Bez tytułu slajdu

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

SPIEKANIE

Metoda formowania kształtki

Gęstość po formowaniu

Zachowanie kształtu

Wielkość ziaren proszku

Czynniki niekontrolowane

Czynniki kontrolowane

Gęstość spieku

iś

Skład fazowy proszku

Wytrzymałość mechaniczna

Inne

Skład chemiczny proszku

Surcz

Porowatość

Czynniki warunkujące procesy spiekania

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Sposób przenoszenia masy

Mechanizmy

Ruch pojedynczych atomów:
- po swobodnych powierzchniach,
- po granicach ziarn,
- w objętości ziaren

Dyfuzja powierzchniowa,

dyfuzja po granicach ziarn,

dyfuzja objętościowa

Ruch całych ziaren

Poślizg po granicach ziarn

Ruch dyslokacji

Odkształcenie plastyczne

struktury ziaren

Ruch atomów i cząstek w fazie

ciekłej

Dyfuzja i płynięcie

lepkościowe w fazie ciekłej ;

rozpuszczanie i

krystalizacja

Ruch atomów i cząstek w fazie

gazowej

Przenoszenie masy przez

fazę gazową drogą

odparowania i kondensacji

Możliwe mechanizmy przenoszenia masy

podczas spiekania

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Możliwe

mechanizmy

przenoszenia masy

podczas spiekania

Odkształcenie plastyczne

Dyfuzja po granicach ziaren
Dyfuzja objetościowa
Dyfuzyjne pełzanie lepkościowe
Parowanie i kondensacja

Dyfuzja powierzchniowa

Poślizg po granicach ziaren

przenoszenie
pojedynczych atomów

przenoszenie
całych ziaren

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE



Spiekanie odbywa się w zakresie

temperatur: 0.7~0.9



Transformacja mechanicznie zespolonych

wyprasek w dużo wytrzymalsze zespolone

metalicznie spieki.



Występuje zjawisko skurczu:

sintered



green

skurcz

Obj



sintered



















green

liniowy

Skurcz

Spiekanie

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Schemat zmian skurczu zbioru

ziaren w wyprasce podczas

spiekania – w funkcji temperatury

lub czasu (spiekanie izotermiczne)

Wielkość skurczu to jednoznaczne kryterium stopnia zagęszczenia spieku.

Dyfuzja powierzchniowa aktywowana w początkowym etapie spiekania powoduje

tylko niewielkie zmiany objętości układu ziaren. Zdecydowanie największy wpływ

na skurcz spieku posiada mechanizm dyfuzji po granicach ziarn, co powoduje

przegrupowanie całych ziarn a nie pojedynczych atomów. Około 70 – 75%

całkowitego skurczu jest powodem dyfuzji po granicach ziarn lub obciążenia

zewnętrznego powodującego przegrupowanie ziarn. W wysokich temperaturach

spiekania zmiany układu ziaren świadczą o przebiegu dyfuzji objętościowej.

CZAS, TEMPERATURA

Dyfuzja powierzchniowa
(wzrost rozwinięcia
powierzchnikontaktów
między ziarnami)

Dyfuzja po granicach ziaren
(wzajemny poślizg ziaren
po granicach)

Dyfuzja objętościowa
(zbliżanie się centrów ziaren)

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Schemat zmniejszania

się

powierzchni

swobodnych cząstek

Podstawową siłą napędową podczas spiekania w fazie stałej jest nadwyżka energii

układu cząstek proszku w postaci energii powierzchniowej. Spiekany układ dążąc do

minimalizacji energii, zmierza do zmniejszenia obszaru swobodnych powierzchni

przez tworzenie szyjek, wygładzanie powierzchni, sferoidyzację i eliminacje porów.

Spiekanie w fazie stałej zachodzi w temperaturze 0,7



0,8 bezwzględnej

temperatury spiekanego materiału, w wyniku czego nie dochodzi nawet do

przejściowego tworzenia się fazy ciekłej a głównymi mechanizmami przepływu masy

są pełzanie, dyfuzja powierzchniowa, dyfuzja objętościowa, parowanie i

kondensacja.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Stężenie wakansów

Prężność par

W wyniku płynięcia lepkościowego materiał przemieszcza się z

cząstek do obszaru szyjki. Dzięki temu powiększa się płaszczyzna

styku i zbliżają się do siebie środki cząstek. Proces dyfuzji

powierzchniowej polega na przemieszczaniu się atomów po

powierzchniach ziarn od powierzchni wypukłych do powierzchni

wklęsłych, ponieważ stężenie atomów słabo związanych z siecią

krystaliczną metalu jest większe na powierzchni wypukłej niż

wklęsłej. Ruch ten jest wynikiem działania napięć powierzchniowych i

podczas spiekania jest bardzo intensywny.

Schemat geometrii szyjki

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Zmiany wywoływane przez przenoszenie masy

drogą dyfuzji powierzchniowej

Zmiany profilu początkowo zakrzywionej powierzchni

w kolejnych stadiach (1,2,3) przenoszenia masy z

wypukłych do wklęsłych części powierzchni

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Zmiany wywoływane przez przenoszenie masy

drogą dyfuzji powierzchniowej

Zmiany w układzie dwu kulistych

ziaren, które początkowo stykają

się tylko punktowo. W skutek

przenoszenia masy z wypukłych do

wklęsłych wycinków powierzchni,

następuje wygładzenie profilu

powierzchni, czemu towarzyszy

obniżenie rozwinięcia powierzchni

układu dwu ziaren i tym samym

spadek entalpii swobodnej układu.

Dalszy spadek entalpii wynika z

wykształcenia się płaskich ścian,

równoległych do płaszczyzn

krystalograficznych o najniższej

energii powierzchniowej oraz w

skutek eliminacji granicy pomiędzy

ziarnami i ich koalescencja

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Efektem dyfuzji powierzchniowej jest powiększenie się

powierzchni styku bez zbliżania się środków cząstek

metalu i skurczu spieku. Wzrost ziarna jest powszechną

trudnością podczas spiekania, ponieważ powiększając się

zmniejsza wielkość pożądanego obszaru granicy ziarna

potrzebnego do spiekania. Dyfuzja powierzchniowa

dominuje przy niskiej temperaturze spiekania, z tego

powodu powolne podgrzewanie obniża siłę napędową

spiekania bez zagęszczania wypraski.

! ! !

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Mechanizm dyfuzji powierzchniowej

Model powierzchni krystalitów
a) Zbudowany z atomów

przedstawionych jako małe

sześciany tworzące sześć

wiązań z sąsiadami

b) Mechanizm

rozprzestrzeniającego się

dywanu zachodzący w

skutek dyfuzji

powierzchniowej

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Dyfuzyjne pełzanie lepkościowe.

Kierunek ruchu atomów

Kierunek ruchu wakancji

Kształt ziarna wcześniejszy

Kształt ziarna późniejszy





Wskutek lokalnego występowania różnego rodzaju naprężeń i tym samym

różnych stężeń wakancji i atomów na różnych granicach ziarna występuje

ukierunkowane znoszenie dyfundujących wakancji oraz atomów i kierunkach

przeciwnych. Efektem są zmiany kształtu ziarna. Schemat dotyczy dyfuzji

objętościowej, która zachodzi w wysokich temperaturach. Niemniej dla dyfuzji

po granicach ziaren występują identyczne mechanizmy przenoszenia masy.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Wypraska może również ulegać pęcznieniu w wyniku działania rozprężającego

gazów, utleniania spieku lub dyfuzji. Pęcznienie w wyniku dyfuzji jest możliwe w

układach składników A i B, przy czym dyfuzja składnika B do A jest wielokrotnie

większa niż A do B oraz cząstki składnika A stykają się ze sobą, natomiast

cząstki składnika B znajdują się w porach pomiędzy ziarnami A. Następuje

wtedy wdyfundowanie B do A, powiększenie objętości składnika A i tym samym

powiększenie objętości całej kształtki.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Model zachowania się zbioru ziarn podczas

spiekania w fazie ciekłej

Dwa podstawowe mechanizmy

1 Przegrupowanie ziarn do bardziej gęstego ułożenia. Siły kapilarne dążą do

zmniejszenia objętości poru, co powoduje że „przyczepione” do powierzchni

poru ziarna przemieszczają się w kierunku środka krzywizny (ziarna

przyczepione do części poru o mniejszym promieniu przemieszczają się

bardziej)
2 Częściowe rozpuszczanie ziarn w cieczy (ziarna małe i części większych

ziarn o małym promieniu krzywizny ulegają uprzywilejowanemu rozpuszczaniu

w fazie ciekłej) W wyniku tego w spieku wzrasta udział większych ziarn o

obłym kształcie

Ciecz

Faza stała

Por

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Faza ciekła nie zwilżająca cząstek

Faza ciekła zwilżająca cząstki

180



Q Q

Dla



< 90

, faza ciekła zwilża fazę stałą, natomiast

dla



> 90

zjawisko zwilżania nie występuje

Spiekanie z udziałem fazy ciekłej dotyczy układów wieloskładnikowych i przebiega

najczęściej w temperaturze wyższej od temperatury topnienia najniżej topliwego

składnika. Obecność fazy ciekłej aktywizuje proces spiekania dzięki procesom

rozpuszczania zwiększającym ruchliwość atomów. Wpływ ten zależy w znacznym

stopniu od zwilżalności fazy stałej przez fazę ciekłą określany skrajnym (



) i

dwuściennym (



) kątem zwilżania.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Granica
ziaren



Por



Por

120

Stan równowagowy

LK=6



ss =



cos





- energia powierzchniowa granic rozdzia u ziarno - por



- energia granic ziaren

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE



Por

W przypadku domeny (por otaczające go ziarna) A, por otoczony jest przez trzy  ziarna
stąd  dwuwymiarowa  liczba  koordynacyjna  LK  =  3.  Dla  rys.  B  i  C  LK  wynosi
odpowiednio  6  i  9.  Spadek  liczby  koordynacyjnej  poru  LK  poniżej  pewnej  wartości
krytycznej  LKc  sprzyja  samorzutnemu  zmniejszeniu  rozmiarów  porów  aż  do  ich
eliminacji.

Różnica  szybkości  zagęszczenia  i  eliminacji  porów  wewnątrz  aglomeratów  i  pomiędzy
aglomeratami  oraz  wywołanie  tym  pękanie  styków  ziaren  utrudnia  samorzutne
zagęszczanie proszku podczas ogrzewania go.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Faza ciekła nie zwilżająca cząstek

Faza ciekła zwilżająca cząstki

180



Q Q

Dla



< 90

, faza ciekła zwilża fazę stałą, natomiast

dla



> 90

zjawisko zwilżania nie występuje

Spiekanie z udziałem fazy ciekłej dotyczy układów wieloskładnikowych i przebiega

najczęściej w temperaturze wyższej od temperatury topnienia najniżej topliwego

składnika. Obecność fazy ciekłej aktywizuje proces spiekania dzięki procesom

rozpuszczania zwiększającym ruchliwość atomów. Wpływ ten zależy w znacznym

stopniu od zwilżalności fazy stałej przez fazę ciekłą określany skrajnym (



) i

dwuściennym (



) kątem zwilżania.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Pory

Tworzenie się

szkieletu

Rozpad cząstek

Przegrupowanie

cząstek

Rozrost ziarn

(Chłodzenie)

Wydzielanie się
węglików

Cząstka

Ciecz

Węglik

Rys. 18. Mechanizm spiekania w fazie
supersolidus [Błąd! Nie można odnaleźć
źródła odsyłacza.]

Mechanizm spiekania

w fazie supersolidus

W metodzie

PIM

występuje duża

kurczliwość materiału, czyli zmiana

wymiaru wypraski



L w stosunku do

początkowego L

. Gęstość i kurczliwość

są wzajemnie powiązane. Metoda ta

zakłada równokierunkową kurczliwość

podczas spiekania, kiedy to wypraska

ulega zagęszczaniu od początkowej

częściowej

gęstości



(po

depolimeryzacji) do gęstości spiekania























MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

a) Korundowa cegła otrzymana drogą spiekania tlenku glinu z dodatkiem

wypalających się trocin – produkt ZMO Wrocław - Oleśnica.

b) Porowaty element ceramiczny stosowany jako filtr w procesie COS,

otrzymany drogą nasycania zawiesiną proszku gąbki polimerowej i

wypalania – produkt Instytutu Odlewnictwa w Krakowie

Przykłady spieków porowatych (wg J. Lis, R. Pampuch)

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Porównanie składników kosztów jednostkowego wytwarzania dla części:
1 – wykonanej z odkuwki, 2 – z proszków

•Małe straty materiału,

•Krótki czas przyuczania obsługi,

•Jednorodność maszyn i ich mała ilość,

•Niskie nakłady na oprzyrządowanie produkcji

P/M w produkcji masowej

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

•

Teoretycznie nieograniczony wybór stopów, możliwość uzyskania

materiałów o szczególnych właściwościach.

•

Wytwarzanie trudno topliwych stopów.

•

Wytwarzanie materiałów porowatych na łożyska samosmarujące.

•

Ekonomiczny proces przy produkcji masowej.

•

Długi czas wygrzewania wpływa na wymiary i kształt wyprasek.

•

Zredukowanie strat materiałów.

•

Ograniczony rozmiar spieków i kształt.

•

Wysoki koszt wytworzenia proszku.

•

Wysoki koszt narzędzi.

•

Mniejsza wytrzymałość produktów, niż tych wytworzonych w

konwencjonalnych metodach.

Zalety i wady P/M ???