивная сила, помимо формы пор, чувствительны также к величине зерен и количеству загрязнения. Для таких структурно-чувствительных свойств, как магнитные и пластические, достижение определенного уровня свойств (по отношению к свойствам беспористого материала) требует существенно больших выдержек или температур спекания, чем в случае, например, электрических свойств.

Изменение свойств при изотермическом спекании в пределах обычных технологических выдержек (до 8—10 час.) подчиняется степенной зависимости, а именно пропорционально tm, где т в большинстве случаев примерно равно 0,5.

Правомочность степенной зависимости для кинетики изменения свойств можно обосновать данными работ, в которых было показано, что рост величины контакта происходит по закону x=t1/n (см. табл. 42). Помимо этого, кинетика усадки в первом приближении также характеризуется степенной зависимостью (IV.16). Наличие степенной зависимости при изменении прочностных свойств при спекании отмечалось также М.Ю. Бальшиным и Бокштигелем.

Различная чувствительность электрических, прочностных, магнитных и других свойств к величине пористости, форме пор и наличию примесей предопределяет характер влияния условии спекания на эти свойства.

Так, например, в условиях активированного спекания электрические свойства, если обеспечена достаточная полнота восстановления окислов, могут меняться преимущественно только при интенсификации уплотнения при спекании. Прочность же, пластичность, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила изменяются при спекании в засыпках из глинозема в смеси с хлористым аммонием (рис. 198) и в водороде с добавками хлористого водорода, когда прироста в усадке не наблюдается, а интенсивно изменяется состояние поверхности пор.

Как показывают данные рис. 198, прирост пластических свойств при спекании гораздо существеннее, чем прочностных. Это объясняется большей чувствительностью пластичности к надрезам, создающим концентраторы напряжений. Эдье отмечает также значительный прирост ударной вязкости при спекании железных образцов в галогеносодержащих засыпках.

Таковы в основных чертах закономерности изменения свойств при спекании. Для многокомпонентных спеченных тел свойства зависят также от полноты гомогенизации и состояния межфазных контактов. Задача предвычисления свойств спеченных тел полностью пока не решена. Она связана как с решением задачи физико-математического описания уплотнения и гомогенизации при спекании, так и с разработкой теории зависимости свойств пористых тел от их строения.