Спекание, также называемое фриттажем, представляет собой процесс уплотнения и связывания частиц порошка в твердую часть путем применения высоких температур ниже точки плавления. Наиболее распространенным спеканием является спекание в порошковой металлургии, которое используется для повышения прочности, плотности и желаемых механических свойств деталей из порошкового металла.
Содержание:
Что такое процесс спекания?
Спекание нагревает порошок, в результате чего атомы рассеиваются, частицы сближаются, площадь поверхности уменьшается, а форма изменяется.
Этапы спекания
Обычно процесс спекания делится на три этапа: начальный этап, промежуточный этап и конечный этап.
Начальная стадия
Частицы порошка образуют точки контакта путем диффузии. В точках контакта начинают образовываться шейки, и материал начинает слегка уплотняться. На этом этапе большинство пор в детали взаимосвязаны.
Промежуточная стадия
Перешейки между соседними порошками выросли и соприкасаются друг с другом, то есть входят в промежуточную стадию. Это приводит к уменьшению пористости и значительному увеличению плотности.
Итоговый этап
В этот момент большинство пор изолированы. Газ в порах замедляет дальнейшее уплотнение.
При достижении плотности заготовки 92% все поры практически не связаны между собой. Кроме того, на завершающей стадии существенно ускоряется скорость роста зерна.
Температуры спекания
Температура спекания металлов составляет от 60% до 80% от их температуры плавления.
Вот некоторые общепринятые температуры спекания металлов:
- Температура спекания железа: 1120-1150 °C (2048-2102 °F)
- Температура спекания меди: 800 °C
- Температура спекания нержавеющей стали: 1250 °C.
- Температура спекания керамики обычно составляет от 1000 до 2000 °C.
Атмосфера спекания
Атмосфера спекания влияет на механические свойства и внешний вид конечного продукта. Обычные атмосферы спекания включают: водород, азот, аргон, вакуум и разложенный аммиак. Ее основные функции следующие:
- Не допускайте попадания наружного воздуха в печь для спекания, что может привести к окислению или обезуглероживанию заготовки.
- Атмосфера спекания способствует уменьшению оксидного слоя на поверхности прессованного порошка.
- Помогает выжигать смазочные материалы и клеи в заготовке.
Типы процесса спекания
Распространенные типы процессов спекания включают в себя: твердофазное спекание, жидкофазное спекание, реакционное спекание, микроволновое спекание, искровое плазменное спекание.
Твердотельное спекание
Твердотельное спекание Это диффузионный процесс, который связывает и уплотняет порошки при температуре ниже точки плавления без образования жидкой фазы. Он основан на атомной диффузии вдоль границ зерен для снижения поверхностной энергии и создания плотной, стабильной микроструктуры.
Спекание в жидкой фазе
Жидкофазное спекание хорошо подходит для материалов, которые трудно уплотнить путем твердофазного спекания или которые имеют высокие температуры плавления, такие как карбид вольфрама и карбид кремния. Сырьем, используемым при жидкофазном спекании, обычно являются порошки из нескольких элементов. Когда температура спекания выше температуры плавления одного элемента или превышает эвтектическую или перитектическую точку между порошками, образуется жидкая фаза.
Спекание в жидкой фазе может эффективно увеличить скорость спекания, поскольку капиллярная сила жидкой фазы может уплотнять порошок, а атомы диффундируют в жидкости быстрее, чем в твердом теле.
Постоянное жидкофазное спекание
Постоянное жидкофазное спекание происходит, когда жидкая фаза постоянно присутствует в процессе спекания, например, при спекании порошка W-Cu.
Переходное жидкофазное спекание
Переходное жидкофазное спекание — это процесс, при котором жидкая фаза образуется на ранней стадии спекания, но затвердевает на более поздней стадии.
Искровое плазменное спекание
Искровое плазменное спекание (ИПС), также известный как спекание под действием электрического поля (FAST) или спекание под действием электрического разряда, представляет собой метод импульсного тока с использованием давления, используемый для изготовления керамики, металлов и твердых материалов.
SPS пропускает через заготовку тысячи или даже десятки тысяч импульсов постоянного тока, при этом скорость нагрева достигает 600°C/мин. Объединяя высокий ток, быстрый нагрев, высокую температуру и высокое давление, SPS уплотняет детали быстро и эффективно.
Микроволновое спекание
В последние годы микроволновое спекание стало эффективным методом производства керамики. В отличие от традиционного спекания без давления, оно использует диэлектрические потери материала для поглощения микроволн и генерации тепла внутри. Это позволяет керамической заготовке быстро и равномерно нагреваться изнутри, что позволяет сократить время спекания, снизить температуру и повысить энергоэффективность.
Микроволновое спекание позволяет производить керамику сложной формы с более тонкими, более однородными микроструктурами и более высокой плотностью и прочностью. Например, Дженни успешно спекал Al₂O₃ при 1200 °C за 60 минут — на 250 °C ниже, чем при использовании традиционных методов.
Спекание без давления
Спекание без давления является наиболее широко используемым методом спекания, который требует только высоких температур и никакого внешнего давления для сплавления частиц порошка. Конвенциональный процесс спекания порошковой металлургии — это спекание без давления.
Реактивное спекание
Реактивное спекание — это тип процесса спекания, при котором между металлическим порошком одновременно происходят химические реакции, приводящие к образованию жидких фаз или соединений внутри материала.
Реакционное спекание может увеличить плотность сырой прессовки более чем до 95% за несколько минут. Однако из-за жидкой фазы, образующейся внутри, заготовка склонна к деформации. Обычно используется для формирования современных керамических материалов, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид кремния (Si₃N₄).
Материалы, используемые для спекания
Процесс спекания позволяет обрабатывать широкий спектр материалов, в основном следующие:
Драгоценные металлы
Большинство металлов можно изготовить методом спекания, включая железо, железо-медный сплав, бронзу, латунь, чистую медь, нержавеющую сталь серий 300 и 400, никелевый сплав, легированную сталь, титановый сплав, магнитомягкие композитные материалы.
Эти материалы могут быть сформированы методом прессования под давлением, литья металла под давлением, 3D-печати, а затем спечены в готовые детали.
Керамический гранулированный песок для гидроразрыва
Керамика имеет чрезвычайно высокую температуру плавления и ее трудно обрабатывать с использованием традиционных производственных процессов.
Спеченная керамика включают в себя: оксид алюминия, нитрид алюминия, оксид циркония, нитрид кремния, нитрид бора и карбид кремния.
Керамику обычно формуют методами холодного прессования, литья под давлением или изостатического прессования, а затем спекают.
пластики
Спеченные пластмассы имеют широкий спектр применения, включая глушители, шумоглушители и т. д. Спеченные пластиковые материалы включают: PP, PE, UPE, PA, PTFE, PVDF. Спеченные пластики имеют высокую эффективность фильтрации и легкую структуру.
Печь для спекания
Обычный печи для спекания порошковой металлургии в основном включают в себя следующие типы:
Конвейерная ленточная агломерационная печь
Рабочая температура печей для спекания с конвейерной лентой обычно ниже 1150°C, что ограничивается термостойкостью материала ленты. В результате эти печи обычно используются для изделий на основе железа и меди. Ленточный конвейер обычно движется со скоростью от 50 до 250 мм в минуту, при стандартной ширине около 500 мм.
Толкательная печь для спекания
Толкательная печь для спекания перемещает изделия через зоны нагрева с помощью толкателя, обеспечивая высокий уровень автоматизации и непрерывность работы.
Вакуумная печь для спекания
Вакуумные печи для спекания могут достигать очень высоких температур, до 2500°C и выше, что делает их пригодными для спекания тугоплавких материалов, таких как керамика, карбид вольфрама и молибден. Однако их главным недостатком является относительно низкая эффективность производства.
Преимущества и недостатки спекания
Преимущества спекания
Процесс спекания имеет следующие преимущества:
- Детали, изготовленные методом спекания, имеют высокую стабильность качества от партии к партии.
- В ходе этого процесса можно добиться жестких допусков.
- Спекание в порошковой металлургии экономически эффективен при крупномасштабном производстве.
- Спекание происходит в форме, близкой к конечной, и не требует вторичных операций отделки.
Недостатки спекания
У него также есть некоторые недостатки:
- Обычные спеченные детали имеют поры, и их механические свойства могут быть не такими хорошими, как у обработанных или кованых деталей.
- Традиционный процесс спекания порошковых металлов требует длительного времени спекания.
- Метод прессования-спекания также требует точной порошковой формы, что делает его менее подходящим для мелкосерийного производства.
Ищете производителя спеченных изделий? BLUE — надежный поставщик порошковой металлургии с 20-летним опытом и сертификацией ISO 9001:2015. Мы предлагаем широкий ассортимент стандартных спеченных металлических деталей без платы за оснастку. Посетите наш магазин, чтобы найти подходящее решение для вашего проекта, или позвольте нам изготовить детали по индивидуальному заказу для вас — мы также предлагаем бесплатные услуги по проектированию пресс-форм.
FAQ
Что такое процесс спекания в производстве металлов?
Спекание в металлообработке — это термический процесс, в ходе которого прессованные металлические порошки упрочняются путём нагревания их до температуры, близкой к температуре плавления. На этом этапе в точках контакта частиц происходит атомная диффузия, что приводит к образованию металлургических связей и уменьшению пористости. В результате получается плотный, высокопрочный компонент, окончательная геометрия и свойства которого определяются исходной порошковой прессовкой.
Сколько времени занимает спекание?
Это зависит от метода спекания.
Традиционное спекание методом порошковой металлургии занимает около 4 часов.
Искровое плазменное спекание занимает всего около 5–10 минут.
В чем разница между спеканием и отжигом?
Спекание превращает уплотненный порошок в компонент с желаемыми механическими свойствами.
Отжиг — это процесс термической обработки, который улучшает свойства твердых металлов за счет снижения твердости и восстановления пластичности.
В чем разница между спеканием и плавлением?
Спекание производится при температуре ниже точки плавления металла, обычно при 70–90%, что позволяет скрепить частицы, не превращая их в жидкость.
Напротив, плавка полностью разжижает металл, как это наблюдается в процессах литья.