Механизмы спекания порошков вольфрама

М.И. АЛЫМОВ, С.И. АВЕРИН, Е.С. КУБАСОВА
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва
МЕХАНИЗМЫ СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВ ВОЛЬФРАМА
В работе представлены диаграммы спекания порошков вольфрама, имеющие
различную дисперсность. Выявлены доминирующие механизмы спекания порошков вольфрама при данной температуре, размере частиц и размере перешейка.
Рассмотрено изменение диаграмм спекания в результате уменьшения размера
частицы спекаемого порошка.
При спекании порошков образуются перешейки между частицами, при
этом увеличивается плотность порошковых компактов. Существует шесть
различных механизмов, которые вносят вклад в рост перешейка и в
уплотнение. Все механизмы дают вклад в рост перешейка одновременно:
скорость роста перешейка или скорость спекания есть сумма шести составляющих.
№
1
2
3
4
5
6
Механизм
Поверхностная диффузия
Объемная диффузия
Пар
Зернограничная диффузия
Объемная диффузия
Объемная диффузия
Источник материала
Поверхность
Поверхность
Поверхность
Граница зерен
Граница зерен
Дислокации
Сток материала
Перешеек
Перешеек
Перешеек
Перешеек
Перешеек
Перешеек
Диаграммы спекания, построенные в координатах радиус перешейка температура, дают скорость спекания и определяют механизм спекания
при данной температуре. Такие диаграммы строятся по скоростным уравнениям, которые описывают вклад каждого участвующего механизма в
скорость роста перешейка или в скорость уплотнения [1].
Удобно представить процесс спекания, состоящим из нескольких последовательных стадий [2]. Нулевая стадия - адгезия, когда две частицы
приводятся в контакт, между ними действуют межатомные силы, сближающие их друг с другом. Сформированный таким образом перешеек
относительно велик, если размер частицы мал: адгезия может играть важную роль в поведении частиц субмикронного и нано размера. Первая стадия - ранняя стадия роста перешейка: отдельные частички порошка еще
различимы. Вторая стадия - промежуточная: перешейки уже достаточно
большие, поры примерно цилиндрические. К моменту, когда достигнута
последняя третья стадия, поры изолированные и сферические.
Соответствующие скоростные уравнения для каждого отдельного механизма зависят от стадии, которой достигло спекание.
Были построены диаграммы спекания порошковых компактов вольфрама для размера частиц спекаемого порошка равных 2; 0.2; 0.02 мкм.
Из диаграмм спекания видно, что не все механизмы, дающие вклад в спекание, появляются на диаграмме спекания вольфрама. Это указывает на
то, что вкладом отсутствующих механизмов можно пренебречь при анализе спекания порошковых компактов вольфрама.
Таким образом, спекание порошкового компакта вольфрама размером
2 мкм определяется, главным образом, поверхностной диффузией вещества с поверхности к перешейку между спекаемыми частицами, а также
зернограничной диффузией и объемной диффузией вещества от границ
зерен к перешейку. На раннем этапе спекания доминирует поверхностная
диффузия. По мере роста перешейка вклад данного механизма уменьшается и возрастает вклад от зернограничной и объемной диффузии вещества от границы зерен. Причем, чем больше температура и размер перешейка, тем больше вклад объемной диффузии по сравнению с зернограничной.
Спекание порошковых компактов вольфрама размером 0,2 мкм и 0,02
мкм определяется поверхностной диффузией вещества с поверхности к
перешейку между спекаемыми частицами, а также зернограничной диффузией. Объемная диффузия вещества от границ зерен к перешейку дает
незначительный вклад в спекание. На раннем этапе спекания доминирует
поверхностная диффузия. По мере роста перешейка вклад поверхностной
диффузии уменьшается и возрастает вклад от зернограничной диффузии
вещества от границы зерен. При уменьшении размера частицы спекаемого порошка меняется только нижний предел размера перешейка, его значение уменьшается.
Список литературы
1.
Лякишев Н.П., Алымов М.И. Получение и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. М.: ЭЛИЗ. 2007. 148 с.
2.
Ashby M.F. A first report on sintering diagrams. Acta Met., 1974, v. 22,
p.275-289.