Фторопласты

Процессы уплотнения порошков и развития межчастичного сцепления при горячем прессовании

В ряде работ горячее прессование представлено как процесс, ха­рактеризующийся приложением быстро нарастающего до необхо­димой величины давления и сравнительно короткой выдержкой при повышенных температурах. Процесс, протекающий при дли­тельной выдержке под постоянным давлением, называют спекани­ем под давлением. В работе [11] эти процессы сведены к двум ступеням единого процесса горячего уплотнения, так как спеканию под давлением практически всегда предшествует быстрое нагру­жение, а снимать нагрузку сразу не рекомендуют во избежание вредного влияния упругого последействия. Быстрое горячее прес­сование автор описывает уравнением, полученным им для холод­ного прессования, учитывая температурные влияния на характери­стики материала порошков:

Р = Р'к'а, (3.1)

Где р - номинальное давление прессования; а - безразмерное кон­тактное (критическое) сечение; р' - критическое (контактное) давление прессования, которое определяют зависимостью:

Рк= Н0 /(1-2^к - л/а), (3.2)

Где НО - кратковременная горячая твердость материала частиц; цк

- коэффициент Пуассона компактного материала.

На второй стадии горячего прессования автор выделяет процес­сы переноса материи трёх различных типов:

1) перенос материи за счет перемещения атомов внутри объема частиц;

2) перенос материи за счет перемещения атомов по поверхности частиц;

3) перенос материи за счет взаимного перемещения частиц.

Считают, что перенос материи за счет перемещения атомов по

Поверхности частиц (как и перенос за счет других дефектов) не отражается на типе уравнения зависимости степени уплотнения от времени горячего прессования при постоянном давлении. Но нали­чие этого вида переноса материи ускоряет процесс снижения крат­ковременной твердости и коэффициента вязкости.

В работе приведены выведенные уравнения кинетики спекания под постоянным давлением. Изменение эффективного контактного давления прессования (р^ )2 представлено уравнением:

(Р )2 = 0,25п-H'0/(* + О, (3.3)

Где П - коэффициент вязкости; t - время выдержки при постоянной температуре; *0 - эквивалентное время выдержки, учитывающее начальный период спекания, которое рассчитывают по зависимости

*0 = 0,25^0. (3.4)

Значение коэффициента вязкости и кратковременной горячей твердости уменьшается с увеличением активности порошков, т. е. с ростом подвижности атомов.

Из уравнения кинетики уплотнения при холодном прессовании, имеющего вид:

2 2 _____ а =-?—. (3.5)

(1 - 2 цк7а )2 (р'к)2

Подстановкой значений (р'к )2 из формулы (3.3) автором работы [11] получено соотношение

А2 Р 2(* + *0)

(1 - 2 цк>/а )2 0,25

Где постоянны все величины, кроме а и *.

Из этого соотношения можно рассчитывать время выдержки при заданной температуре Т, постоянном давлении рп и известных других составляющих:

Г = 0,25л{---------- а Н''------------------------------------------------ Ц, (3.7)

1(1 - 2 )2 Н0

Безразмерное контактное сечение а представляют степенной за­висимостью от относительной плотности и вида:

А = ит, (3.8)

Где т - показатель, зависящий от типа пористого тела, его порис­тости, структуры и других факторов. Для одной и той же плотности показатель может иметь различные значения.

Уравнение, описывающее изменение пористости при горячем прессовании, предложенное Муррэем, Роджерсом и Вильямсом, имеет вид:

'Пн ^ 3 (

1п.

П ) 4

Где Пн - начальная пористость; П - пористость горячепрессованно­го образца; ґ - время выдержки под давлением р.

В отличие от прессования при комнатной температуре, когда самыми твердыми и трудно деформируемыми участками в связи с их окисленностью являются внешние слои, при горячем прессова­нии поверхностные слои легче деформируются, снижается коэф­фициент взаимного трения частиц. В результате релаксации оста­точных напряжений при нагреве снимается наклеп, что интенсифицирует уплотнение.

Непрерывное перераспределение напряжений, несинхронность концентраций их в результате ускоренного образования, залечива­ния и перемещения дефектов облегчает уплотнение при нагреве. Немалая роль в несинхронности концентраций напряжений при­надлежит наложению явлений спекания под собственным капил­лярным давлением, имеющим более местный, быстро меняющий направление и точки приложения характер.

Как при холодном, так и при горячем прессовании в стадии не­высоких плотностей характерно преобладание межчастичной деформации. При наиболее высоких плотностях исключается перемещение частиц, уплотнение происходит за счет атомов (внут - ричастичной деформации).

При горячем прессовании при одинаковой плотности достигает­ся высокая прочность, что вызвано развитием межчастичного сцепления явлениями, присущими спеканию порошков.

В процессе спекания происходит удаление адсорбированных паров и газов, восстановление и диссоциация окисных плёнок, диффузионное перемещение атомов, исправление дефектов кри­сталлической решетки металлических порошков, рекристаллиза­ция, перенос материала через газовую фазу и другие явления, в результате которых изменяется состояние межчастичных связей и структуры пористых материалов в целом.

В результате поверхностной диффузии атомов происходит сглаживание поверхностей соприкасающихся участков частиц, сфероидизация пор, перемещение атомов с поверхностей крупных на поверхность мелких (сообщающихся) пор, что приводит к уве­личению и упрочнению межчастичных контактов. За счет объем­ной диффузии атомов по вакансиям (или диффузии вакансий от мелких пор к крупным) происходит поглощение мелких пор круп­ными. Диффузия атомов по межкристаллическим границам идет во много раз быстрее, чем по объему кристалла, поэтому процесс коагуляции пор при спекании происходит быстрее в брикетах из порошков с меньшими размерами частиц.

Спекание металлических порошков сопровождается изменением объема сформированного пористого тела, чаще всего его уменьше­нием.

Механизм усадки при спекании заключается в объемной дефор­мации частиц в результате объемной диффузии атомов по ваканси­ям. Иногда нарушается процесс усадки, наблюдается её снижение или даже рост объема. Причинами этого являются наличие невос - станавливающихся оксидов, фазовые превращения, выделения газов, релаксация напряжений, возникших при прессовании. Рост объема спекаемых тел происходит при образовании закрытой пористости, составляющей более 7 %.

Расширение газов, находящихся в закрытых порах, препятствует уплотнению при спекании, и вызывают рост брикетов. Образова­нию закрытой пористости способствует наличие в порошке окси­дов. Пленка невосстанавливающихся оксидов тормозит процессы диффузии, препятствуя усадке [10].

Существенную роль в завершении перестройки структуры, под­готовляемой процессами прессования, восстановления оксидов и усадкой, играет межчастичная собирательная рекристаллизация, протекающая при сближении частиц на расстояние межатомного взаимодействия при температурах выше 0,45 температуры плавле­ния (Тпл).

На развитие межчастичных контактов влияет перенос атомов через газовую среду от поверхностей с положительным радиусом кривизны к поверхностям, имеющим отрицательный радиус кри­визны, т. е. к перемычкам между частицами.

Рассмотренные процессы - это однокомпонентные системы, к которым относятся и гомогенные металлические сплавы, и химиче­ские соединения. На практике чаще всего имеют дело с многоком­понентными системами, при спекании которых уменьшение сво­бодной поверхностной энергии зависит не только от уменьшения поверхности пор и исправления искажений кристаллической ре­шетки, но и от протекания гетеродиффузии.

Для большого числа сплавов, получаемых из металлических по­рошков, процесс спекания протекает в присутствии жидкой фазы, которая образуется при расплавлении более легкоплавкого компо­нента или за счет образования эвтектики.

Механизм твердофазного и жидкофазного спекания многоком­понентных систем зависит от характера диаграмм состояния спе­каемых систем.