Модель спекания по механизму «испарение — конденсация»

Спекание некоторых кристаллических тонкодисперсных порошков происходит за счет переноса вещества при испарении его с поверхности одних элементарных кристалликов и конденсации на поверхности других. Модель такого спекания за счет испарения — конденсации вещества показана на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Модель спекания по механизму «испарение-конденсация»: г— радиус сфер; р — радиус кривизны; х — радиус площади перешейка

При некоторой температуре нагревания начинается процесс испарения вещества. Упругость паров по мере повышения температуры постепенно повышается. Между двумя соседними кристалликами образуется перемычка. Площадь контакта между частицами с течением времени увеличивается пропорционально степени ²/з. С увеличением площади образующейся линзы (если допустить, что частицы имеют шарообразную форму) улучшаются прочностные свойства спекаемого изделия:

Перенос вещества с поверхности одной частицы на поверхность другой обусловлен различием упругости пара над этими поверхностями. Такое различие в упругости пара объясняется различием в кривизне поверхности соприкасающихся частиц. Частицы с большим и положительным радиусом имеют и большую упругость пара. На перемычке образуются участки с отрицательным радиусом, поэтому перенос вещества будет идти в направлении перемычки (см. рис. 5.5). По мере увеличения радиуса перемычки увеличивается радиус ее кривизны, что приводит к уменьшению разницы в упругости пара частицы, с которой идет испарение на поверхность перемычки, на которой происходит конденсация. В результате этого процесс спекания дальше не развивается и постепенно затухает.

Характерной особенностью спекания в соответствии с механизмом «испарение-конденсация» является отсутствие ощутимой усадки. Объясняется эго тем, что при испарении центры отдельных зерен взаимно не перемещаются, как это происходит при диффузионном спекании. То обстоятельство, что расстояние между центрами частиц не меняется, определяет некоторое постоянство плотности спекаемого материала. Происходит лишь перераспределение мор, изменение размеров кристаллов, но пористость и плотность остаются практически одинаковыми. При таком спекании основными факторами, определяющими его скорость, являются температура и размер исходных спекаемых частиц, поскольку именно эти два фактора и определяют упругость пара в системе. Как известно, упругость пара твердых кристаллических тел экспоненциально зависит от температуры. Чтобы перенос вещества осуществлялся через паровую фазу, необходима некоторая минимальная упругость паров (1 — 10 Па). Например, упругость пара корунда при 900° С составляет 0,1−1 МПа, что недостаточно для спекания за счет испарения и конденсации. Для большинства керамических материалов такой тип спекания не характерен. Однако такой материал, как карбид кремния SiC, спекается именно за счет испарения — конденсации. При 2200 — 2400 °C упругость его паров составляет 10 — 100 Па и процесс спекания через паровую фазу протекает достаточно активно.

Спекание за счет пластичной деформации может происходить только при одновременном воздействии температуры и давления. Такое спекание происходит при так называемом процессе горячего прессования. Разогретое поликристаллическое тело при некоторой температуре и давлении приобретает способность пластичной деформации. При нагрузке внутри прессуемого изделия происходит перераспределение вещества, заполнение всех пустот; тело приобретает относительную плотность, составляющую 99 — 99,5%. Скорость спекания находится в прямой зависимости от поверхностного натяжения и в обратной зависимости от размера спекаемых частиц и их вязкости.