Technologie spiekania metali

Spiekanie to jeden z najbardziej powszechnych procesów w metalurgii. Poddawane mogą być jemu proszki różnych metali lub wypraski. Za sprawą tej technologii połączenia między cząstkami w proszku przekształcane są w silniejsze połączenia metaliczne. Proces ten zachodzi pod wpływem wysokie temperatury, która umożliwia zajście dyfuzji. To jak będzie wyglądał finalny produkt i jaka będzie jego wytrzymałość zależne jest od temperatury, początkowej struktury wypraski lub proszku, a także składu atmosfery. W czasie procesu spiekania rośnie gęstość materiału, co wpływa na podwyższenie jego wytrzymałości. W efekcie powstały spiek ma właściwości bardzo zbliżone do litego materiału.

Spiekanie w obecności cieczy

Spiekaniu może towarzyszyć wystąpienie fazy ciekłej. Może ona sprawiać, że centra ziaren szybciej zbliżają się do siebie. Wyróżniamy dwa podstawowe typy spiekania w obecności cieczy: gdy faza ciekła jest dobrze zwilżająca lub gdy nie zwilża. W pierwszym przypadku ciecz najczęściej rozpuszcza w sobie ziarna. Kiedy faza ciekła jest niezwilżająca nie wnika pomiędzy ziarna. Kiedy w układzie obecna jest ciecz szybciej zachodzi zagęszczanie materiału do większych gęstości.

Spiekanie pod ciśnieniem

Kiedy w procesie spiekania zastosowane zostanie zewnętrzne obciążenie występuje dodatkowy skurcz. Pozwala to na uzyskanie większej gęstości ziaren. Ciśnienie może być przykładane na różne sposoby. Ze względu na ten parametr wyróżnia się dwa rodzaje spiekania: pod obciążeniem jednoosiowym oraz izostatycznym. Spiekanie pod ciśnieniem pozwala na uzyskanie gęstych polikryształów z substancji, w których występują wiązania kowalencyjne. Jest to niemożliwe w układzie swobodnym, w którym niewykorzystane jest dodatkowe obciążenie.

Spiekanie w układach wieloskładnikowych

Ziarna wykorzystane do spiekania mogą składać się z więcej niż jednej fazy. Wówczas mówimy o układach wieloskładnikowych. Jednak wówczas spiekalność układu jest gorsza niż każdego z jego składników osobno poddanemu procesowi. Dzieje się tak, ponieważ w jego obrębie mogą zachodzić reakcje chemiczne, co prowadzi do zmian potencjału termochemicznego. Spada także entalpia swobodna układu , przez co dyfuzja zachodzi tylko w kierunku umożliwiającym dopływ substratów do reakcji chemicznej. Oprócz reakcji chemicznych może następować także rozpuszczanie, które również skutkuje szybkim spadkiem entalpii. Wystąpienie kilku faz w układzie utrudnia spiekanie. Już na początku procesu zostaje ono zahamowane, ponieważ środki ziaren nie mogą się tak dobrze stykać. W przypadku ziaren o mniejszej ruchliwości może zajść wówczas pęcznienie. Zaś ziarna dyfundujące szybciej ulegają kurczeniu się.

Atmosfery spiekania

Spiekanie może zachodzić w różnych warunkach atmosfery. Jedną z najstarszych stosowanych w przemyśle jest atmosfera azotu. Otrzymuje się ją dzięki dysocjacji amoniaku. W tej atmosferze może zachodzić spiekanie metali o małym powinowactwie do azotu. Należą do nich m.in. nikiel, miedź, żelazo. W przypadku metali o większym powinowactwie do azotu nie jest to atmosfera obojętna. Wówczas spiekanie nie będzie zachodziło tak efektywnie, ponieważ nastąpi powstawanie azotków. Atmosferą obojętną dla wszystkich metali jest ta utworzona z argonu oraz helu. Jednak gazy te wykorzystuje się niezwykle rzadko, głównie przez wysokie koszty. Technologia procesu spiekania w takiej atmosferze wymaga specjalnego sprzętu i warunków, ponieważ wystąpienie nawet niewielkiej ilości zanieczyszczeń może skutkować całkowitą zmianą powierzchni spieku. Innym rodzajem atmosfery stosowanej do spiekania jest próżnia. Warunki te dają możliwość łatwego usunięcia gazów z powierzchni spiekanego materiału. Jednak niektóre pierwiastki mogą mieć dużą prężność par, co powoduje pewne problemy podczas przeprowadzania procesu. Próżnia pozwala na ochronę spieku przed nadmiernym utlenianiem. Sprzyja ona również dysocjacji niektórych związków, m.in. azotków, tlenków i wodorków. Najlepsze efekty można otrzymać kiedy proces spiekania przebiega z zastosowaniem fazy ciekłej.