Рост зерен кристаллов при спекании

На конечных стадиях спекания наблюдается рост крупных зерен кристаллов. Движущей силой роста зерен является поверхностная энергия искривленных границ. В условиях, близких к равновесным, границы кристаллов ровные и имеют в плоском сечении шесть сторон. У зерен с меньшим числом.

Рис. 74. Схематическое изображение поликристаллического образца по Бурке. Стрелками обозначены направления, в которых мигрируют границы.

сторон границы выпуклые, у зерен с большим числом сторон (более шести) они будут вогнутыми. Границы двигаются к своим центрам кривизны, чтобы уменьшить свободную поверхностную энергию, вследствие чего зерна с числом сторон более шести увеличиваются, а зерна с числом сторон менее шести уменьшаются (рис. 74).

Происходит рост крупных зерен за счет мелких. Такой рост зерен называется собирательной рекристаллизацией. Скорость движения границ зерен обратно пропорциональна радиусу зерен:

После интегрирования получаем:

Если /?₍₎ = const — начальный размер зерен, то где R — радиус выросших зерен; т — время спекания.

Рис. 75. Изменение конфигурации границы, столкнувшейся при движении с включением по Кингери.

Теоретически рост зерен будет продолжаться до тех пор, пока образец не станет монокристаллом. Рост зерен ограничивается включениями «второй фазы» (рис. 75). Для ограничения роста зерен специально вводят вторую фазу в виде твердых высокодисперсных добавок. Тормозят рост зерен наличие пор в материале и присутствие жидкой фазы.

Технологические факторы, ускоряющие спекание. Технологические факторы, влияющие на спекание, можно подразделить на механические, теплотехнические и химические.

Механическое активирование происходит при измельчении материала, при спекании в переменном электрическом или магнитном поле.

Тепловое активирование осуществляют регулированием температуры спекания, скорости подъема температуры и газовым режимом.

Химическое активирование спекания сводится к подбору и введению химических добавок как образующих жидкую фазу, так и не образующих ее.

Спекающие добавки выбирают и оценивают их эффективность по следующим параметрам:

• 1. По разности электроотрицательности Дх катионной добавки и основного оксида (у более активных Дх больше).
• 2. По относительной разности ионных радиусов катиона добавки и оксида (Дг/г_ок). У более активных добавок эта разница меньше.
• 3. По разнице силы связи катионов с кислородом у добавки и основного оксида. Сила связи катиона добавки к кислороду должна быть больше, чем сила связи катиона к кислороду основного оксида.

Описанные выше требования к добавкам соответствуют принципу ориентационно-размерного соответствия. Механизм действия добавок заключается в образовании дефектных твердых растворов, образовании жидкой фазы, что создает благоприятные условия зернограничного проскальзывания зерен под действием капиллярных сил.