MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Spiekane
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Czynniki warunkujące procesy spiekania
Czynniki kontrolowane
Wielkość ziaren proszku
Gęstość spieku
Skład chemiczny proszku
Porowatość
Skład fazowy proszku
Surcz
Gęstość po formowaniu SPIEKANIE
Wytrzymałość mechaniczna
Metoda formowania kształtki
Zachowanie kształtu
Inne
Inne
Czynniki niekontrolowane
Inne
Czas
Ciśnienie
Temperatura
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Schematycznie przedstawione zmiany
geometrii układu ziaren proszku podczas spiekania
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Procesy spiekania - podział
Spiekanie w fazie stałej
Spiekanie w fazie ciekłej
Spiekanie w fazie supersolidus
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Możliwe mechanizmy przenoszenia masy
podczas spiekania
Sposób przenoszenia masy Mechanizmy
Ruch pojedynczych atomów: Dyfuzja powierzchniowa,
dyfuzja po granicach ziarn,
- po swobodnych powierzchniach,
dyfuzja objętościowa
- po granicach ziarn,
- w objętości ziaren
Ruch całych ziaren Poślizg po granicach ziarn
Ruch dyslokacji Odkształcenie plastyczne
struktury ziaren
Ruch atomów i cząstek w fazie Dyfuzja i płynięcie
ciekłej lepkościowe w fazie ciekłej ;
rozpuszczanie i
krystalizacja
Ruch atomów i cząstek w fazie Przenoszenie masy przez
gazowej fazę gazową drogą
odparowania i kondensacji
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Możliwe
mechanizmy
przenoszenia masy
podczas spiekania
Odkształcenie plastyczne
przenoszenie
pojedynczych atomów
Poślizg po granicach ziaren
Dyfuzja powierzchniowa
Dyfuzja po granicach ziaren
przenoszenie
Dyfuzja objetościowa
całych ziaren
Dyfuzyjne pełzanie lepkościowe
Parowanie i kondensacja
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Spiekanie
z�Spiekanie odbywa się w zakresie
temperatur: 0.7~0.9 Tm.
z�Transformacja mechanicznie zespolonych
wyprasek w dużo wytrzymalsze zespolone
metalicznie spieki.
1/ 3
z�Występuje zjawisko skurczu:
r�green
ć� ��
�� ��
Skurcz -� liniowy =�
Vsintered r�green ��
r�sintered ��
Obj.skurcz =� =� Ł� ł�
Vgreen r�sintered
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Schemat zmian skurczu zbioru
Dyfuzja objętościowa
(zbliżanie się centrów ziaren)
ziaren w wyprasce podczas
spiekania  w funkcji temperatury
Dyfuzja powierzchniowa
Dyfuzja po granicach ziaren
(wzrost rozwinięcia
lub czasu (spiekanie izotermiczne)
(wzajemny poślizg ziaren
powierzchnikontaktów
po granicach)
między ziarnami)
CZAS, TEMPERATURA
Wielkość skurczu to jednoznaczne kryterium stopnia zagęszczenia spieku.
Dyfuzja powierzchniowa aktywowana w początkowym etapie spiekania powoduje
tylko niewielkie zmiany objętości układu ziaren. Zdecydowanie największy wpływ
na skurcz spieku posiada mechanizm dyfuzji po granicach ziarn, co powoduje
przegrupowanie całych ziarn a nie pojedynczych atomów. Około 70  75%
całkowitego skurczu jest powodem dyfuzji po granicach ziarn lub obciążenia
zewnętrznego powodującego przegrupowanie ziarn. W wysokich temperaturach
spiekania zmiany układu ziaren świadczą o przebiegu dyfuzji objętościowej.
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Procesy spiekania  Spiekanie w fazie stałej
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Schemat zmniejszania
się powierzchni
swobodnych cząstek
Podstawową siłą napędową podczas spiekania w fazie stałej jest nadwyżka energii
układu cząstek proszku w postaci energii powierzchniowej. Spiekany układ dążąc do
minimalizacji energii, zmierza do zmniejszenia obszaru swobodnych powierzchni
przez tworzenie szyjek, wygładzanie powierzchni, sferoidyzację i eliminacje porów.
Spiekanie w fazie stałej zachodzi w temperaturze 0,7��0,8 bezwzględnej
temperatury spiekanego materiału, w wyniku czego nie dochodzi nawet do
przejściowego tworzenia się fazy ciekłej a głównymi mechanizmami przepływu masy
są pełzanie, dyfuzja powierzchniowa, dyfuzja objętościowa, parowanie i
kondensacja.
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Zachowanie się układu cząstek podczas spiekania w fazie
stałej
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Schemat geometrii szyjki
Prężność par
Stężenie wakansów
W wyniku płynięcia lepkościowego materiał przemieszcza się z
cząstek do obszaru szyjki. Dzięki temu powiększa się płaszczyzna
styku i zbliżają się do siebie środki cząstek. Proces dyfuzji
powierzchniowej polega na przemieszczaniu się atomów po
powierzchniach ziarn od powierzchni wypukłych do powierzchni
wklęsłych, ponieważ stężenie atomów słabo związanych z siecią
krystaliczną metalu jest większe na powierzchni wypukłej niż
wklęsłej. Ruch ten jest wynikiem działania napięć powierzchniowych i
podczas spiekania jest bardzo intensywny.
x
r
a
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Zmiany wywoływane przez przenoszenie masy
drogą dyfuzji powierzchniowej
1
2
3
Zmiany profilu początkowo zakrzywionej powierzchni
w kolejnych stadiach (1,2,3) przenoszenia masy z
wypukłych do wklęsłych części powierzchni
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Zmiany wywoływane przez przenoszenie masy
drogą dyfuzji powierzchniowej
Zmiany w układzie dwu kulistych
ziaren, które początkowo stykają
się tylko punktowo. W skutek
przenoszenia masy z wypukłych do
wklęsłych wycinków powierzchni,
następuje wygładzenie profilu
powierzchni, czemu towarzyszy
obniżenie rozwinięcia powierzchni
układu dwu ziaren i tym samym
spadek entalpii swobodnej układu.
Dalszy spadek entalpii wynika z
wykształcenia się płaskich ścian,
równoległych do płaszczyzn
krystalograficznych o najniższej
energii powierzchniowej oraz w
skutek eliminacji granicy pomiędzy
ziarnami i ich koalescencja
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
! ! !
Efektem dyfuzji powierzchniowej jest powiększenie się
powierzchni styku bez zbliżania się środków cząstek
metalu i skurczu spieku. Wzrost ziarna jest powszechną
trudnością podczas spiekania, ponieważ powiększając się
zmniejsza wielkość pożądanego obszaru granicy ziarna
potrzebnego do spiekania. Dyfuzja powierzchniowa
dominuje przy niskiej temperaturze spiekania, z tego
powodu powolne podgrzewanie obniża siłę napędową
spiekania bez zagęszczania wypraski.
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Mechanizm dyfuzji powierzchniowej
Model powierzchni krystalitów
a) Zbudowany z atomów
przedstawionych jako małe
sześciany tworzące sześć
wiązań z sąsiadami
b) Mechanizm
rozprzestrzeniającego się
dywanu zachodzący w
skutek dyfuzji
powierzchniowej
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Zmiany wywoływane przez przenoszenie masy
drogą dyfuzji powierzchniowej
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Zmiany wywoływane przez przenoszenie masy
drogą dyfuzji powierzchniowej w zbiorze
gęsto ułożonych ziarn
Rozwinięte kontakty fazowe  czarne obszary Puste pory
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Kolejne stadia przegrupowania ziaren wskutek wzajemnego ich poślizgu
po granicach.
Naprężenie
Naprężenie
Poślizgowi musi towarzyszyć przynajmniej przejściowo-dyfuzyjne
przystosowanie się kształtu ziaren.
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Dyfuzyjne pełzanie lepkościowe.
-� �s�
+� �s�
Kierunek ruchu atomów
Kierunek ruchu wakancji
Kształt ziarna wcześniejszy
Kształt ziarna póz
niejszy
-� �s�
+� �s�
Wskutek lokalnego występowania różnego rodzaju naprężeń i tym samym
różnych stężeń wakancji i atomów na różnych granicach ziarna występuje
ukierunkowane znoszenie dyfundujących wakancji oraz atomów i kierunkach
przeciwnych. Efektem są zmiany kształtu ziarna. Schemat dotyczy dyfuzji
objętościowej, która zachodzi w wysokich temperaturach. Niemniej dla dyfuzji
po granicach ziaren występują identyczne mechanizmy przenoszenia masy.
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
A
A
B
A
Wypraska może również ulegać pęcznieniu w wyniku działania rozprężającego
gazów, utleniania spieku lub dyfuzji. Pęcznienie w wyniku dyfuzji jest możliwe w
układach składników A i B, przy czym dyfuzja składnika B do A jest wielokrotnie
większa niż A do B oraz cząstki składnika A stykają się ze sobą, natomiast
cząstki składnika B znajdują się w porach pomiędzy ziarnami A. Następuje
wtedy wdyfundowanie B do A, powiększenie objętości składnika A i tym samym
powiększenie objętości całej kształtki.
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Model zachowania się zbioru ziarn podczas
spiekania w fazie ciekłej
Por
Faza stała
Ciecz
Dwa podstawowe mechanizmy
1 Przegrupowanie ziarn do bardziej gęstego ułożenia. Siły kapilarne dążą do
zmniejszenia objętości poru, co powoduje że  przyczepione do powierzchni
poru ziarna przemieszczają się w kierunku środka krzywizny (ziarna
przyczepione do części poru o mniejszym promieniu przemieszczają się
bardziej)
2 Częściowe rozpuszczanie ziarn w cieczy (ziarna małe i części większych
ziarn o małym promieniu krzywizny ulegają uprzywilejowanemu rozpuszczaniu
w fazie ciekłej) W wyniku tego w spieku wzrasta udział większych ziarn o
obłym kształcie
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Q
Q
Q
Q
Faza ciekła zwilżająca cząstki
Faza ciekła nie zwilżająca cząstek
Dla j� < 90o, faza ciekła zwilża fazę stałą, natomiast
dla j� > 90o zjawisko zwilżania nie występuje
Spiekanie z udziałem fazy ciekłej dotyczy układów wieloskładnikowych i przebiega
najczęściej w temperaturze wyższej od temperatury topnienia najniżej topliwego
składnika. Obecność fazy ciekłej aktywizuje proces spiekania dzięki procesom
rozpuszczania zwiększającym ruchliwość atomów. Wpływ ten zależy w znacznym
stopniu od zwilżalności fazy stałej przez fazę ciekłą określany skrajnym (j�) i
dwuściennym (Y�) kątem zwilżania.
o
j�
-
0
8
1
j�
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Model powstawania sił kapilarnych na
granicach rozdziału o bardzo małym
promieniu krzywizny
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
A)
Y�=� �120o
Stan równowagowy
LK=6
Por
Y�
B) C)
Por
Y�
Y�
g� g� cos
ss = sg
2
g� - energia powierzchniowa granic rozdziału ziarno - por
sg
g� - energia granic ziaren
ss
Granica
ziaren
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
B
A
C
Por
Y�
W przypadku domeny (por otaczające go ziarna) A, por otoczony jest przez trzy ziarna
stąd dwuwymiarowa liczba koordynacyjna LK = 3. Dla rys. B i C LK wynosi
odpowiednio 6 i 9. Spadek liczby koordynacyjnej poru LK poniżej pewnej wartości
krytycznej LKc sprzyja samorzutnemu zmniejszeniu rozmiarów porów aż do ich
eliminacji.
Różnica szybkości zagęszczenia i eliminacji porów wewnątrz aglomeratów i pomiędzy
aglomeratami oraz wywołanie tym pękanie styków ziaren utrudnia samorzutne
zagęszczanie proszku podczas ogrzewania go.
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Q
Q
Q
Q
Faza ciekła zwilżająca cząstki
Faza ciekła nie zwilżająca cząstek
Dla j� < 90o, faza ciekła zwilża fazę stałą, natomiast
dla j� > 90o zjawisko zwilżania nie występuje
Spiekanie z udziałem fazy ciekłej dotyczy układów wieloskładnikowych i przebiega
najczęściej w temperaturze wyższej od temperatury topnienia najniżej topliwego
składnika. Obecność fazy ciekłej aktywizuje proces spiekania dzięki procesom
rozpuszczania zwiększającym ruchliwość atomów. Wpływ ten zależy w znacznym
stopniu od zwilżalności fazy stałej przez fazę ciekłą określany skrajnym (j�) i
dwuściennym (Y�) kątem zwilżania.
o
j�
-
0
8
1
j�
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Pory Tworzenie się W metodzie PIM występuje duża
szkieletu
kurczliwość materiału, czyli zmiana
wymiaru wypraski D�L w stosunku do
Cząstka
początkowego L0. Gęstość i kurczliwość
Rozpad cząstek
są wzajemnie powiązane. Metoda ta
Ciecz
zakłada równokierunkową kurczliwość
podczas spiekania, kiedy to wypraska
Przegrupowanie
ulega zagęszczaniu od początkowej
cząstek
częściowej gęstości r�G (po
depolimeryzacji) do gęstości spiekania
r�S
Rozrost ziarn
r�G
r�S =�
3
ć� ��
D�L
(Chłodzenie)
��
��1-� L0 ��
��
Ł� ł�
Węglik
Wydzielanie się
Mechanizm spiekania
węglików
w fazie supersolidus
Rys. 18. Mechanizm spiekania w fazie
supersolidus [Błąd! Nie można odnalez
ć
z
ródła odsyłacza.]
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Przykłady spieków porowatych (wg J. Lis, R. Pampuch)
a) b)
a) Korundowa cegła otrzymana drogą spiekania tlenku glinu z dodatkiem
wypalających się trocin  produkt ZMO Wrocław - Oleśnica.
b) Porowaty element ceramiczny stosowany jako filtr w procesie COS,
otrzymany drogą nasycania zawiesiną proszku gąbki polimerowej i
wypalania  produkt Instytutu Odlewnictwa w Krakowie
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
SPS - Spark Plasma Sintering
PPS  Pulse Plasma Sintering
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Struktura spiekanych materiałów ceramicznych
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Obróbka spieków
1. Obróbka mechaniczna spieków
" Kalibrowanie
" Obróbka skrawaniem spieków
2. Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna
3. Nasycanie spieków
4. Obróbka powierzchniowa spieków
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
P/M w produkcji masowej
" Małe straty materiału,
2
" Krótki czas przyuczania obsługi,
" Jednorodność maszyn i ich mała ilość,
" Niskie nakłady na oprzyrządowanie produkcji
1
Porównanie składników kosztów jednostkowego wytwarzania dla części:
1  wykonanej z odkuwki, 2  z proszków
MATERIAA
Y CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE
Zalety i wady P/M ???
" Teoretycznie nieograniczony wybór stopów, możliwość uzyskania
materiałów o szczególnych właściwościach.
" Wytwarzanie trudno topliwych stopów.
" Wytwarzanie materiałów porowatych na łożyska samosmarujące.
" Ekonomiczny proces przy produkcji masowej.
" Długi czas wygrzewania wpływa na wymiary i kształt wyprasek.
" Zredukowanie strat materiałów.
" Ograniczony rozmiar spieków i kształt.
" Wysoki koszt wytworzenia proszku.
" Wysoki koszt narzędzi.
" Mniejsza wytrzymałość produktów, niż tych wytworzonych w
konwencjonalnych metodach.