Что такое жидкофазное спекание?
Многие системы спекания генерируют жидкую фазу в процессе спекания. Обычно добавленные элементы или соединения не вступают в реакцию с матрицей и не растворяются в ней и могут даже стать жидкими во время спекания. Они не смачивают материал матрицы, например, свинец в бронзе или MnS в нержавеющей стали. Эта жидкая фаза не способствует процессу спекания и не влияет на него; вместо этого он существует в матрице в виде капель, и вся система спекается посредством диффузии в твердом - состоянии.
Кроме того, когда существует жидкая фаза с ограниченной реакцией на матрицу, которая смачивает материал матрицы, избыточное образование этой жидкой фазы может привести к локализованному разрушению каркаса, поскольку скорость диффузии атомов жидкой фазы намного выше, чем скорость диффузии атомов в твердой фазе. Таким образом, контроль содержания жидкой фазы полезен для процесса спекания, поскольку более высокая скорость массопереноса приводит к быстрому уплотнению деталей. Жидкая фаза может существовать в двух формах: одна - когда жидкая фаза присутствует на протяжении всего периода спекания, что называется непрерывной жидкой фазой; другой - когда жидкая фаза затвердевает во время выдержки спекания, что называется переходной жидкой фазой.
Непрерывное жидкофазное спекание делится на два типа: первый тип включает нагрев смешанного порошка до образования жидкости. Типичным примером являются тяжелые сплавы, такие как сплавы W-Fe-Ni, которые нагревают с образованием жидкого Fe-Ni, где W имеет ограниченную растворимость; или сплавы WC-Co, где Co растворяет некоторое количество WC с образованием эвтектики, но WC растворяет лишь очень небольшое количество Co. На рис. 7.9 показана микрофотография сплава 90W-7Ni-3Fe, на которой видны сферические вольфрамовые зерна в матрице сплава Ni-Fe-W. При спекании Fe-Ni плавится в жидкую фазу и растворяет вольфрам, что приводит к сфероидизации частиц вольфрама. Избыток вольфрама, превышающий предел его растворимости, выпадает в осадок в жидкости, что является типичным примером растворения-переосаждения при жидкофазном спекании.
(Наличие круглых зерен вольфрама в матрице сплава Ni-Fe-W является типичным примером растворения-переосаждения при фазовом спекании.)
Второй тип — это сверхтвердое-линейное жидкофазное спекание (SLPS). Когда предварительно-сплавленный порошок нагревается выше линии солидуса, границы зерен на поверхности и внутри частиц плавятся, образуя небольшое количество жидкой фазы, что приводит к спеканию в жидкой фазе сверхтвердой-линии. Образование этой жидкой фазы способствует быстрому уплотнению. Типичным примером использования СЛПС является инструментальная сталь типа М2. На рис. 7.10 показана типичная спеченная микроструктура инструментальной стали типа М2. На рисунке показаны мелкие частицы карбидной фазы в матрице и большее количество карбидной фазы вдоль определенных границ зерен.
(Внутри зерен имеется небольшое количество карбидной фазы и большое количество карбидной фазы на границах некоторых зерен.)
Существует два типа спекания в переходной жидкой фазе: первый — это реакционное спекание, которое происходит, когда элементы A и элемент B образуют соединение, выделяя тепло и образуя соединение AB. NiAl является таким примером. Второй — когда переходная жидкая фаза исчезает вследствие диффузии определенного элемента с образованием твердого раствора. Например, углерод образует эвтектику с железом и хромом. Когда углерод диффундирует в матрицу, он образует твердый раствор, а жидкая фаза затвердевает.