Вакуумное рафинирование и спекание (сварка) штабиков

В настоящее время в России и за рубежом основная масса первичных тугоплавких металлов поставляется металлургическими заводами в виде спеченных штабиков, получаемых методом порошковой металлургии. Производство штабиков является сложным процессом, включающим значительное количество металлургических операций (получение порошков, их отсев, замешивание связки, прессование штабиков, предварительное низкотемпературное спекание, высокотемпературное спекание, правку и обрубку штабиков и др.).

Подробно вопросы производства штабиков освещены в ряде монографий, например [40, 41], и здесь рассматриваться не будут. В данном разделе книги основное внимание уделяется вопросам твердофазного рафинирования указанных металлов в процессах спекания штабиков.

Спекание — сложный физико-химический процесс, во время которого удаляются адсорбированные пары и газы, восстанавливаются и диссоциируют окисные пленки на частицах порошка, происходят диффузионные перемещения атомов (приводящие к исправлению дефектов и искажений в кристаллической решетке металлических порошков и их сращиванию), перенос металлов через газовую фазу (испарение) и другие явления. Такое многообразие явлений, сопутствующих процессу спекания, создает значительные трудности при изучении и установлении закономерностей этого процесса. Физическая сущность явлений, происходящих при спекании порошковых тел, и другие теоретические вопросы порошковой металлургии подробно изложены в монографиях [40, 41]. В настоящем разделе книги мы ограничимся весьма кратким изложением некоторых вопросов физической сущности процесса спекания. С термодинамической точки зрения процесс спекания можно рассматривать как перемещение атомов с энергетически невыгодных позиций в такие, где изохорно-изотермический потенциал (энергия Гельмгольца) системы минимален. Перемещением атомов металла к местам контакта и заполнение металлом пор обусловливаются изменения физических (плотности, электросопротивление и др.) и механических свойств штабиков при спекании. Мерой подвижности атомов служит скорость их смещения из данного положения равновесия. Средняя скорость v, с которой атом покидает положение равновесия, выражается формулой где а — коэффициент, характерный для материала; Q — энергия активации, необходимая для вывода атома из равновесия; /?— газовая постоянная; Т — температура, К.

Атомы, находящиеся на поверхности частицы и особенно на выступающих ее частях, обладают меньшей энергией активации, т. е. большей подвижностью. Поэтому в начальный период спекания перемещения испытывают поверхностные атомы, т. е. располагающиеся на выступах частиц, как обладающие наибольшим запасом энергии Гельмгольца.

Однако исследования Меерсона [42] показали, что поверхностная диффузия атомов не может быть основной для значительного уплотнения заготовок; она играет очень важную роль главным образом только в процессах межчастичного сцепления, так как благодаря ей может происходить увеличение межчастичных контактов без заметного уменьшения суммарного объема пор. Как правило, изменения объема пор за счет поверхностной диффузии атомов не происходит, а если и наблюдается некоторое уменьшение объема, то лишь за счет сообщающихся пор. Кроме того, может наблюдаться увеличение объема крупных пор за счет мелких, что в конечном счете может привести к полному поглощению мелких пор крупными.

В работе [43] рассматривается процесс спекания тел, спрессованных из порошков, и указывается, что при высоких температурах вследствие снижения прочностных свойств металлический порошок, подобно жидкости, начинает «течь», а весь агрегат зерен сливается (спекается) в массу. Это происходит подобно капелькам жидкости, но значительно медленнее. Скорость слияния (спекания) во столько раз меньше скорости слияния жидких капель, во сколько раз вязкость кристаллического вещества (при высоких температурах) больше вязкости жидкого металла. Выдвигая идею вязкого течения твердых тел и считая это течение аналогичным течению жидкостей, автор [43], однако, представляет перемещение металла в этом случае как пермещение «вакансий».

Таким образом, согласно этой теории спекания перемещение (самодиффузия) атомов в решетке состоит в последовательном замещении ими вакансий. Имеются и другие теории спекания, однако однозначного ответа на этот вопрос пока не дано.

Наряду с описанными выше физическими явлениями, наблюдаемыми при спекании тугоплавких металлов, при формировании их структуры и межкристаллитной связи протекают сложные процессы химического взаимодействия. На низкотемпературной стадии спекания наряду с удалением связки происходит частичная десорбция паров и газов с поверхности порошков.

При высокотемпературном вакуумном спекании происходит дальнейшая дегазация металлов — удаление кислорода и углерода за счет образования газовой фазы (СО, СОг, СН₄ и др.), удаление кислорода путем испарения моноокисей, диссоциация нитридных и гид-ридных соединений, а также испарение металлических и неметаллических примесей.

Степень очистки тугоплавких металлов от примесей зависит от температуры твердофазного рафинирования, которой определяется давление насыщенных паров примесей и диффузионная подвижность их атомов. Учитывая, что эти температуры относительно невысоки, полной очистки от газовых и металлических примесей не происходит, а получаемые штабики содержат некоторое количество этих примесей.