Politechnika warszawska

Spiekanie niekonwencjonalne metodą PPS

W procesie niekonwencjalnego spiekania metodą PPS (Pulse Plasma Sintering), opracowaną na Wydziale Inżynierii Materiałowej, podobnie jak w innych wymienionych wcześniej technikach spiekania w polu elektrycznym proszek nagrzewany jest ciepłem Joule`a wydzielanym w czasie przepływu impulsów prądu przez matrycę i spiekany proszek. Nagrzewanie matrycy impulsami prądu w procesie PPS nie różni się od wykorzystywanego w konwencjonalnych technikach grzania rezystancyjnego, ale grzanie proszku podczas procesu PPS jest dużo bardziej złożone.

Rys. 6. Zjawiska zachodzące podczas przepływu prądu przez spiekany proszek [15]

Podczas procesu spiekania metodą PPS występują dwie temperatury: temperatura ustalona dla danego procesu, oraz znacznie wyższa od ustalonej temperatura występująca w trakcie przepływu prądu impulsowego. W trakcie rozładowania kondensatorów osiągane natężenie prądu płynącego przez konsolidowany proszek wynosi kilkadziesiąt kA, a czas jego trwania kilkaset mikrosekund.


Rys. 7. Przebieg temperatury w procesie PPS

W pierwszym etapie konsolidowania, gdy spiekany materiał jest jeszcze bardzo porowaty przepływ prądu może następować w wyniku: wyładowań łukowych w porach między cząstkami proszku, tunelowania przez warstwę tlenków pokrywających powierzchnię proszku w miejscu ich kontaktu oraz przebicia elektrycznego przez warstwę tlenków. W tym etapie spiekania iskrowe wyładowania elektryczne usuwają warstewkę tlenków z powierzchni cząstek tworząc dobrze przewodzące kontakty elektryczne. Bardzo krótki czas impulsów prądowych w stosunku do przerw miedzy kolejnymi impulsami, które trwają od części sekundy do kilku sekund, stwarza specyficzne warunki grzania i chłodzenia proszku. Podczas przepływu prądu proszek nagrzewany jest do wysokiej temperatury, lecz po jego zaniku bardzo szybko ulega chłodzeniu i powraca do ustalonej temperatury spiekania. Zjawisko to sprzyja tworzeniu szyjek pomiędzy cząstkami, gdy temperatura układu jest jeszcze stosunkowo niska.

Intensywny transport materiału do obszaru szyjek spowodowany jest przez: powierzchniowe parowanie spiekanego materiału (wywołanego przez iskrowe wyładowania elektryczne w porach), kondensację par w obszarze szyjek – w wyniku znacznie wyższej temperatury w szyjce niż we wnętrzu cząstek (gęstość prądu elektrycznego przepływającego przez szyjki jest dużo wyższa niż wewnątrz cząstek),
a także występowanie w obszarze kontaktu dużego pola naprężeń ściskających, wywołanego zewnętrznym naciskiem. Zewnętrzny nacisk uzyskany przez stemple oraz wysoka temperatura w miejscu kontaktów między cząsteczkami powoduje odkształcenie plastyczne cząstek proszku, a także ich przegrupowanie, które prowadzi do dalszego zagęszczania spieku. Zewnętrzny nacisk powoduje też spłaszczanie kontaktów i prowadzi do zmniejszenia ich rezystancji. Korzystnym zjawiskiem podczas spiekania silnoprądowymi impulsami elektrycznymi jest występujące podczas przepływu prądu dodatkowe ciśnienie magnetyczne (pinch-effect) prowadzące do dodatkowego poprzecznego ściskania proszku, w kierunku prostopadłym do przepływu prądu. Dzięki zjawisku pinch-effect wraz z jednoczesnym jednoosiowym naciskiem uzyskuje się quasi-izostatyczne ciśnienie prasowania.

Pojawiające się podczas spiekania wyładowania, które są wynikiem przepływu prądu o natężeniu kilkudziesięciu kA powodują lokalnie znaczny wzrost temperatury,

a przewodnictwo cieplne wzrost temperatury całego spiekanego proszku. Rozwój szyjek między cząsteczkami proszku postępujący głównie w wyniku procesów dyfuzyjnych oraz jednocześnie występującego ciśnienia prasowania prowadzi do powstawania nowych kontaktów oraz plastycznego płynięcia konsolidowanego materiału, a kończy się uzyskaniem spieku o gęstości zbliżonej do teoretycznej.

3. Wytwarzanie kompozytów narzędziowych Ni-Al/diament

Zastąpienie osnowy kobaltowej osnową z Ni₃Al (stosunek atomowy Ni:Al = 76:24) w narzędziach z diamentem zaproponował Hang K.S. [9]. Spieki wykonano
z elementarnych proszków niklu, aluminium, boru i cząstek diamentu (40-50 mesh)
z wykorzystaniem metody pseudo-HIP i wysokotemperaturowej syntezy SHS. Wypraski prasowane wstępnie pod ciśnieniem 400 MPa i spiekane przez 10 minut
w 700°C (przy temperaturze 580°C rozpoczęła się reakcja SHS podczas, której temperatura 1000÷1350°C panowała w układzie poniżej 1 minuty) przy ciśnieniu
20 MPa. Otrzymane spieki miały gęstość na poziomie 99% wartości gęstości teoretycznej. Właściwości mechaniczne osnowy Ni₃Al otrzymano porównywalne do kobaltu (twardość 273 HV i doraźna wytrzymałość na rozciąganie 700 MPa), ale spieki diamentowe na osnowie Ni₃Al posiadały gorsze właściwości mechaniczne (niższa twardość i wytrzymałość na zginanie) od samej osnowy oraz niższą gęstość, a ponadto w części cząstek diamentu powstały liczne pęknięcia podczas spiekania. Uzyskane narzędzia diamentowe podczas obróbki na sucho wykazały lepsze właściwości skrawające (stosunek objętości usuniętej z bloku granitowego do objętości zużycia narzędzia) niż porównywane narzędzia na osnowie kobaltu. Autor zasugerował ponadto, że zmiana składu osnowy pomoże zniwelować pik temperaturowy oraz skrócić czas trwania reakcji SHS. Wzrost twardości kompozytów na osnowie Ni₃Al został wykazany dla kompozytów wzmacnianych cząstkami WC, TiC, Al₂O₃ prasowanych na gorąco pod ciśnieniem 34 MPa w temp. 1150-1500°C [58],
a w kompozytach na osnowie NiAl dla dodatku Al₂O₃ spiekanych metodą PPS w temp. 1100°C przy ciśnieniu 60 MPa [59].

Zhou Y.M., Zhang F.L. i Wang C.Y. [10] wytwarzali spieki wykonano

z elementarnych proszków niklu i aluminium (stosunek atomowy Ni:Al = 1:1) oraz
z dodatkiem 30% obj. diamentu (355 μm - poniżej 9 mesh). Wypraski prasowane były wstępnie przy ciśnieniu 80 MPa i spiekane w próżni 0,1 MPa, a chwilowa temperatura podczas reakcji SHS sięgnęła 1380°C co spowodowało częściową lub całkowitą grafityzacje cząstek diamentu. Podczas spiekania kompozyt NiAl/diament wykazał mniejszą szybkość propagacji frontu reakcji SHS oraz niższą temperaturę reakcji SHS niż dla NiAl. Badania XRD wykazały oprócz dominującej fazy NiAl inne fazy układu
Ni-Al: Ni₂Al₃, Ni₃Al, NiAl₃, ale nie wykazały obecności żadnej fazy świadczącej
o trwałym powiązaniu między osnową NiAl a diamentem co jest związane z małą zwilżalnością diamentu przez fazy Ni-Al. Otrzymane kompozyty diamentowe cechowały się wysoką porowatością oraz licznymi pęknięciami osnowy i cząstek diamentu.

Praca Zhang F.L, Yang Z.F., Zhou Y.M., Wang C.Y. [11] poszerzyła wcześniej przeprowadzone badania Zhou Y.M., Zhang F.L. i Wang C.Y. [10] wykazując wpływ dodatków Cr, P, Cu i B na zmianę szybkości reakcji SHS podczas tworzenia kompozytu Ni-Al/diament (Ni:Al = 1:1, 10% wag. diamentu) oraz wpływ wielkości diamentu na zużycie narzędzia przy cięciu . Wypraski prasowane były przy ciśnieniu

60 MPa i spiekane w próżni 0,1 MPa. Przebieg frontu reakcji SHS w przypadku kompozytu NiAl/diament z dodatkami Ni-Cr-P, Cu oraz B trwał sześciokrotnie dłużej (1,24 s) niż dla samego kompozytu NiAl/diament. Badania XRD kompozytu NiAl/diament z dodatkami Ni-Cr-P, Cu oraz B wykazały obecność różnych faz z układu Ni-Al: NiAl, Ni₄Al₃, NiAl₃, a także faz: CrNi, Ni₂Cr₃, Ni₃P, oraz węglików: Cr₃C₂ odpowiedzialnych za trwałe połączenie osnowy z cząstkami diamentu. Węgliki Cr₃C₂ oraz Cr₇C₃ powstają podczas reakcji między fazami Ni-Cr a diamentem ze względu na wysokie powinowactwo chromu do diamentu [60]. Najmniejsze zużycie ostrza przy cieciu szafiru wykazano dla najmniejszych użytych w badaniu cząstek diamentu
(38-45 μm), większe o 10% było zużycie ostrza dla diamentu 109-120 μm, a o 20% dla cząstek diamentu 212-250 μm.

5.