Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока - Райченко А.И.

Автор: Райченко А.И.

Теги: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления металлургия порошковая металлургия

Год: 1987

Похожие

Современные проблемы порошковой металлургии

Термокинетические и изотермические диаграммы порошковых сталей. Справочник

Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Том 2

Керметы

Текст

А.и РАЙЧЕНКО ОСНОВЫ

ПРОЦЕССА
СПЕКАНИЯ
ПОРОШКОВ

ПРОПУСКАНИЕМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ТОКА
ДИ.РАЙЧЕНКО <Г*йГ*М

V v!) 3

МОСКВА
"МЕТАЛЛУРГИЯ
1987
УДК.-621.762.4 07:669.018.95Л

Рецензент: канд. техн.наук ГАЛибенсон

УДК: 621.762.4.07:669.018.95.5

Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока. Р а
ч е н к о АЛ. М.: Металлургия, 1987. 128 с.

В монографии изложены данные о явлениях на контактах между частицами н»
пропускании через порошок электрического* тока. Развито теоретическое описав?
массопереноса и поведения жидкометалличёских прослоек. Изложены закономем
сти уплотнения порошковых прессовок, сплавообразования в них, кинетики из
нения физико-механических свойств при спекании электрическим током. Да™,
рактеристика технологии электроспекания ряда конкретных материалов. Привел?
ны сведения о технологическом оборудовании для электроспекания (установки в?
зового и непрерывного действия, матрицы, электроды-пуансоны). Изложены кпш?
рии создания материалов для пресс-инструмента. ' - *

Для научных и инженерно-технических работников в областях порошковой,
волокиовой металлургии, материаловедения, электротехнологии, а также для ас®
рантов и студентов вузов соответствующих специальностей. Ил. 46. Табл. 8. Биб®
огр. список: 187 назв.

Научное издание

Александр Иванович Райченко

ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СПЕКАНИЯ
ПОРОШКОВ ПРОПУСКАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Редактор издательства В. П. Молокова

Художественный редактор А. А. Якубенко
Технический редактор Е. К. Астафьева
Корректор Л. М. Зинченко

Обложка художника В. Б. Гордона

ИБ № 3060

Подписано в печать 22.05.87 Т-13207 Формат бумаги 60X90*/,.

Бумага офсетная № 2 Печать офсетная Усл.печ.л. 8,0 Усл.кр.-отт. 8,25
Уч.-изд.л. 8,98 Тираж 2040 экз. Заказ!81 ОЦена 1 р. 40 к. Изд. №1323

Набрано в издательстве "Металлургия"
на НПТ оператором Г. Н. Петровой

Ордена Трудового Красного Знамени
издательство ’’Металлургия”, 119857, ГСП, Москва, Г-34,
2-й Обыденский пер., д. 14

Московская типография № 9 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
109033, г. Москва, Волочаевская ул., д. 40.

р_ 2604000000 - 195

040(01) -87 ~125-87

©Издательство ’’Металлургия”, 1987
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . ............................. 4

Глава 1. Элементарные процессы спекания ....... б

1. Общие понятия ......................... б

2. Одноименный контакт. Однокомпонентные либо го-
могенные системы . . . . * . . ...i' , . . . . 7

3. Разноименный контакт. Поликомпонентные негомо-
генные системы ........................ -.22

Глава 2. Электрическое спекание порошков ....... 33

'1. Основные виды обработки ......... , » , . . . 33

2. Процессы, близкие и сопутствующие электроспе-
канию ...... 59

3. Материалы, изготавливаемые электрическим спекаг
нием.............. , • » ....... *......., , 4.. . . 67

Глава 3. Оборудование для электрического спекания
порошков 97

1. Установки .............................. * 97

2. Пресс-инструмент. /. .............. .. . • > » » Юб

Библиографический список • -« 123
ПРЕДИСЛОВИЕ

В Основных направлениях экономического и социального развития
СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года предусмотрено повсе-
местное внедрение в производство ресурсосберегающих видов техники
и технологии, в том числе увеличение производства металлических по-
рошков. Немалую роль в повышении качества изделий из порошков и
улучшении экономических показателей в этой области науки и техники
может сыграть пополнение технологического арсенала обработки порош-
ков методом спекания пропусканием электрического тока. Хотя элек-
троспекание имеет общие черты с обычным и активированным спекали-
ем, горячим прессованием, а на уровне элементарного акта с .микро,
электросваркой, все же этот вид обработки имеет немало особенностей
выделяющих его в самостоятельное научно-техническое направление по-
рошковой металлургии.

Воздействие электрического тока на металлические порошки и другие
дисперсные материалы порождает ряд интересных явлении. На контакт-
ных участках между соседними частицами под влиянием тока происхо-
дит интенсивный массоперенос в твердой фазе. Кроме того, часть метал-
ла может расплавиться и испариться, что сопровождается, как правило,
еще более интенсивным массопереносом. В результате в однокомпонент-
ных порошковых прессовках идет процесс быстрого спекания. Для поли-
компонентных порошковых систем характерно интенсивное сплавообра-
эование (’’диффузионное спекание”) или возникновение новых фаз, не
входящих в исходную композицию (’’реакционное спекание”). Специ-
фические явления происходят при обработке электрическим током сис-
темы металлический порошок — пористая среда.

В зависимости от параметров процесса (давление, сила постоянного и
переменного токов, продолжительность обработки) ход спекания может
осуществляться по-разному. В связи с этим изменяются в широких пре-
делах структура и свойства материалов.

С помощью электроспекания порошков удается получать немало ма-
териалов, имеющих те или иные преимущества перед аналогичными по-
рошковыми материалами, изготовленными без пропускания электриче-
ского тока. Примерами могут служить материалы для алмазных инстру-
ментов, конструкционного и антифрикционного назначения из сплавов
н^ основе алюминия и алюминиевой бронзы, детали из бериллия, титана
и титановых сплавов, композиции типа металл — волокно и ряд других-
Электрическое спекание позволяет в большинстве случаев отказатьс
от защитных газовых сред (или вакуума), оно поддается механизации
и автоматизации. Несомненным преимуществом процесса является сов
мещение в одной операции формования и спекания. .

Перечисленными примерами не исчерпывается все многообразие
пений, происходящих в порошках, через которые идет электричес
ток. Многие из них не изучены еще достаточно полно. Хотя метод эле
троспекания металлических порошков уже нашел практическое прим
4
пение, задача уточнения механизма лежащих в основе этого метода яв-
лений остается весьма актуальной. Выяснение природы и построение
теории этих явлений позволит разработать рациональную технологию
производства практически важных материалов.

Основная мабса исследований в области спекания порошков электри-
ческим током относится к последним 20 годам. Этот вопрос рассмотрен
в ряде публикаций, напечатанных в журналах и сборниках, есть также
весьма обширная патентная литература. Однако книг по, спеканию по-
рошков и волокон электрическим током до сих пор нет.

Хотя обширной экономической информации по электроспеканию по-
рошков нет, однако опыт Института проблем w материаловедения
АН УССР и других научных и производственных учреждений нашей стра-
ны и за рубежом по внедрению этой технологии свидетельствует о ее
технико-экономической эффективности. Важно отметить, что оборудо-
вание для электрического спекания порошковых материалов занимает
меньшие производственные площади, чем традиционное. Применение
этого метода часто позволяет уменьшить энергозатраты, в результате
чего может быть получен значительный экономический эффект. Перс-
пективность этого технологического направления для дальнейшего раз-
вития порошковой и волокновой металлургии несомненна,

В предлагаемой книге обобщены результаты исследований автора и
его сотрудников, других советских, а также зарубежных ученых, опуб-
ликованные во многих журналах, книгах, патентах.

Автор надеется, что книга будет полезна для углубления понимания
физических основ процесса электроспекания и будет содействовать ши-
рокому внедрению его в производство.

Автор будет признателен всем читателям, которые пришлют свои за-
мечания по содержанию и оформлению книги.
Глава 1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ СПЕКАНИЯ

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Частицы порошка даже без сжимающего усилия часто склонны сое.
диняться и образовывать агрегаты вследствие склеивающего действия
осевшей на поверхности частиц влаги, молекулярного притяжения, ме-
ханического зацепления и других причин. Наличие статического элек.
тричества в соприкасающихся проводящих частицах приводит к возник-
новению механического взаимодействия - [ 1, с. 87]. Однако такого ро.
да эффекты вряд ли приводят к существенному изменению состояния
коллектива частиц, т.е. порошка.

Наложение внешнего переменного электрического поля на порошок
в состоянии свободной насыпки способно привести к разрушению агре-
гатов частиц. Более того, как показали исследования БРЛазаренко, при
определенных условиях возникают электроэрозионные явления, способ-
ствующие измельчению сплошных частиц. На этом основан, в частности,
метод изготовления тонких лорошков, предусматривающий приложе-
ние ударного электрического напряжения к крупнодисперсному порош-
ку1.

Рост напряженности электрического поля в определенном интервале
ее значений приводит к увеличению числа разрушенных агрегатов [2].
Однако с дальнейшим повышением электрической напряженности ин-
тенсивность разрушения агрегатов снижается. С увеличением длительно-
сти обработки сначала происходит нарастание процесса разрушения, за-
тем изменения в дисперсном составе прекращаются. На вторичные час-
тицы порошка (т.е. частицы-агрегаты) в переменном электрическом по-
ле, видимо, действуют силы как электрического, так и механического
происхождения; последние возникают, например, при ударе вторичных
частиц о поверхность электродов и при их соударениях между собой. Эти
явления наблюдались, в частности, при изучении поведения частиц алю-
миния и оксида алюминия [ 2].

Однако при наложении разности потенциалов происходит не только
слипание частиц в агрегаты или дезинтеграция таких агрегатов. Пропус-
кание тока через Порошок может вызвать, радикальные превращения
на межчастичных контактах. В зависимости от контактного сопротив-
ления, массы прилегающего металла, его теплоемкости и теплопровод-
ности, а также силы проходящего через данный контакт тока, прикон-
тактный металл может остаться в твердом состоянии либо частично рас-
плавиться. Возможен даже переход части металла в газовую фазу^или
превращение его в плазму. Но и при проведении процесса в твердой фа-
зе, кроме обычных для традиционного спекания или горячего прессова-
ния явлений, в приконтактных участках имеют место явления, харак-

1 Пат. 20095 (Япония), 1973.
терные именно для прохождения электрического тока. В условиях кон-
тактирования порошковых частиц возникают градиенты удельного со-
противления у поверхности раздела частиц, и при прохождении элек-
трического тока возникают также температурные градиенты и местные
тепловые потоки, связанные с эффектом Пельтье (о влиянии этого эф-
фекта на поведение межчастичных жидкометаллических перемычек
см. в разделе 2).

Можно считать, что электрические поля и местные температурные
градиенты вызывают массоперенос. Таким образом, наряду с известны-
ми движущими силами уплотнения, характерными для обычного спека-
ния и горячего прессования (градиенты концентрации элементов или
вакансий, силы поверхностного натяжения, механическое давление),
действуют электромеханические силы и проявляются эффекты, порож-
даемые током.

Следует предположить, что электроперенос в порошковых объектах
во многом подобен электропереносу в тонких металлических пленках.
Это связано с существованием развитой, поверхности "в порошковых
прессовках, а состав и физико-химические^ свойства поверхностных
слоев частиц зачастую существенно отличаются от состава и свойств
металла в глубине частиц. Поэтому спекание электрическим током осо-
бенно эффективно в первой стадии, когда удельная поверхность порош-
ковой массы относительно велика и сопротивление поверхностей раз-
дела порождает высокие температурные градиенты {3]. Все это способ-
ствует уплотнению порошков под влиянием электрического тока, осо-
бенно если с самого начала механическое давление невелико (подроб-
нее об этом см. в разделе 3)

2. ОДНОИМЕННЫЙ КОНТАКТ.

ОДНОКОМПОНЕНТНЫЕ ЛИБО ГОМОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Твердофазное спекание

Рассмотрим протекание электрического тока через контакт, образуе-
мый металлическими составляющими пары., В этом случае вследствие
повышения плотности тока имеет место локальный разогрев металла,
примыкающего к контакту — так называемый эффект сопротивления
стягивания (4, с. 16, 993]. Сопротивление стягивания, Ом, для упро-
щенной модели (контактный элемент — сфера) выражается формулой
К с. 17]*/ Я = р/(ттг s), где р — удельное сопротивление материала
контактов, Ом-см; г g — радиус сферы, см.

Благодаря нагреву при пропускании электрического тока и эффек-
ту сопротивления стягивания температура контактной поверхности
оудет выше по сравнению с температурой тела контактов, и сопротив-
ление стягивания возрастает немного меньше, чем в (1 + /ЗД7) раз,

в работе [4] приведены формулы и для других геометрий контактов.
где 0-температурный коэффициент сопротивления материала КОй
такта, К"1; ДГ — превышение температуры контактной поверхность
над температурой всего тела контакта, К (4, с, 17, 83]. Как и в случай
электросварки стержней встык, на величину контактного сопротив.
ления влияют усилие сжатия, форма и размер первоначальной площа,
ди касания.

Рассмотрим к каким геометрическим изменениям частиц в пвутаясти^.,
модели приводит пропускание электрического тока при пренебрежимо малом
внешнем давлении. Если учитывать лишь массоперенос путем граничной диффу.
зии атомов, то для изменения среднего объема образца в расчете на одну част»
цу V, см*, справедливо уравнение [ 61

<1Г кЕ’ кт

- —= 2DS — —as (т) , (1)

* 7 ср

где т — время, с; Ds - коэффициент граничной диффузии, см*/с; к, X и Е ~
локальные значения электропроводности, См/см, теплопроводности, Вт/ (см*К),
и электрического поля, В/см, соответственно; кт >* термодиффузионное отно-
шение; Тер — средняя температура, К; а линейный размер атома, см; s (т) -
площадь контакта, см*.

Стоящее в правой части уравнения (1) произведение as (г) представляет
собой объем моноатомной контактной прослойки между соприкасающимися
частицами. Если частицы, первоначально имевшие сферическую форму с радиу-
сом г о, контактируют по круговым площадкам С радиусом, намного меньшим
г 0, то для объема, приходящегося на одну частицу, получаем уравнение

У(т) = 8г* - (22/я)г0® (0)е^т , (2)

где s (0) - площадь контакта в исходном состоянии, см*;

Fa к Е*кт /(11г0ХТдр).

(Иа - объем атома.)

Из формулы (2) после ряда преобразований получается следующее выраже-
ние, описывающее кинетику усадки [ 6 J:

»(,> = Г.<°> - (,* р)

Г(0) 4w‘

При электроспекании под давлением обычные представления о диф'
фузии не всегда могут быть использованы для объяснения экспери-
ментально наблюдаемого быстрого увеличения площади контакта. Ово
может быть объяснено на основе дислокационных представлений. Сог
ласно результатам работы [ 7], зона контакта при определенных У0110®
ях служит источником дислокационных петель, уносящих из этой зо
вещество. При пропускании электрического тока процесс
движения дислокационных петель, видимо, существенно интенсиф
руется в связи с тем, что температурный градиент, возникающий в з
8
итакТа обусловливает значительный градиент напряжений1. Направ-
поток электронов, рассеивающихся на дислокациях, должен
пеН?щать их перемещение. Электронное увеличение дислокаций было

сужено Ю.И.Бойко’, Я.Е.Гегузиным и Ю.И.Клинчуком на образцах,
°° тавленных из Двух плоскопараллельных пластинок меди, между
^топыми располагался монокристальный > шарик меди радиуса 2Х

см [ Ю]. Начальный радиус контактного круга ~ 5- 10~4 см,
* отность постоянного электрического тока 107 А/см2. Под влиянием
Нажимающих усилий в зоне контакта возникает пластическая деформа-
ция, при которой рождаются межузельные дислокационные петли,
движущиеся в противоположных направлениях от контактов а и b в
глубь сферы (рис. 1). Это’ должно приводить к увеличению площади
контактов сфера — плоскость. Направленный поток электронов в области
контакта а способствует движению дислокаций и ускоряет развитие кон-
тактной площади, а в области контакта Ъ препятствует их движению и
поэтому тормозит процесс роста площади этого контакта. Эксперимен-
тально обнаруженное различие в размерах обоих контактов сферы с

г-г0,мм

Ы. ). га.™,=еку» -М— •*"-

*» - W. к»™™,1 - «ж тавгп (Я,

Зшясимоеть равиуса формирующегося * = 03 мм)

вольфрама (3) от силы пропускаемого тока v s

лько неоднородным тем-
* Механические напряжения моГ?^Л^^асилаМИ (об ^У^ЦЦ^жидкой Ф»-
«Ряуриым полем, но и эпекгроМ^^3^4 с. 60], при обр^®. играют сушест-
чвс»'ого контакта см., например, в книге ’,ктро!1Аагнитные силы игр
зы в районе контакта индуктивность и ««.которым от-

веииуи роль, см. ниже). -««песком1 разряде или подвергаю-

время выделения энергии jq® элекгр кания в твердых тел » ? удар-

стаааиием от временного интервала^Д^^озможно возникновение
чихся указанному электрическому воздеи _____,„ecKOe течение [81
4101 волн, их диссипация, движение изломов, пл
плоскостями свидетельствует о существовании эффекта увлечения
дислокаций ’’электронным ветром”. На возможность подобного диф.
ференциального эффекта ранее указал В.Я.Кравченко. Если считать, что
вещество из приконтактной области уносится дислокационными петля,
ми, то анализ такого массопереноса приводит К выражению для радиуса
формирующегося контакта:

г «Г
к 1

V4G(i + д)
irl _
а кр

(4)

где у — безразмерный коэффициент, учитывающий число действующих
плоскостей легкого скольжения; - радиус .частицы, см; G - модуль
упругого сдвига, Па; д— коэффициент Пуассона; 1а— расстояние от

центра контакта до участков максимальных сдвиговых напряжений, см;
о — критическое сдвиговое напряжение, приводящее к пластическому
течению, Па; N — количество дислокаций; а - .коэффициент теплового
расширения, К”1; Р — мощность источника тепла, Вт; X — коэффициент
теплопроводности, Вт/ (см-К).

Используя выражение мощности источника Р ?рц / 2г0,где У - си-

ла тока, А; рц — удельное электрическое сопротивление вещества части-
цы, Ом-см; Го — радиус исходного контакта^см, получим следующую
зависимость для радиуса контакта [ 7]:

(1 * ц)гч
4,г/аакр1пЛГ

]1/2

арЧ j2

Г о*.

(5)

Экспериментальная зависимость радиуса контактного круга от силы
тока г к - г 0 =/(Z2) (рис. 2), а также зависимость г к - г 0 (г ч) хо-
рошо описываются расчетными соотношениями, в частности, квадратич-
ной зависимостью г от I и корневой зависимостью от г ' [ см. формулу
(5) ]. Результаты экспериментальных исследований на образцах, состоя-
щих из двух плоскопараллельных пластинок со сферическим монокрис-
таллом между ними (материалы: медь,вольфрам,висмут),свидетельст-
вуют о действии при электроспекании механизма, основанного на массо-
переносе пу^ем электронного увлечения дислокаций [ 7].

Под влиянием нагрева, вызываемого электрическим током, металл
контактов, находящийся в наклепанном состоянии, размягчается, чтр
особенно заметно при достижении в месте контакта температуры ре*
кристаллизации [4, с. 95]. В этом случае наряду с рассматривавшими-
ся выше механизмами граничной диффузии и электронного увлечения
дислокаций играют роль вязкое и пластическое течение [177], объем-
ная и поверхностная диффузия, перенос вещества через газовую фазу»

*5* Тб транспорта вещества, которые имеют место и при обычной
термообработке (спекании) [ 11, с. 36].

вочт^-1^1еКТР°СПекании Иногда час™цы удаляются одна от другой. В
вении отталкивающих сил между контактирующими частила*
преобладающую роль играет тепловое, расширение нагреваемого
металла в объеме частиц, причем вероятно истечение металла в поры.
Подобное явление наблюдалось в элементарных контактах при стыко-
вой электросварке [ 12].

Если не учитывать роли электрического тока в увлечении дислока-
ций, то, его влияние сводится лишь к нагреву металла, а возникновение
и формирование физического контакта определяется термически акти-
вируемыми процессами [ 13, с. 38; 14].

Одним из видов одноименного контакта является пара из одинако-
вых однородных сплавов. При пропускании переменного электрическо-
го тока, не имеющего постоянной компоненты, возможно протекание
процессов диффузионной сегрегации [ Г Г, с. 118]. В случае спеканйя
постоянным током или переменным током, имеющим постоянную
компоненту, на чисто диффузионную сегрегацию наложится ’’электри-
ческая” сегрегация, вызываемая дрейфом Донов под действием элек-
трического поля и тока носителей электричества [ 15].

Если спекаются не порошки, а волокна, то типичный элементарный
контакт напоминает контакт между перекрещивающимися стержнями,
и тепловые эффекты будут аналогичны эффектам, наблюдающимся
при электросварке стержней.

Поскольку поверхность металла, как правило, покрыта какой-либо слабопро-
водящей или изоляционной пленкой1 (о влиянии оксидных пленок подробнее

в - и^язь явнжушрй силы спекания е градиентом температуры:

кияг акР°ск°ф<ческий градиент VT во всем объеме образца; б микроскопичео-
градиент VTb группе спрессованных или спекающихся частиц; в — микро-

Чес ви.Ческий градиент VT в окрестностях изолированных пор (Е — макроскопи-
элекп, ”аПряженнос’ь электрического поля; Jei, - локальные плотности
*ского тока в районе пор с радиусами г , иг,; Г । > г j )

вуиэ Час™ оксидные или гидроксидные пленки имеют полупроводнико-
“апримеР> образующийся на поверхности медных частиц оксид
полупроводник р^гипа.
контактную поверхность иногда расценивают,

» оазделе 3), проводящую контаютцто ‘^йся благодаря туннельное
SiSSSUxy»: через Д^Хйно мал. Вообще в теор^

эффекту (4, с. 16, следующие поверхностные пленю,,

электрического контакта принято раздач адгезионные пленки, пассив*

потускнения (оксидные или сульфидаые), 37. 109; 118. 1301Л

руюшие пленки, граничные контакт, возникающий либо вслед,

^чет преимущественно через механизму фритшнга (Электр*

ствие разрыва связанные с прохождением тока при нал*

ческий пробой) (4, с. 1У)- „„ппобнее рассмотрены в гл. 2^
чин на частицах оксидных пл ено , процессЫ массопереноса также в зна-

В районе изолированной д[ р м электрического тока. Вслед,

чительной степени опреде’ _ к в районе пор должно проис.

(рис-?)• Макроскопическое
оаотоеделот температуры (т.е. ход усредненной температуры) харак.
?епюуе“даорОдностью почти по всему образцу и ее падением у гр»
^ образца (рис. 3, а). Возникающие вблизи пор градиенты температу-
рт зависят от геометрии пор, плотности тока и пространственно-вре-
менных особенностей распространейия тепла [ 17] •

При обычном спекании главнай движущая сила усадки - поверхност-
ное натяжение. В случае электроспекания в результате неоднородного
температурного поля возникает неоднородность распределения вакан-
сий, что вызывает массоперенос;' кроме того, определенный вклад в
массоперенос вносит термодиффузия. Вклады поверхностного натяже-
ния и сил, вызываемых злектронагревом, в массоперенос и, следователь-
но, в изменение размеров пор зависят от величины пор. Возле крупной
поры плотность тока, градиент температуры, поток вакансий и массопе-
ренос, вызываемые электронагревом, больше, чем возле мелкой поры.

Для диффузии вакансий и. массопереноса, где первичной причиной яв-
ляется поверхностное натяжение, картина обратная. Отсюда следует,
что при электроспекании уменьшение больших пор идет ускоренными
темпами, ажно отметить также, что большие поры не растут за счет мэ-

ПрИ ° Ь1ЧНОМ спекании, и сокращение размеров и количества
вает в ме^,п^йТЗИТСЯ' Общее же ’’пело пор при электроспекании убы-
кономерности измм^™’ЧСМ П₽И обычном спекании. Количественные за-
через проводящую среду токаТ СферИческой ПОРЫ ПРИ пропускании
Давления) теооетиче^У Т° а /в отсу1ствие внешнего механического
койf 18,19, с. 128] В-Шедёны Ю-В-КоРнюшиным и С.В.Венглино-
НО нестационарвд^у^нею^0^ Л’В’Крупновой1179] было предложи
норой с учетом температурной ПИСЫВаЮ1«ее электронагрев образца с
гласно этой теоретической1 к.а ависимости проводимости металла. Со-
сферической порой нагпевдртгДСЛИ’ °.бРазец бесконечных размеров со
импульсов считаются крутыми СерИеИ Импульсов тока, причем фронты
лектрическое поле и ток ня к» ТаК ЧТ° во время Действия импульса
12 “ ^“«ечности постоянны. Распределение
тока вблизи непроводящей сферьк оказывается неоднородным, поэто-
му и распределение температуры вблизи поры также неоднородно. Из-за
температурной зависимости проводимости она также оказывается зави-
сящей от координаты. Учитывая зависимость проводимости от темпера-
туры и пренебрегая теплопроводностью (что возможно в условиях ко-
ротких импульсов) , получаем уравнение для изменения температуры
образца во время действия и-ного импульса:

см дт «-1

где — теплоемкость металла;Тл _[И ап — температура и проводи-
мость образца соответственно к началу действия и-ного импульса к[ол ==
= Оо 1 Oq температура и проводимость образца к началу

действия 1-го импульса); Е (г*) определяется по формуле

Е(^) = Ео +72(Л/г) 3 {Ео -Г(Е07Г) и ) /

в которой Е=Е(°°, r),R— радиус поры,"/ — радиальная координата,
п=’г’/г, ~г — радиус-вектор, выходящий из центра сферической поры.

Решение уравнения теплопроводности дает распределение температу-
ры в образце:

, Г! 4.9 а°Г» ЕЧГ )(Т~Г«7 р/1

П-1Л1*2 Г-------Т*-------1 ' *

СИ 7п-1

где т„ - время начала действия и-ного импульса.

Полученное распределение температуры неоднородно в силу неодно-
родности распределения поля Е (г*). Температура образца вдали от по-
ры за время действия импульса Дт(Дт См£2/Х, где X - коэффициент
тешюпроводности) достигает значения

Тп, -= T'n.j (1 + 2 Eg Дт) */2 ,

с тл
2п-х

максимальная же температура на поверхности поры равна:

М и-1

Если в промежутках между импульсами образец не остывает, а проис-
ходит только выравнивание температуры, то.величина Т определяет-
я нагревом за время действия п импульсов: ’ *

тп, <»=Т0(1 + 2 — €L«AL)i/2.

см г»
При этом градиенты температуры можно представить в виде

|vr| .

Л 2Cjj «

В случае разогрева металла до температуры, близкой к точке плавце.
ния. механизм массопереноса вакансионный. Плотность потока вакац.
сии определяется градиентами температуры и концентрации вакансий;

Г-Д, (yLvr-Vc»>>

Где d _ коэффициент диффузии вакансий; к? — термодиффузионное
отношение. _ '

Температура металла повышена вблизи поверхности поры, поэтому
градиент температуры при электроимпульсном нагреве способствует
потоку вакансий в поры, т.е. росту поры. В то же время повышенная
концентрация вакансий вблизи Поверхности поры приводит к возник-
иовению потока вакансий от этой поверхности, т.е. к сокращению

поры.

Оценки на основе приведенного анализа свидетельствуют, что пора,
находящаяся вдали от поверхности металла, должна растворяться. Свя-
зано это с наличием больших градиентов концентрации вакансий, воз-
никающих в условиях быстрого нагрева образца. При этом в объеме
металла не успевает установиться равновесная концентрация вакансий,
отвечающая высокой температуре, тогда как на поверхности поры та-

кая концентрация устанавливается практически мгновенно.

Кроме того, для уменьшения температурных градиентов в объеме
металла следует нагревать образец большой серией импульсов (а не
одним — двумя мощными импульсами) так, чтобы во время паузы
1^ежду импульсами температура в образце успевала выравниваться.
Согласно оценкам [179J, оптимальными для растворения пор следу-
ет считать большие серии (п ~ 102 ... 103) коротких импульсов (Дт ~
10 с), паузы между которыми на один — два порядка превосхо-

дят длительность импульсов. При этом градиенты температуры, при-
водящие к росту пор, невелики, а большие градиенты концентрации
вакансий, обусловлённые различием времени установления равнове-
сий концентрации на поверхности поры и в объеме металла, способ-
ствуют растворению пор.

Если пора находится на поверхности образца (’’полупора”), то гр*
концентрации вакансий определяется их концентрацией на по-
пмрй °СТИ П°?’ концентРаЦией на поверхности образца и концентра-
гторп^КаНСИ- В металле вокруг поры. Однако вследствие того, что
к» Тпаг>ОСТНЫИ коэФФииИент диффузии вакансий на два — три поряД'
вакаисий^ОДН1 К0ЭФФииИент объемной диффузии, основной поток
стныкги ПОРЫ на поверхности образца определяется поверхн^
на попепуи^ДИеН1:аМИ’ Т’е’ РазниЦей между концентрациями вакансШ5
та поверхности образца и на поверхности поры.
Спекание с частичным плавлением
и плазмообразованием

Если интенсивность выделения тепла при пропускании через поро-
шок электрического тока превышает" затраты тепла на отвод в окру-
жающую среду и нагрев приконтактного металла в твердой фазе, то
часть металла расплавится. В теории контактов введено понятие ’’на-
пряжение плавления” [4, с. 95], позволяющее подойти к оценке элек-
трических условий, обеспечивающих возникновение жидкой фазы
в зоне контакта, с количественной мерой.

Образование и рост шейки — очень важный этап спекания. Соглас-
но некоторым оценкам, при высоковольтном разряде скорость роста
шейки ~ 100 см/с, что соответствует "эффективному коэффициенту
диффузии КГ2 см2/с. Механизмом такого быстрого переноса может
быть либо испарение — конденсация, либо зарождающийся процесс
плавление — затвердевание' [20]. Электронно-микроскопическое ис-
следование показало, что наиболее вероятным механизмом образо-
вания шейки в этом случае является,плавление — затвердевание. Это
установлено на образцах из железа, меди, вольфрама, тантала, нержа-
веющей стали. Процесс оплавления металла в приконтактной области
аналогичен процессу оплавления в устье трещины, обтекаемой элек-
трическим током. Как показывают эксперименты [21, 22], структу-
ра металла в этом районе после пропускания электрического тока ис-
пытывает существенные изменения, связанные со значительными тем-
пературными градиентами и электродинамическими усилиями. Пове-
дение металла несколько напоминает также поведение так называе-
мых мостиков, наблюдающихся в разрывных электрических кон-
тактах.

В случае существенного влияния поверхностного натяжения жидкая
перемычка с током приобретает форму криволинейных тел вращения
(нодоид, катеноид). При большой кривизне поверхности перемычки
гравитация влияет меньше электромагнитных сил и сил поверхностного
натяжения.

Рассмотрим поведение образовавшейся между частицами жидкоме-
таллической перемычки, через которую проходит электрический ток.
Пусть контактирующие частицы расположены одна над другой. Меж-
ду ними находится жидкий металл, ограниченный некоторой поверх-
ностью вращения; через жидкую металлическую перемычку в осевом
направлении пропускают электрический ток. Найдем уравнение, опи-
сывающее поверхность жидкого металла. Запишем энергию жидк-лго
металла Е, Дж;

E=ES+Eg+Ee ’ (6)

где Es - поверхностная энергия; Eg - потенциальная энергия в грави-
15
тационном поле; Ее - энергия электрического тока. Составляю
энергии жидкого металла определяются уравнениями ' я*01ПИе

/ . .3

Es = Zxafr Vr + i dz ’

Eg - vgy^Sr^zdz;

----} In (Z/r)<b .

4ir о

(7)

(8)

(9)

где а - удельная поверхностная энергия жидкого металла, Дж/см2; I
высота столба жидкого металла, см; jr - — радиус поперечного сечения
столба, см; г* = dr/d2; Тж - плотность жидкости Г г/см*; g ~ ускорь
ние свободного падения, см/с2; I — сила тока, А, д о магнитная по>
стоянная (До =1,256-10'6 Г/м).

В выражении (9) постоянное слагаемое, не зависящее от радиуса,
при последующем дифференцировании исчезает и поэтому здесь не
пишется* 1.

При этом следует учитывать неизменность иэъема жидкости 7,см3;

7 = nfr* dz = const,
о

Выведем уравнение поверхности путем приравнивания нулю вариа-
ции 8 (Е$ +Eg + Ее - рУ) =0, гдер — свободный параметр.

Уравнение Эйлера — Лагранжа имеет вид [29, с. 347]:

^__£_(2М) = о,

dr dz dr'

где Es +Е +Е - pV«
Q Д

(Ю)

(И)

пемеиик с (7) (9) и вводя безразмерные пе-

ременные f s z v 54 //ом ~ — г*—гт -ч- -

[26,27] ’ p~r VS’Tjh/(2a) * получим уравнение

в уравадвде аз?! ^гж ) - капиллярная постоянная, см-

из них имеет вид } входят °езразмерные величины Пж и Аес, Первая

---- СИ В рабств

1 Здесь задача решается в единицах Международной системычаев**
(26, 27|, в которых использована гауссова система, электро
вместо мв/4 я содержат множитель с“* (с — скорость света).
р

(13)

ag тж */ V 2а/ (gy* )

_ _ некоторое давление, определяемое из краевых или каких-либо
mvrax условий. В знаменателе .выражения (13) стоит величина, кото-
можно истолковать, как лапласово давление на жидкий цилиндр с
падиу'сом сечения, равным капиллярной постоянной. Таким образом,
П — относительное давление, выраженное в единицах o/yf 2а/ ($ГУЖ) •
Большой интерес представляет безразмерная, величина, входящая в
последний член уравнения (12) :

М, Pg1/3 У^
ес~ 2’/’ж3 а’/’

(В)

Физический смысл этой величины можно выяснить, если записать ее
в виде

ес 8 ж3 (2а/ йгтж) И a/V 2а/ (gy ) ]

(15)

Входящая в (15) величина д012/[Sir*-2а/(«7Ж)] представляет собой
электромагнитное давление, создаваемое током 1Г на столб жидкого
проводника с радиусом сечения, равным капиллярной постоянной. Та-
ким образом, величина Аес — это отношение порождаемого током элек-
тромагнитного давления на столб жидкости с радиусом сечения, равным
капиллярной постоянной, к лапласовому давлению в таком же столбе.

Величину Аес можно считать новым критерием подобия, характери-
-зуювдм соотношение влияний электромагнитной силы и силы поверх-
ностного натяжения на жидкий проводник. Из выражения (14) следует,
^то при всех изменениях величин I, а, уж, оставляющих неизменным
значение комбинации I2 у^2 а"3/2, форма жидкого столба должна оста-
ваться постоянной. Величину Ае$ можно назвать критерием капиллярно-
гравитационно-электромагнитнои гидростатики. Для условий с перемен-
НЬ1МИ характеристиками, входящими в Аес, эта величйна может рассмат-
риваться, как соответствующее критерию подобия параметрическое
число» *

Лля случая малых относительных радиусов р, л безразмерная макси-
Форм^ойЫС°Та устойчивого столба ™кого проводника определяется

^ешах = 12 + 2 Agc ),

ты тах = ?ет«^7ж/ (2 a) , /втах - максимальное значение высо-
^илкого столба при пропускании тока.
Из сравнения зависимости (14) с зависимостью, полученной дп

чая жидкой перемычки без тока [164] Г

An ах в 12 Р° .

(171

следует, что максимальная высота уменьшается с ростом значени

Из формул (16) и (17) можно получить соотношение 1018

Аг шах^Апах ~ + 2 Аес /р^ $

показывающее, что, чем больше значение Л • , тем меньше маю™
ная высота устойчивого столба по сравнению с тановой в otcvtS? ^

ка (рис. 4). При неограниченном увеличении Ае величивдл

стремится к нулю. Следует отметить, что Дестабилизирующее дейс^’

О 0,34 0,08 0,12 0,16 Аес^)пр.

Рис. 4. Зависимость отношения макси-
мальных высот жидкого проводящего
столба при наличии тока (Ag max) и без
него (Хщах) от отношения критериаль-
ного числа капиллярно-гравитационно-
электромагнитной гидростатики (4eJ
к приведенному радиусу контакта Рпр

в условиях тОКаК изРазвитоиздесьтеоРии (столб жидкого проводника
6иУн ’ Так * яз теоЙетического анализа поведения ря-

витации [30] °СТИ бесконечной проводящей струи с током без учета гра-
ремы^ж-^гг^З другие причины разрушения жидкометалличееких ле-
кие пазмепы сила’ стремящаяся увеличить геометричес-

терний для ботт^ электрический взрыв проводников, харак-
и сопровождаем^0^ С*орости нарастания тока при малом теплоотводе
вания линейно разбрЬ13ГИванием металла. Коэффициент разбрызги'
sZS™ ««««»««« вадепяющХя £ ~

Количество метЯп^НИЯ частицами, на частоту замыканий [33]-
висит от многих тля а’ разо₽ызгиваЮ1Дегося в виде жидких капель, за-
лофизических Поля т етров’ в первую очередь от энергетических и
ной; так. ^сого капельного металла может быть значите!»”

ве при электрическом <^>аЗЫ В удаляемом с электродов вещесг
чины разбрызгивание Р“ряде может составить 70... 90%. Главные пр»'
грев. талла — реактивное давление и объемный пер^

Когда

»шие силы^ воз^^п^гТ^8”®1™6 пРик°нтактного металла, то отталки»^
18 результате теплового расширения в тверД0^
фазе (см. выше), уменьшаются в 10... 20 раЗ [12]. Деструкция слишком
длинных жидкометаллических леремычек под влиянием электрического
тока может оказывать влияние на ход спекания порошков электричес-
ким током. Часть возникающих при электроспекании жидкометалличе-
ских мрстиков теряет устойчивость по указанным выше причинам и раз-
рушается. Это приводит к перераспределению линий тока по объему
прессовки и возникновению подобных мостиков на других межчастич-
ных контактах. В итоге указанных множественных процессов происхо-
дит интенсивное спекание [27]. Из сказанного выше следует, что пары
частиц и жидкометаллические прослойки между ними не всегда находят-
ся в стационарном состоянии до деструкции.

Большое значение при злектроспёкании имеет его первая стадия, ха-
рактерная особенность которой зачастую состоит в искрении и энерговы-
делении преимущественно на межчастичных контактах. Такой тип энер-
говыделения вызывает разрушение оксидных пленок и быстрый разо-
грев приповерхностных участков1. Сближение между центрами частиц,
т.е; уплотнение прессовки, происходит в результате действия внешнего
механического давления, одновременного с действием электрического
тока (см. раздел 3).

Интересны данные, полученные при моделировании элементарного акта спека-.
ния путем ввода в контакт между двумя сферическими частицами энергии лазер-
ного импульса. Частицы никеля и меди диаметром 600 и 300 мкм, соприкасающие-
ся без поджима, помещали в стеклянный капилляр, который потом запаивали. Зо-
ну контакта подвергали облучению (энергия импульса ~ 1 Дж, его длительность
~ 10"’ с, диаметр пучка лазерного излучения ~ 100 мкм). При вводе в контакт
Энергии лазерного излучения между частицами возникает шейка, вокруг которой
наблюдается некоторое разбрызгивание металла [35]. С помощью сверхскорост-
ной микросъемки удалось установить временные зависимости относительного диа-
метра образовавшейся шейки (рис. 5, кривая 1) и относительного расстояния
между центрами частиц (рис. 5, кривая 2).

Относительный диаметр шейки d/d0 увеличивается и за время 2-10"* с дости-
гает максимального значения, после чего уменьшается; относительное расстоя-
ние между центрами частиц 2r Jd^ уменьшается за то же время, достигая мини,
мального значения, затем увеличивается (d - диаметр шейки, см; г —.расстоя-
ние от центра частицы до контакта, см; d0 - диаметр частиц, см). эффективное

Рис*. 5. 'Зависимость относительного диаметра
d/d^ (Z) образовавшейся шейки и относительно-
го расстояния 2 rc/de (2) между центрами час-
тиц от времени для пары частиц Ni — Ni (d —
диаметр шейки, г с — расстояние от центра час-
тицы до контакта между частицами, d0 — диа-
метр частиц)

0,7

0,5

0,1

0 ' 80 160 Т,мкс

1 Пат. 3241956 (США), 1966.
________„ .„«мипаоиого процесса составляет 2,6-10"* с (эффективным арн
,Ра2____им». ” «°ГОР°° гаметР>"««.

мсм^( припеканмл ли***® ***»-»— г

изменения). ,,, 2 id говорит о том, что процесс припекани,

Характер ИЗМ^™Й° й Лаз£. в процессе припекания имеет место некого
происходит с участием »ВД ™„Петельствует существование светящегося факел,
р“’Дй,е™'»
В течение времени, вревмшшши_ спекаемых мелких сферических частиц отно.
„ы тяжести (ось двухчастичной ’’гантели” в этих эксперт

СИ^б^Ггор«^?ьна) Следует отметить, что асимметрия не наблюдала^
частиц диаметром 600 мкм, что, видимо, объясняется более
Х^^оотводом в объем частиц и, следовательно, образованием мещ,

ЧТО процесс припекания частиц происходит следу,
юшнм образом. Уменьшение расстояния между центрами частиц и увеличение
метра шейки в начальный период действия лазерного излучения обусловлены
стремлением к уменьшению поверхностной энергии системы подобно тому, как
это происходит в случае обычного припекания частиц (11,с. 122]. Этому процес-
су противодействуют реактивные сильц связанные с -выбросом вещества в зоне
стоил лазерного излучения, однако в этот период силы притяжения еще
превышают реактивные силы. В дальнейшем при сближении частиц, вероятно,
происходит соударение между твердыми их частями, что приводит к ’’разлету”,
т.е. к увеличению расстояния между центрами частиц.'

В случае деструкции перемычки между смежными частицами возмож-
но некоторое остаточное колебание разности' потенциалов: для одиноч-
ной пары разрываемых контактов оценки дают максимальное значение
~ 103 В после прекращения протекания тока ~ 10 А, период колебании
~10-’ с. В прессовке, однако, мало вероятно возникновение таких раз-
ностей потенциала ’в’ отдельно взятой паре соседних чястип из-за шунти-
рующего влияния проводящего окружения. '

Таким образом, в начальной стадии Электрического спекания отсут-
ствует заметный нагрев внутренних частей частиц, тепло выделяется пре-
имущественно на контактном сопротивлении. Если на чягтипях имеется
оксидная пленка, она разрушается и в первую очередь нагреваются со-
прикасающиеся части поверхности частиц. Аналогично тому, как это на-
kw при.контактной или точечной сварке, соприкасающиеся участ-
?°М переходят в расплавленное состояние и становятся
пение аапга„ ’ Т° влечет за с°бой такое пространственное перераспреде-
(со с У1Тпп’’СОТороеимеет своим следствием повышение плотности [37]
гр^^вкат^ХХ^Пб?]^ СПекаНИИ’ когда происходит пере-
бой, а^ет^швТт^и^пп °В металлов» контактирующих между со-
кании без спепиатп.нпй И ₽°ЛЬ к^СЛ0Р°Да в процессе спекания. При спе-
осложняет пооиеег нп за1ЦИТНОИ газовой среды присутствие кислород»
частиц, образовывать ричем кислород может диффундировать в глубь
Присутствие кислппоХаСТВОр В металле или соединения с ним (оксиды)-
ства спеченного матери^аТ^о?^0186™0 влиять на структуру и свой-
2о РИала l39J <см- Раздел 3 в гл. 2). На протекание
стоического разряда между частицами может оказывать влияние не
состав, но и давление газовой среды [40]. . _

TWr случае быстрого ввода энергии в металлический порошок, находя-
“ся в свободно насыпанном или слабо спрессованном состоянии
^типы слегка касаются друг друга), возможно образование не толь-
жидкой фазы, но и плазмы. Продолжительность существования
^именного образования в межчастичном промежутке определить тео-
н^ически сложно. Можно предположить, что она невелика, ибо плазмен-
ный столб вследствие влияния собственного магнитного поля [ 42] и
когенерации колебаний [43] крайне неустойчив и склонен к быстро
нарастающим деформациям и деструкции. Импульсный разряд имеет
характер искрового, и процесс заключается в образовании мельчайших
жидких капель, взвешенных в низкотемпературной плазме, с возник-
новением сверхзвуковых ударных волн (микроскопический злектро-
взрыв). Это явление может быть использовано, в частности,,для нане-
сения покрытий [ 44]. Исследования Б-Р Лазаренко и др. показали, что
температура плазмы может достигать ~ 15000 К, давление же в области
разряда повышается до ~ 10 МПа (100 ат). Процессы массопереноса в
этом случае наиболее1 рельефно проявляются в разноименных парах
(см. раздел 2).

Металл, составляющий взвесь жидких капель в плазме, через про-
странство поры летит к поверхности смежных частиц; В случае очень
быстрого разлета жидкие металлические капли при встрече с поверх-
ностью порошковых частиц могут испытывать даже упругое отраже-
ние1, но вероятнее, что металл и капель и плазмы преимущественно
остается на поверхности частиц после первого столкновения.

Быстрое выделение тепловой энергии вблизи межчастичного контак-
та вследствие прохождения электрического тока может привести и к
отколу мельчайших твердых частиц. В целом процесс, вероятно, опре-
деляется наложением ряда более простых явлений, роль которых ме-
няется в ходе всего периода спекания.

кратковременном импульсном токе, если между смежными ча-
о‘^Цами имеются диэлектрические прослойки (воздух, пластификатор,
явлений* пленка)> весьма вероятно возникновение электроэрозионных
и мехаи1иК0Т°РЫе опРеделяются электрическими, теплофизическими
перенос параметрами. При этом может иметь место и массо-
Рого3айХедствие выРьта из частиц части металла, количество кото-
от энергетических параметров процесса [ 166]:

Т~—•---

* Уот»

’В "Р’вой - время капли при соуд»
1 -(T)dr*

где т “ величина эрозии под действие^ импульса тока (индексы
а и к здесь и далее относятся * к положительно и отрицательно заряжен,
ним частицам соответственно); Л" - число импульсов; Ка к ~ коэффи.
циенты пропорциональности, зависящие от теплофиэических свойств
материала частиц и длительности импульса, г/Дж; ЦДт) - напряжение
на межчастичном промежутке, В; /п(т) v- ток в разряде, А; т0 - про-
должительность импульса, с.

Диалогичные явления могут возникать и при пропускании тока не-
импульсного характера до установления между частицами металличес-
кого контакта.

3РАЗНОИМЕННЫЙ КОНТАКТ.

ПОЛИКОМПОНЕНТНЫЕ НЕГОМОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Твердофазное спекание

Проанализируем процессы диффузионного массопереноса в паре, со-
стоящей из разнородных металлов. Выше уже говорилось, что на кон-
такте при пропускании электрического тока, как правило, начинает
усиленно выделяться тепло. Учтем особенности температурного режима
в модели, представляющей собой пару контактирующих полубесконеч-
ных стержней. Положим, что в исходный момент времени на граничной
поверхности начинает действовать источник тепла. Диффузионный пе-
ренос одного из веществ рассматриваемой пары, состоящей из металлов
с неограниченной взаимной растворимостью,-подчиняется уравнению

дС
дг

= Л.[О(х,т)
дх

где С — концентрация (либо безразмерная величина, либо число
частиц/см3); D(x, т) — локальный коэффициент'диффузии в точкех
в момент времени г, см2/с. В работе [50] было показано, что вклад тер-
модиффузии в перераспределение вещества в неоднородном температур-
ном поле, возникающем при воздействии на сплавы лазерного излуче-
ния, пренебрежимо мал. По аналогии с эффектами лазерного и электри-
ческого воздействия на сплавы в рассматриваемом случае неравномерно-
го нагрева при прохождении электрического тока через контакт будем
считать допустимым пренебрежение в уравнении диффузии членом,
обусловленным термодиффузией. '

Пусть в исходном состоянии (т = 0) концентрация диффундиру10111^
го вещества в левом полупространстве (х < 0) составляет Со, в право ~
(х > 0) оно отсутствует. Полагаем, что модель состоит из двух контаК
22
рфующих стержней с различными теплофизическими характеристика»-
ыи. В отличие от задачи о нагреве при электросварке стержней встык
тепловые потери через боковую поверхность не учитываем. Пусть через
боковые поверхности стержней нет и массообмена, и электритеслсий
ток не вызывает однонаправленного смещения - дрейфа - диффузан-
та (эффекты дрейфа более заметны и учитываются в случае частичного
расплавления металлов, который рассмотрен ниже). Далее, считаем, что
ме»ЯУ составляющими пары осуществляется контакт, идеальный в тепло-
вом отношении, и выделяемое тепло распространяется в обеих диффузион-
ных средах. Используя метод пограничного слоя, можно выразить в без-
размерных переменных v = Do-r/do (число Фурье - Фика), X=x/dQ три
безразмерные величины: 1) диффузионный поток / =dQjlD0-, 2) Шу-
бину диффузионного слоя H-h/db и 3) относительную концентрацию
Сотн=С/С° (^“ текущая концентрация) в виде

J(p) =2?(v) ) dp’ (19)

Я(р) = 2yf3 [ JБ(р’ ) dp' ] , (20)

Сотн ") = [ 1 - Х/Н (Р)’Г . (21)

Величина В (р) определяется по формуле

В(у) = ехр \ГгГеl[2QTF(у/Пр + 1)]J

для случая непрерывного (р > 0) и импульсного (0 < р <Ро) режимов
выделения тепла на границе либо по формуле

В(р) = ехр {-х/йе /<2QrF[ 5/П(\/р— х/р-Ро) + 1]>

Для случая импульсного нагрева при р > у о (р<> =ДГто/<2о) > Qf ~ приве-
денная удельная мощность (Qr = ^0/0/ХТ0); & - величина, обратная
критерию Льюиса для твердых сред (П= a/Do), где Do — предэкспонен-
циальный множитель в формуле Аррениуса для коэффициента диффу-
зии, см2/с) [61, с. 76]; dQ — некоторый характерный размер (например,
Диаметр стержней), см; Цо — удельная мощность теплового источни-
ка» Вт; X — коэффициент теплопроводности, Вт/ (см-К); То — начальная
температура контакта, К; а — коэффициент температуропроводности,
‘см2/с1 1 — диффузионный поток, см/с; е = EJ(Rofo); Ел — энергия
активации диффузии, Дж; Ro — газовая постоянная, Дж/К; F = 1/ (1 +

Л; / = Хх vi^/(Xa V^r), Xi, *2, a2 - коэффициенты тепло- и тем-
^ратуропроводности правого (1) и левого (2) стержней.

и начальной стадии процесса диффузионный йоток, концентрацию
с проникновения удается выразить -аналитически [53; 60,

' 1]. В более общем случае численными расчетами на ЭВМ были полу-
пы зависимости глубины диффузионной зоны от времени действия
контактного источника и концентрационные профили в приведен™
ременных для случая пары Си ЬЦ (рис, 6). Асимметрия пробил^*
центрации по обе стороны от контакта объясняется неодинаковостТ*1
фузионных и тепловых параметров контактирующих сред. Глубин°

Рис. 6. Распределение никеля в модель-
ной паре Си — Ni,вычисленное по (21)
при различных значениях v :

1 - 0,65-10“э; 2 - 3J240"9; 3 - 6,5Х
ХЮ"3; 4 9,7540"3; 5 - 16.2540'3

среды существенно , ’ С0Ставляю1ЦИХ пару, в контактирующие с ними
источника Поепстяп аВИСИТ 01 энеРгетического параметра действующего
носа массы ппп п₽й ЛЯвТ ИнтеРес оценить эффективность процесса пере
нию с переносом ТМ контактного теплового источника по сравни
условием равных Xpa/ST*0*1 НаГреве' Сравнение проведем с
мое контактным источник» ’ тая’ что в первом случае выделяв
законами теплопгюлАг™ М тепл0 РаспР°страняется в соответствии с
сразу равномерно В° ВТОР°М ~ такое же количество тепла

некоторой средае/теХра^ы ГП° Г*** объему пары,нагревая ее ДО
не из полубесконечнму (здесь модель считается состоящее

За количественную мет/ f?®1611’ а 113 даух частид кубической формы)-
во диффузанта, пепенес₽™ Реноса массы примем интегральное количесг
тепла к системе Копишь™0 ° ® Рассматриваемых случаях подвоДО
источника опреде“ырХ^Г™’

wk(t) « /(l_^__)2(k== (22)

ичество диффузадта при изОТермическом отжиге __ выражением

%3 (7) = J erfc (23)

24
Энергия, выделенная в контакте диффузионной пары, Дж, за время
т0 с, в результате действия контактного источника с плотностью мощ-
ности <7о > Вт/см ,

△<?к ~ 4°ST° ,

энергия, затраченная на нагревание пары от начальной температуры Тв

ДоТ’ср’К,

Дбиэ = <cCu 7Cu + cNi W V <Гср Г°) -

где s — площадь контакта, см2; V — объем диффузионной пары, см3;

с ’^NP^Cu’ 7Ni ~ удельные теплоемкости, Дж/(г-К), и плотности,
^.соответствующих веществ.

В условиях равных энергозатрат (Д2К = дбиз) средняя температура
изотермического отжига

Т = Tq + ?os т0/ [ V (cCu yCu + cNi yNi) ]
ср

зависит от отношения s/V.

Для сравнения эффективности действия контактного теплового ио
точника с эффективностью изотермического отжига всей диффузионной
пары рассмотрим, как изменяется отношение тк/тиз при изменении
размера d0 частиц, составляющих пару (как уже говорилось выше, рао
сматривается модель из двух контактирующих по граням кубиков с
ребром длиной d0 (рис. 7 [54]). По виду изображенных зависимостей
можно сделать вывод о весьма существенной интенсификации диффузи-
онного массопереноса под воздействием контактного источника энер-
гии. Так, при Qo - 1 МВт/см2, т0 - 0,210“4 с количество перенесенного
диффузанта под действием контактного источника повышается в
(1,5 л. 13)-10s раз при увеличении размера dQ от 0,045 до 0,33 мм.
Столь резкая интенсификация процесса диффузии объясняется концен-
трацией тепловой энергии в случае действия контактного источника

О 1 12 3 0 100200300 0 10002000й0,мкм
Раз^ЛтиСИМОСТИ U Ояк/»»Ь ) от da, полученные по формулам (22), (23) при
I -I ।УДельиой мощности q0, Вт/см2:
преимущественно в приграничных слоях, составляющих диффузио^
давним расчет с результатами эксперимента по сварке мерной и нц.
келевой проволочек диаметром ОЛ мм С помощьюподводимой к Кон.
такту энергии импульса рубинового лазера (<7о *2,5 МВт/см ,т0 «Ю-3
К41 Экспериментально определенная глубина проникновения атомов
меди в никель приблизительно равна 24 мкм, вычисленная же при ука-
занных энергетическом и временном параметрах глубина составляет
21 мкм. .

По некоторым оценкам при интенсивном влиянии внешнего электри-
ческого поля, например при электроразрядном спекании (см. раздел 3),
коэффициент диффузии становится в 100 ... 200 раз больше обычного
коэффициента диффузии; помимо электрического поля, сильное влия-
ние на скорость диффузии оказывает пластическое течение [64]. К тому
же следует иметь в виду, что под действием лазерного излучения или
электрического тока возможны частичное оплавление и перенос массы
в результате не только атомной, но и турбулентной диффузии,(см. ни-
же).

Предыдущий анализ касался пары составляющих с концентрациями
в пределах однофазной области либо с неограниченной взаимной раст-
воримостью. Если в пару входят металлы, характеризующиеся более
сложной двойной диаграммой состояния (либо контактируют ме-
талл - металлоподобное соединение, например Ni — TiB2 [65]), то я
процессе термообработки рано или поздно могут образоваться проме-
жуточные термодинамически устойчивые фазы. Следует заметить, что
постоянный электрический ток в некоторых случаях может либо спо-
собствовать возникновению и росту слоев промежуточных фаз, либо
подавлять этот процесс [68]. Благодаря кратковременности процесса
электроспекания в случае быстрого ввода в спекаемую систему боль-
шой электрической энергии можно достичь Хорошей адгезии между
составляющими без образования промежуточных фаз. Такой обработ-
кой можно получать, например, алюминиево-стальные композиш®>
избегая нежелательного зачастую образования на, контакте интермета®"
лических соединений [66,67].

Процесс распространения диффузацтов в неизотермических условиях
с учетом электропереноса намного сложнее и нуждается в специальной
теоретическом анализе.

Из-за неравенства диффузионных потоков металлов, составляют5^
омпозицию, возможны такие явления, как перенасыщение вакансиям®
пм °™ метш^10В» образование диффузионной пористости, ДйФФ^.
70 с оэ11Мп’1И рост (эФФекты Киркендалла и Френкеля [11> с-
тока к гигт» дааК°’ если при спекании пропусканием электрическог
вития не полуют ИКЛаАЬ1ВаеТСЯ давление» эти процессы заметного р
случае одноименного контакта (см. раздел 1), взаимоде®0^*
Между составляющими пары может осложняться присутствием эле-
Вентов воздуха, в первую очередь кислорода. Контактное сопротивле-
ние пар различных металлов неодинаково и существенно зависит от по-
верхностного окисления. Например, после окисления при 343 К, кон-
тактное сопротивление в паре Си — Ai (время окисления 41 день) воз-
растает в 1290 раз, в паре Си — Fe (время окисления 49 дней) в
1670 раз, в паре Al — Fe (время окисления 45 дней) — в 615 раз, в паре
Си - латунь (время окисления 38 дней) — в 1765 раз [162, с, 45]. Влия-
ние кислорода на ход спекания, окончательную структуру и фазовый
состав получающегося материала особенно велико, если в- спекаемую
КОМпочицию входят элементы, имеющие большое сродство к кислоро-
ду (такие, как алюминий, магний, титан) [39,72]. Эффекты, связанные
с участием кислорода в процессе электроспекания порошков, рассмот-
рены в гл. 2.

Спекание с частичным плавлением
и плазмообразованием

В разделе 1 были рассмотрены условия стационарного существования
жидкометаллических прослоек между частицами при пропускании по-
стоянного электрического тока. Если материал, из которого состоят
твердофазные частицы, растворяется в находящейся между ними жидко-
металлической прослойке, то он может диффундировать, границы же
между твердой и жидкой фазами могут смещаться. На характер перерас-
пределения растворенного вещества и смещение межфазной границы мо-
гут оказать влияние температурное и электрическое поля.

Рассмотрим процессы, происходящие в модельном порошковом теле,
когда на границе между частицами образуетсяжидкометаллическая про-
слойка (роль частиц играют стержни, рис. 8) [80]. Пусть-крайние концы
стержней, не соприкасающиеся с жидкой прослойкой, поддерживаются
при температурах Т\ и Т2 и через всю систему пропускают постоянный
ток плотностью Je, А/см2. В стационарном режиме температура и кон-
центрация диффузанта в жидкой прослойке определяются формулами
[167]:

= а + b е 7* ** - xQ /-у ; (24)

*** Лк Лк

I------------~Т“П---------------1

-(lme+Ьк) -1Ж 0+1Ж ^бтв^ж)
А • Л

*идком£.Хема Двухчастичной модели с

ЦК0Металлической прослойкой
[ Сср - vCtb/ (” ~ ДцДЭГЗп/ке-”* у

С(х) nf ж в“ ж F — ЬиЕ тв ’ (25)

где х - координата, отсчитываемая от середины Движущейся прослойки
с = Ств нж) =КС Нж) — концентрация в твердом стерЯ(11е’
(на границе «^жидкой фазой при х =-! Ж)#-К - коэффициент распред^
пения (безразмерная величина); величины аж и Ьж определяются д0

формулам:

Л \к I
<?

“ 7Ж1 ж (1 -х е

а ж

+ ,^^<ch(7TB lTB +7^ ж1-сЬ7ж/ ж)+

7тв уж

'"7тв/тв^ _ тг (1— e7*”7™)] -

г г, е~7ж1ж ~ Т2 е7ж1ж _ ( wn In + уж/ж ) х
ТВ 2 2 7ТВ 7Ж

Xch?xZ*3-^(-2-*7* 8кУж1ж )+sh/r Г -

Хтв 7тв Ж 73 тв k Лж ж

*“ ^тв Z тв) ~ sh 7ж Z ж 1 j ’ (

1 (27)

-^Нтв'тв;

<1=К sh (7„; „+?ж ;ж) - - \в >,»)sh т«f*;

-Ч.И'т.Ч,- Lu«v +п7«г

7; ^с, ’ - Stj 1е)Г^, W, = Р, !г'/\ . 7 = ™ , ж,

7Ж — полутолщина жидкой прослойки, см; v — скорость ее
см/с; X/ ~ коэффициент теплопроводности фазы/,Вт/(см-К); 'твaI^>i
стояние от сечения стержня при температуре Tt (или Та) Д° *Р
твердого тела с жидкостью, см; £пл — скрытая теплота плавле^
ницы объема, Дж/см3; П — коэффициент Пельтье, Дж/Кл; STj
фициент Томсона фазы /, Дж/(Кл-К), с- — удельная теплоем!со^м,см;
зы /, Дж/(см3 К); Pj — удельное электросопротивление фазы/ ,
Сср — средняя концентрация в жидкой прослойке, определяемая
формуле ,ж

^ср в (Н(2/ж) ] J c(x)dx; ц-(у - ^uE)ID ',

ж
. - дифференциальная подвижность ионов растворенного вещест-

ГДв тносительно растворителя, см2/ (В-с) $ Е - электрическое поле, В/см;

°\)Эффициент диффузии растворенного вещества, см2/с.

^Ткгоеделим установившуюся скорость перемещения жидкой прослой*

Примем, что межфазные границы находятся в термодинамическом
кЯ’ овесии, температуры и концентрации на границах жидкой прослой-
раВподчиняются линеаризованным соотношениям

тяж ~ Т(— 1Ж) — ,

^.С('ж) ~ ~ Гпл 5 ~~

(28)

ГОетцж « тж|С(-/ж) №тж |с(/ж)’

С(т/ ж)

(dTeliC)c- наклон линии ликвидуса при концентрации С; 7’пл — точка
плавления чистого растворителя, т.е. основного элемента.жидкой про-
слойки.

В выражениях для величин С и v , выведенных Хэрлом, Муллином и
Пайком, содержатся неточности. Если считать ST ж = 0 и пренебречь чле-
нами ~/ж, то из соотношений (28) получаем:

т*Сср = “ж+\ -Тцл- (29)

Подстановка выражений (26) и (27) в соотношение (29) приводит
к формуле

'^ccp=«+Si'Z>/\t, (зо)

w«=(r, +Г1)/2-Т1и-[(Т1-Т,)/2+р5/Д1в /(т„О)(1-
-лгЧрУ’ЬгЧ»;

’*<4с™ '?,/(2»1В)) (1 - chr' i„)/sh2 г' /т,)((Т, - Г2) /(21 „)+
^.'.’/(Ч.2')) (l-shr'\B/(r’\,))l. т' - .

кшй°,СЛеНИЯ с точностью до членов, линейных no v, приводят к следу-
му выражению для скорости движения жидкой прослойки:

V = [ *тв (Л — Г2) т* / тв Ди/е Рж Хж а /%

21 m shT Ztb D т>
СТВ (7*I -7"» )

(Тг'тв>*

2»hr'

(1- rfTn cthrfZ _) -
\ ТВ ТВ 1

- Рж Р "Г «
J

(31)

В формуле (17), приведенной в работе Хэрла и др., первый члензиа-
мена?едадолжен содержать множитель (1 -К)I Д ср.с первым членом
Жжения в фигурных скобках в выражении (31) ]. В случае очень щ.
ло? растворимости примеси множитель (1 ~Ю допустимо заменить
«^например, при рассмотрении процессов в паре, где участвуй
= (примесями в германии, в частности, могут быть золото, плати-
нГХадай, никель). Однако для многих других пар множитель (1.
1 Заменять единицей нельзя. Например, в случае добавления крем-
ИИЯ к меди (при 1273 К) или алюминия к железу (при 1773 К) К-ОД
вслччае добавления олова к меди (при Д173 К) или магния к алюми-
нио (при 873 Ю К «03. Для случая г I тв < 1, когда можно ограничить-
ся членами, линейными по г* 1 из формулы (31) получают следую-
щие выражения:

Атв (Т, — Tt)/(2lта) -г nJg + Ажа' /D— (Jb
(1 - К) А* cl SD-Lm -. сте рге £/(6 А^) - Щ рж Д'

Атв (Г| ~ Тг)/(2 /тв ) - ПУе + &uJe р*. хж тж С^/Р- sTn/(6^.

(1 -АГ) \.n*c/D-L-cfiP!'i(6x)

жж , пл тв тв е тв'4 тв7

(32)

Входящие в формулу (32) параметры определяются выражениями

а' - т + + Т1 " Гз т'1 '

2 пп 2Ате 4 тв'

_ Аж (Л — Га) Ств^тВц Ртвг>^те j (3^)

4DAtb

Из уравнения (30) получается в том же приближении выражение
”xCcpsa'+I)0'y/\c' (35

Выражения (25), GO) „

«ессы перекристаллизации г™? И вытекаюЩие из них описывают
ческом и температурном пг^ ”еРемеЩвнии жидкой зоны в электр*
сания процессов, происходя»™J*0Д°бНЫе Форму™ пригодны для
происходящих во время спекания порошковых ко»<-

♦Такая же поправка должна быть внесена и в формулы (21) и (25) (
жеиие (32) J.
позиций постоянным током либо током, имеющим постоянную состав-
ляющую- Обычно можно считать, что 1\ ~Т2, распределение температу-
ры (24) не имеет места и в дальнейших расчетах не используется. Влия-
ние же тока спекания сводится не только к изменению условий стабиль-
ности жидкометаллических межчастичных перемычек (см. раздел 1).
Как показывает изложенная теория, постоянная составляющая тока
спекания может приводить к движению жидкометаллической пере-
мычки с одновременной перекристаллизацией. Такие ' процессы
возможны и в однокомпонентных объектах (как указывалось выше,
состав поверхностных слоев в частицах за счет различного рода примесей
часто отличается от состава чистого металла, что может способствовать
расплавлению металла у межчастичных контактов), и в композициях
типа металл — неметалл (например, в керметах). В последних жидкие
прослойки будут образовываться в случае, если температура спекания
превысит точку плавления легкоплавкого компонента (в системах ме-
талл — тугоплавкое соединение обычно будет плавиться и образовывать
жидкие прослойки металл). Упомянутые выше диффузионные процес-
сы могут оказывать влияние на структуру и свойства материалов, полу-
чаемых путем спекания порошков электрическим током.

Моделирование элементарного акта спекания с помощью лазерного излучения,
сфокусированного на контакте разноименных частиц, позволило получить временг
иые зависимости относительного диаметра шейки и относительного расстояния
между центрами частиц, напоминающие зависимости в случае одноименных контак-
тирующих частиц: после соударения твердые части, разделяемые жидкой прослой-
кой, ’’разлетаются”. Результаты концентрационных измерений в затвердевшей со-
единительной шейке между частицами меди и никеля, припеченными лазерным
излучением (рис. 9), позволяют создать представление о специфике данного про-
цесса (35]. Оценка глубины проникновения диффузанта на основе соотношения
х *»yj Dt дает значение ~33 мкм. Экспериментальное значение глубины диффузи-
онной зоны приблизительно составляет ~75 мкм. Как следует из концентрацион-
ных профилей,на шейке между частицами, соединенными в ходе электроразряд-
иого припекания, характер концентрационной зависимости подобен таковому в

^нс. 9. Зависимость концентрации меди и никеля
соединительной шейке после припекания их’
пас™Ц лазерным излучением
случае спекания лазерным излучением. В обоих случаях происходит частит,
плавление вещества в приконтактной зоне, в которой после затвердевания отС
чается значительное повышение микротвердости. Если в глубине частицы Нике?
в исходном состоянии микротвердость имела значение 98 МПа, то после
ботки как лазерным излучением, так и электрическим током микротвердо^
металла в районе межчастичного контакта составляла 2750 ... 3630 МПа.
повышение микротвердости объясняется как образованием сплава, так и ctpvJ
турными превращениями при быстром нагреве и охлаждении [841.

Вычисления, выполненные в предположении, что транспорт вещест
ва осуществляется только атомной диффузией в твердой фазе, свцд^
тельствуют о более интенсивном массопереносе при электроспекании
чем при изотермическом отжиге с равной затратой энергии (см. выше)’
Однако процессы, в какой-то мере напоминающие элементарный про
цесс электроспекания (например, лазерная сварка) , часто сопровожу,
ются фазовыми превращениями (с появлением жидкой и газообразной
фаз) и интенсивным перемешиванием. Таким образом, к массоперено-
су в твердой фазе могут добавиться процессы атомной диффузии через
жидкую фазу и конвективной либо турбулентной диффузии. В случае
конвективной диффузии полный поток состоит из концентрационной

) и конвективной (j£) частей: +7^,причем конвективная часть

потока определяется локальной скоростью у* жидкости или газа
/ к = Cv (С — концентрация) . При достаточно больших локальных ско-
ростях или концентрациях / к > / с. В случае, если движение диффузи-
онной среды имеет турбулентный характер, к потоку, определяемому
атомной (концентрационной) диффузией, добавляется поток, перено-
симый турбулентными пульсациями, который условно можно пред-
ставить выражением — — DTV С, где VС—градиент средней концен-
трации; Dx ~ vtl — коэффициент турбулентной диффузии, см2/с (у т -
скорость турбулентных пульсаций, см/с; Z — Некоторый характеристи-
ческий размер, на котором происходит изменение концентрации, см).

О наличии такого рода процессов свидетельствуют модельные экспе-
рименты по припеканию частиц разнородных металлов путем воздей-
ствия на контакт лазерным излучением. Профили концентрационных
кривых часто имеют немонотонный характер; в глубине одного из й*
таллов встречаются зоны, обогащенные другим металлом, что объясни-
ется, по-видимому, струйным характером переноса массы [85].
возможно и при электроразрядном спекании (см. раздел 3). Считает
ся, что в большинстве случаев турбулентный массоперенос значительн
превосходит перенос механизмом атомной диффузии. Условием это
обычно полагают большие значения числа Шмидта, О1^Ре^еляеМ0Г°1,д)й-
Sc = v/D, где v — кинематическая вязкость среды, см2/с, D— коэфф
циент атомной диффузии в среде, см2/с. пД{е

Для жидких металлов и расплавов число Шмидта имеет очень ®оль^1
значения: например, для жидкого алюминия Sc ~ 101 s. Таким
есть веские основания считать, что появляющиеся в процессе элекТР^
32
спекания конвективные и турбулентные потоки существенно ускоряют
Массоперенос и делают такое спекание еще . более интенсивным по
сравнению с обычным £53],

При ходе электроспекания в более спокойном темпе на межчастичных
контактах имеют место поверхностная диффузия и растекание, наблюда-
ющиеся и при обычном спекании [11, с.48]. Преобладание того или ино-
го процесса и его кинетика определяются термодинамическими и кинети-
ческими параметрами, характерными для спекающейся системы.

Главах ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СПЕКАНИЕ ПОРОШКОВ

1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОБРАБОТКИ

При злектроспекании порошков возможно широкое варьирование
способов пропускания электрического тока и характера механического
нагружения. Режим обработки Определяет ход процесса и в конечном
счете свойства спеченного продукта. Чаще всего используются следую-
щие виды спекания порошков электрическим током: спекание ’’сопро-
тивлением”, импульсное спекание, электроразрядное (искровое) спека-
ние. Такая классификация процессов электроспекания не является един-
ственно возможной (см., например, [87]). По мере развития этого науч-
но-технического направления классификация процессов электрического
спекания будет изменяться, совершенствоваться и детализироваться.

Спекание "сопротивлением "

Этот вид обработки предполагает пропускание через порошок посто-
янного (либо слабо изменяющегося знакопостоянного тока) или низко-
частотного (обычно промышленной частоты) тока; к порошку прикла-
дывают при этом постоянное неконтролируемое либо нулевое давление
(в последнем случае ток пропускают через ранее спрессованную заготов-
кУ’?1е подвергающуюся давлению в процессу спекания).

Рассмотрим типичный ход спекания порошка под постоянным давле-
на примере спекания титанового порошка [37]. Из измеренных в
^оцессе спекания тока и напряжения может быть определено полное со-
^п^ление с активной и реактивной составляющими. Умножая его на
’Ффициент полезного действия установки, можно найти величину ка-
дод гося сопротивления, содержащего в качестве составляющих после-
соновеЛЬН°и Цепи сопРотивления спекаемого образца, злектродов-пуан-
удеПьнИ внУтРеннее^ сопротивление установки. Через прессовки, 'чье
будет °е СОпР°™вление в направлении прохождения тока 0,1 Ом-см,
Электп^°Х0ДИТЬ ток’ как правило, недостаточный для спекания [168].
фактЛ^^одность прессовок существенно зависит (наряду с другими
рами) от приложенного давления. Например, было установлено
[89] ,,что электропроводность карбонильного никеля -(дисперсный со»
тав, do- диаметр частиц: 80 % порошка с dQ < 40 мкм, 15 % с
« 40... 50 мкм, 5 % с dQ 50 80 мкм) определяется степенной зав»
римостью к ~ (л - °>85> Р ~ Давление). Повышая давление, можно до
вести электропроводность до нужного уровня.- Далее мы-рассматриваем
порошок в таком состоянии, что он может быть спечен электрическим
током.

При приложении разности потенциалов к Дорошку происходит резкое
нарастание тока. Время нарастания не зависит от формы и площади сече,
ния образца, но зависит от его высоты: чем больше эта высота, тем про.
должительнее время нарастания. Время нарастания уменьшается.с увели-
чением напряжения и давления. Согласно данным Сакаи, Итабаси и Хары
[169], после начала пропускания тока от поверхностей образца, контак-
тирующих с торцами электродов-пуансонов, в глубь образца движутся
границы слоев с повышенной электропроводностью. Величина тока рез-
ко увеличивается, когда оба этих слоя соединяются в центральной части
образца. Скорость роста этих слоев с повышенной электропроводностью
тем выше, чем больше электрическое напряжение и давление на поро-
шок.

Электрическая энергия превращается в тепловую во всех частях упо-
минавшейся цепи: на контактных сопротивлениях участков соприкосно-
вения частиц порошка, на собственных сопротивлениях металла внутри
частиц, на контактных сопротивлениях на поверхностях раздела электро-
ды-пуансоны— порошок, на сопротивлении электродов-пуансонов, на
контактных сопротивлениях между электродами-пуансонами и плунже-
рами (либо плитами) пресса, на внутреннем сопротивлении установки.

Проанализируем энергетику1 процессов, происходящих в элементах,
составляющих последовательную электрическую цепь, в соответствии с
подходом Акети и Хары [37]. Вначале определим выделение тепла на
собственном сопротивлении металла порошка. Для этого надо восполь-
зоваться данными, относящимися к последнему периоду спекания, ДЛ8
которого характерно малое выделение тепла на межчастичных контак-
тах (рис. 10), Изменение собственного сопротивления металла сб врем®"
нем можно определить из удельного сопротивления сплошного металл3
(титана) при температуре спекаемого образца: оно оценивается, исход8
из величины подводимой энергии, путем вычитания энергии, идущей я8
нагрев электродов-пуансонов (рис. 11) ; при этом учитываются плошз^
сечения образца, по которому идет ток, и кинетика изменения длины о
разца (данные о длине содержатся с учетом переводного коэффици6111

paBHot»armr>JHHaH эне₽гия Здесь представлена энергетической характеристикой
(в паннам с”едению электРической мощности на число циклов переменного
ампер - |,и»-г.17аиЧ?СТ?ТЬ1 50 Гц)' Эта величина измеряется в единицах киловоЛЬ
“ цикл ,
на графике относительной плотности, см, рис. 1.0). В результате этой
оценки на конкретном примере [37] получено значение 69,1 мкОм
(рис. 12, кривая 2).

Рассмотрим сопротивление электродов-пуансонов и выделяющееся на
них р соответствии с законом Джоуля — Ленца тепло. Из измеренных ве-
личин тока и сопротивления электродов-пуансонов и коэффициента
мощности можно рассчитать количество выделяющегося тепла. В анали-
зируемом здесь примере [37] сопротивление электродов-пуансонов рав-
но 133 мкОм. Собственное сопротивление спекаемого металла составля-
ет 80,5 %, сопротивление электродов-пуансонов 16,2 %. Остающаяся
часть сопротивления цепи не поддается расчету; она составляет 33 %
(2,8 мкОм). Полагая, что на последней стадии спекания (когда относи-
тельная плотность превышает 98 %), величиной контактного сопротивле-
ния между частицами можно пренебречь, в качестве этой величины на на-
чальной и промежуточной стадиях спекания рассматривают величину со-
противления, равную полному сопротивлению за вычетом собственного
Сопротивления металла (2), сопротивления электродов-пуансонов (4) и

О 20 40 Циклы

,2500

\2000 =г
1500^
1000 \
500

просительной**,^ ЭНергетачеСкой характеристики W (I), сопротивления Я (2) и
130 МПа. vr» Ш10ГН0С™ Тотн (3) со временем электроспекания т (давление
здесь энеп^°впе?НЬ1« Уровень тока 80 %). Подводимая энергия выражается
коймощнпгти„„,кой характеристикой, являющейся произведением электричео-
на число циклов переменного тока (в данном случае f— 50 Гц)

вия и ’геоРетическ°й плотности уп, удельного электросопротивле-

^личных ЭнеР™и Wr на спекание порошка титана от температуры на

' ' иачад”^*.®1 процесса спекания:

> и — промежуточная; III — заключительная
не поддающейся расчету величины сопротивления, обозначенной
рис. 12 цифрами Л 5, б1.

Найденная таким образом величина контактного сопротивления поца.
зана на рис. 12 зоной / .Можно считать, что в частицах, как в очень
ротких проводниках, не образуются так называемые длинные области
стягивания [4, с. 189].

Ход процесса горячего прессования сравнительно мало чувствителен к
составу порошковых частиц, их форме и распределению по размерам в
отличие от процесса электроспекания, особенно его начальной стадии, в
связи С важной ролью межчастичных контактных сопротивлений.

Величина контактного сопротивления зависит от природы газовой ере-
ды, металла, дисперсности частиц [95, 96], Например, при зкеперимеи-

Рис. 12. Зависимость средней темпе-
ратуры Т, электросопротивления R
и .относительной плотности образца
7ОТН от вРемени электроспекания т:
Т -*• начальная стадия спекания;
II - промежуточная; Ш — конечная;

1 — контактное сопротивление на
участках соприкосновения порош-
ковых частиц; 2 - собственное со-
противление металла ' порошковых
частиц; 3 — контактное сопротивле-
ние на поверхностях раздела-между
порошком и электродами-пуансона-
ми; 4 — собственное сопротивление
электродов-пуансонов; 5 - контакт-
ное сопротивление площадок касания
электродов-пуансонов и плунжеров
(плит) установки; 6 внутреннее
сопротивление установки

Для некоторых условий удобно относительное разделение всего периода спе-
кания на две стадии: стадию нагрева порошковой загрузки до температуры
ния и стадию, в течение которой часть металла в приконтактных областях нахоп*^
ся в расплавленном состоянии. Исходя из условий теплового баланса, учить®
щего тепло, возникающее в порошке при прохождении через него электрическо
тока, и тепло, уходящее из зоны спекания посредством теплопроводности чер
электроды-пуансоны (а также через стенки матрицы), можно в принципе опей*"
продолжительность обеих стадий [ 91, 92). Необходимые для вычисления коли^
“ТПЯЮЩеГОСЯ тепла выражения эффективной проводимости при РазлИ^яа
порошковых частиц в условиях упругой и пластической деформаи^
* контактах приведены в работе [ 93). Одиако в общем случае про^
спекания не сводится к этим двум стадиям.
тах, аналогичных описанным в работе {37}, о железным порошком (дис-
персность dQ 44 мкм) было установлено, что вклад контактного со-
’лротивления между частицами больше, чем у титанового порошка, и вли-
яние этого фактора продолжается более длительное время [97] <

Количество тепла, выделяемого на порошке^ определяется суммой
контактного сопротивления между частицами (рис. 12, область 7) и соб-
ственного сопротивления металла (рис. 12, область 2); это тепло пред-
ставляет собой полезную часть подводимой энергии. Сопоставляя эту
величину с величиной И'., представленной на рис. 11, можно узнать изме-
нение температуры спекаемой прессовки со временем. Полученная та-
ким образом температура показана в верхней части рис. 12. Количества
тепла, выделяемые в течение времени т на составляющих цепь сопро-
тивлениях 1, 2, 4 (3,5, 6), сведены в нижней части рис, 13. В верхней
части этого рисунка показаны доли величин сопротивления или выделя-
емого количества тепла в различных участках, входящих в указанную
последовательную цепь, на различных стадиях спекания. Из рис. 13 вид-
но, что от начала спекания до времени 0,45 с большую роль играет выде-
ление тепла на контактном сопротивлении между частицами (кривая 2),
после чего увеличивается вклад выделения тепла на собственном сопро-
тивлении металла (кривая 2). В начальной стадии (г < 0,3 с) вследствие
выделения тепла на контактных сопротивлениях, сопровождаемого раз-
рушением поверхностных оксидных пленок, прдисходит преимущест-
венно нагрев соприкасающихся участков частиц. Металл на этих участ-
ках переходит в расплавленное1 или сильно размягченное состояние, и
частицы ’’скользят” друг относительно друга. Это влечет^за собой уплот-

Рис. 13, Зависимость тепловой энер-
гии и отношения Rf /R (Rf — сопро-
тивление части цепи, R — общее со-
противление) от времени электро-
спекания. Каждая область (1 -б)
изображает долю сопротивления (см.
позиции на рис. 12) и энергии соот-
ветственно на начальной (/ ), проме-
жуточной (И) и конечной (/Л) ста-1
Диях спекания

ьРаб«ге[,п^еские оценки' относящиеся к расплавлению части металла,имеются
яение прессовки подобно уплотнению при жидкофазном спекании, й0 й
первом случае уплотнению способствует и внешнее давление.-С увеличу,
пнем поверхности соприкосновения резко понижается контактное со.
противление. К концу первой (начальной) стадии энергетическая харак.
теристика достигает значения 250 и кВ-А-ц, средняя температура обРаз.
па доходит до 573 ... 623 К, относительная плотность - До 80 %.

На промежуточной (второй) стадии энергетическая характеристика
превышает 250 кВ-А-ц, средняя температура образца превосходит 623 К.
При этом контактное сопротивление между частицами почти полностью
исчезает. На этой стадии (т от 03 До 0,6 с) среди общего количества те»
ла доля, выделяемая на контактных сопротивлениях между частицами
(2), падает, доля же, выделяемая на собственном сопротивлении метал-
ла (2), с течением времени возрастает.

Аналогичная особенность характерна и для индивидуального контак-
та при электросварке встык металлических стержней. При этом можно
предположить, что основную роль в уплотнений порошка и в увеличении
поверхности соприкосновения между частицами играет процесс пласти-
ческой деформации. На этой стадии средняя температура образца дости-
гает 1073 К, относительная плотность возрастает от 80 до 90%. Начиная
с момента 0,6 с протекает третья (последняя) стадия спекания, в течение
которой вклад в выделение тепла на контактном сопротивлении между
частицами почти полностью исчезает, и нагрев идет, фактически за счет
тепла, выделяемого на собственном сопротивлении металл^. Полное со-
противление становится почти постоянным. Несмотря На наличие газона-
полненных пор (в начале стадии 10 %, в конце 2 %), образуется микро-
структура, напоминающая микроструктуру плавленого металла. Быв-
шие поверхности контакта между частицами превращаются в межзерен-
ные границы.

Из-за флуктуаций плотности, а значит и электропроводности, при при-
ложении к прессовке напряжения трк протекает неравномерно: он кон-
центрируется по линиям или трубкам наименьшего сопротивления, и
соответствующие участки прессовки подвергаются более интенсивному
локальному нагреву, чем менее проводящие Далее процесс может раз-
виваться двояким образом.

Если локальное' выделение тепла достаточно интенсивное для того>
чтобы несмотря на теплоотвод в окружающую среду произошло ра0"
плавление металла, то в порошке образуется локальный жидкометал-
лический канал, через который происходит короткое замыкание, остаДЬ'
ои же порошок остается плохо спеченным или не спеченным вообще-
нрииСЛ>И Же локальное выделение тепла не столь интенсивно, то совет'
ппп>.п Удельное сопротивление более приводящих участков метал®8
делявтг«Т^Я С пов^1Шением температуры. В результате ток перераспр*
лись мрикп,*3114 °бРазом, что по участкам, которые сначала подвер
разом памЛ*^. нагРевУ» начинает идти большая доля тока. Таким °
’ $ плохо проводившие ток участки приближаются по стел
Зо
спекания к хорошо спеченным участкам. Поэтому тенденция к ло-
яльному короткому замыканию по ’’трубкам” с наименьшим сопро-
К" пением подавляется благодаря температурной зависимости собст-
ТИнного удельного сопротивления металла. Подобное ’’саморегулиро-
в!ние” наблюдается; согласно Н.НРыкалину [170], и при сварке стерж-
® - встык ’’сопротивлением”. Упомянутое выше неравномерное рас-
пределение сопротивления по объему' спекаемого образца и возникаю-
“С иногда локальное плавление приводят к усадочным пустотам,
вследствие чего в этих условиях с повышением подводимой энергии
наблюдается понижение усредненной плотности порошкового образца.

Рассмотрим влияние размеров частиц на временной ход сопротивле-
ния и энергетической характеристики. С уменьшением размеров частиц
сопротивление увеличивается (рис. 14) [98] * Это объясняется тем, что

Рис. 14. Зависимость кажущегося со^
противления R(l-4) и энергетичес-
кой характеристики W(l' — 4') ‘от
времени спекания (эффективный
уровень тока 58 %) и размеров частиц
порошка, мкм:

А/ - 40; 2, i - 40...63; 3. ?

100... 150; 4,4' ~ 150...250

с увеличением размеров частиц уменьшается число контактных участ-
ков и увеличиваются их размеры. Доля тепловыделения, приходящая-
ся на межчастичные контакты и подверженная резкому изменению во
времени (см. выше), с увеличением размеров частиц уменьшается,
причем это тепловыделение становится более кратковременным. Учи-
^вая, что потребляемая мощность представляет собой произведение
противления порошка на квадрат силы тока, а ток определяется не
°Пько Уровнем сопротивления порошка, можно понять отсутствие
межДу размерами частиц и потребляемой мощностью

элек^К0ЛЬКУ обеспечить от одного источника эффективный подвод
соггро ИЧеск°й энергии к объекту, у которого в процессе обработки
н°. 12ИВление изменяется на 6 ... 9 порядков величины, крайне труд-
слухи^Аа прибегают к двухступенчатой обработке. Примером может
стиИе получение образцов из пермаллоевого порошка [99]. Вслед-
пРочностиЬШОГ° ИСХодного сопротивления и высокой электрической
ИИ1ельно Указанного порошка на первом этапе прикладывались срав-
ысокие напряжения. На втором этапе обработки необходи-
мые параметры тока определяются скоростью теплопередачи от
опухающие У^ Н^мер "₽“ “о^ре™
пбпазпа 2 г 2 см время прогрева т^ г /ам составляет 10 с (а
температуропроводаости) - to* прорва

С повышением температуры на ДГ- 1273К за такое время необхо.
дим ток I - 10 А ** ‘ В (И с

R- масса, удельная теплоемкость и сопротивление образца соотве®.
СТВПм°1чень высоких скоростях нагрева порошковых заготовок воз.
можно протекание диффузионных и: бездиффузионных фазовых прев,
ращений аналогично тому,.что наблюдается при электротермической
обработке сплошных (непорошковых) сплавов [100].

Существенные особенности хода спекания могут возникнуть под влиянием
слабопроводящих или непроводящих Пленок на поверхности частиц (см. рщ.
дел 1). Отношения удельных сопротивлений порошкообразных и сплошных ма-
териалов сильно различаются в зависимости от их сродства к кислороду, а так-
же от твердости. Значения Рп/рм '(Рд удельное сопротивление металлическо-
го порошка, р — удельное сопротивление сплошного металла при той же тем-
пературе) для1олота и серебра сравнительно невелики, ибо на их поверхноста
отсутствуют оксидные пленки, а для железа, меди, сурьмы, вольфрама - во мно-
го раз выше вследствие образования оксидных пленок ^[4,с. 190] (о сильном
влиянии поверхностного окисления на контактное сопротивление металлических
пар см. раздел 2).

Если считать, что порошок состоит из равновеликих сферических частиц, покры-
тых оксидными пленками одинаковой толщины с диэлектрической проницаемо-
стью ed, Ф/м, то условие пробоя прессовки постоянным электрическим полем
выражается соотношением [101]

Ud>l9Ed\9 (1 + 2ф’)+2(1-ф3)]/9,
где Ud - напряжение пробоя, В; — средняя длина линий тока в прессовке, см;
Ed - пробивная напряженность оксида, В/см; <? - е ^/е в (е — диэлектрическая
проницаемость воздуха, Ф/м); ф = г1/г'г (г, радиус металлического ядра ча-
стиц, см; г 3 — радиус внешней поверхности оксидной пленки, см).

Реальная проводимость прессовок из порошковых частиц с поверхностными ок-
пленками может оцениваться на основе полузмпирических закономерно-
стей [87]. е

ияг-^л^аКТИКИ поРОШков°й металлургии известно, что поверхностные пленки (в
_ ОКСИДНЫе) при обычном спекании могут играть роль как замедляюше-

новосст™пп^°₽ЯЮЩеГО ФакгоРа: замедление имеет место в случае прочных трУД"
мео волоппп^<Ы5г ппвнок, ускорение — при восстановлении пленок газом, яахф
трштесютм ("стиви₽ованное спекание) [ 102, с. 87]. В случае спекания эле»
барьерами на пути пленок также может быть двояким: либо они слУ*#
ствуют спеканюо ождения электрического тока, и, следовательно, пРе“*£
^способствуетактивации спекая инициируется множественное искре®1
поверхности^^ ЭлектРического тока через прессовку из порошков
значительной ст₽™КСИДНЫМИ пленками на частицах часто позволяет
Демонстрировано пХ Очистить частицы от указанных пленок. Это пр^
ку из алюминиеипг^?61*1 1Ч)ОпУС1С8Ния импульсного тока через прес00
40 порошка (здесь речь идет о применении импУ716^
кого тока не для спекания, а для очистки частиц) . Спекаемость (спо-
собность спекаться при обычном нагреве) обработанного таким элек*
трическим разрядом порошка резка улучшилась по сравнению с необ-
работанным порошком [103]. Если прессовка обладает высоким на-
чальным сопротивлением, то повторное прессование или спекание мо-
жет вызывать быстрое и значительное понижение сопротивления цри
прессовании такое явление наблюдалось, например, на железном по-
рошке [104]. Быстрое падение сопротивления характерно и .для спе-
кания как электрическим током, так и обычного [171]. Это падение
сопротивления обусловлено образованием и ростом металлического
контакта между частицами [105, с. 21]. Как уже указывалось, спека-
ние подобного рода прессовок лучше осуществлять по даухстадийной,
а не одностадийной программе. Напряжение и ток Для первой стадии
целесообразно установить такими, чтобы сопротивление прессовки
понизилось, время же спекания должно быть таким, чтобы достичь
этой цели без ее перегрева. Обработка на второй стадии призвана обес-
печить более полное спекание.

Длительное спекание постоянным электрическим током металлов или
металлических сплавов при температурах, составляющих 0,8 0,9 от

температуры плавления (или точки солидуса), приводит к концентрации
пор преимущественно вблизи катода и к заметному росту зерен вблизи
анода [3]. Это явление наблюдалось при электроспекании порошков из
никеля, оловянистой бронзы, сталей. Поры под влиянием внешнего
электрического поля и тока через кристаллическое тело (металл) могут
двигаться; закономерности такого, движения пор изложены в [106,
с. 107].

Ход уплотнения при спекании электрическим током можно описывать
уравнениями, относящимися к горячему прессованию или спеканию под
давле'нием. Поскольку к условиям спекания электрическим током при
одноосном нагружении близок случай неоднородной объемной деформа-
ции, то процесс уплотнения можно характеризовать уравнением [107,
с. 71; 108, с. 65]

~(5л+1)/2 .

2™_____________ d7oTH_= фр\ (36)

(1 _ (л + 1)/2 dr

'отн

гДе 7ОТИ — относительная плотность образца; г — время, с; р — внешнее
Давление, Па; п — постоянная; Ф - (С/кТ) exp (— EjkT), в которой
постоянный множитель; к — .постоянная Больцмана; Т — температура,
К; Еа — энергия активации, Дж. .

В уравнении (36) шолагают, что влияние капиллярного (лапласов к
г°) Давления и диссипации энергии в ходе спекания и уплотнения прене
Режимо малы. Если режим спекания обеспечивает постоянство давления
и температуры, то для описания уплотнения можно воспользоваться вы-
жжениями, относящимися к соответствующему случаю горячего пресс_
с. 71]- При значительной доле закрытой лор^тости-след^
бывать газовое давление в порах (в этом случае оно считается отрТ
тельным ибо препятствует уплотнению). Уплотнение пористого вязкого
тела при одностороннем сжатии в пресс-форме описывается уравнение
[108, с. 63]

Тотн (2 ~ Тотя)_______d7oTH _ _р_____ ,

(1 - 7отн) (2 + Тотн) dr 3 41

(37)

где р - давление, Па; т - коэффициент сдвиговой вязкости твердой
фазы, образующей пористое тело, Па-с.

Учет некоторых факторов (трение о стенки пресс-формы, высота и
диаметр пресс-формы) влияет на правую часть уравнения-(37). Иной ма-
тематический формализм для описания уплотнения порошка при спека-
нии "сопротивлением” получается f 128] в случае использования модели
полых сфер [133]. Эта теория позволяет, в частности, проанализировать
различные режимы электрического спекания под давлением и понять,
почему в том или ином случае процесс протекает без ’’выплеска” или с
"выплеском” [187].

Наряду с уплотнением следует принимать во внимание проникнове-
ние в металл кислорода и азота/заключенных в порах, их диффузию и,
реакции в твердой фазе с возможным образованием оксидов, нитридов,
оксинитридов [125].

Явления на поздних стадиях спекания постоянным током ничем суще-
ственно не отличаются от явлений в монолитных металлах и сплавах
[Ю9].

Спекание импульсным током

В этом виде обработки используется ток от конденсаторов, трансфор-
матора или какого-либо генератора, при этом к порошку прикладывает-
ся постоянное давление, которое к концу процесса может либо остаться
на том же уровне, либо измениться.

Типичный пример импульсного спекания — процесс с использование^

15. Схема установки для спекания электриче-
ским импульсом:

*онденсат°рная батарея; 2 - разрядник; 3, б -
ба)^т?-~ матРица (изолирующая тру-
оазряда в конденсаторной установке, гхема которой приведена на
* с. 15. В таком процессе электричество, запасенное в батарее конденсат
Lp5b в ходе разряда батареи проходит через порошок, засыпанный в
новирующую пресс-форму. При этом происходит нагрев и спекание

частиц. Одновременна ток порождает интенсивное азимутальное магнит-
ное пЬле. В результате взаимодействия магнитного поля с порождающим
его током возникают силы стремящиеся обжать порошок в радиальном
направлении. Поэтому после- такого разряда спеченная заготовка, как
правило, свободно вынимается из пресс-формы. Следует однако, помнить
что заметная усадка вследствие указанного обжатия имеет место лишь в

случае значений энергии в определенном интервале. Этот энергетический
интервал зависит от массы и природы материала порошка, а также от
размеров образца.

Ток цри слишком высокой энергии разряда сначала приводит к плав-

лению столба порошка в его центре по всей высоте, а при еще более вы-

сокой энергии — к его деструкции, как в случае электрически взрываю-
щихся проволочек. Слишком малая энергия разряда порождает недоста-
точно сильное магнитное поле, чтобы произошло обжатие порошкового
столба. Процесс зависит от ряда параметров электрической цепи и харак-
теристик порошка, которые влияют в конечном счетеда свойства полу-
чаемой заготовки1 (см. также [111 ]). В общем случае при разряде через
порошок можно выделить пять стадий [20,112]:

1) разрушение поверхностных примесных (например, оксидных) сло-
ев между смежными частицами в осевом направлении при приложении
критического напряжения, специфичного для данного порошкового ма-
териала и конкретных геометрических размеров загрузки; резко возрас-
тающий ток идет по путям наименьшего сопротивления, сопротивление
загрузки почти мгновенно падает;

2) межчастичное спекание с образованием параллельных направлению
протекания тока проводников в виде ’’гирлянд” или ’’нитей”, между час-
тицами образуются все большие шейки, это должно сопровождаться
Дальнейшим падением сопротивления, однако нагрев повышает сопро-
тивление частиц в объеме; когда межчастичное спекание перестает вли-.
ять на общее сопротивление, его рост вследствие нагрева может оказать-
ся преобладающим;

3) возникающее вследствие пинч-эффекта обжатие ’’нитей” и, как
следствие, дальнейшее разрушение поверхностных примесных слоев
между частицами, контактирующими в радиальном и азимутальном на-
бавлениях,и следующее за ним усиленное припекание в этих направле-
4) прохождение тока кякпо сплошному металлу яерез уже orw>
певшиеся юиД^“^е^габиш.нос™ ипв электровзрыв.

5) дезинтеграция»по Р бчат0Й пресс-форме, содержащей засыпу
Рассмотрим процесс f обоиХ концов контактирующими с пот

ный порошок и 3™*Ы1 Г1101. Как показали опыты, получаемые
ком электродами (см^р ^й ‘плотностью (до 60 %), однако их пр*
«да« проведения последующей обработки, в частное^
механической. омерности процесса прохождения тока в после.

Проанализируем₽ конденсатОрную батарею емкостью С, щ.
довательнои деш, ский пороШКОвЫЙ образец с сопротивлевд.

ТГ^юсть электроимпульсного спекания порошка заюп»
™ « том что сопротивление R изменяется в ходе спекания. Как ив
Примем, что е течением времени спекания т сопротивление
порошка R (т) , Ом, изменяется по закону

(38)

w, - ws w3

R(r) = w0 + •=— + -------— +---------+

47 r+r. (r+r0)2 (r+T0)3

где wB, Ом-с" («=0, 1, 2,...); т0, с, — постоянные параметры. Найдем
выражения для напряжения Цт) , В, и тока I (т) , А, при начальных ус-

ловиях:

£7(0)=^; I (0) = 0 .

(39)

Напряжение в цепи установка — порршковая загрузка (эквивалентная
схема показана-на рис. 16) подчиняется дифференциальному уравнению

VU + Я(т> + U = 0
dr* I dr. IC

(40)

где! — индуктивность,Г; С — емкость,Ф.

Сначала рассмотрим процесс при условии

R1 (т) >4L/C, (41)

сопротивлениеицепи. Ппи этпк?ШК°В°Г0 °$Pa31*a превышает реактивное
от состояния межчастичньтч- Иметь в ВИДУ> что в зависимое»

актов приложение разности потенции

Рис. 16. Эквивалентная электрическая^
конденсаторной установки для спекани»
пульсным током
ожет приводить к весьма различным результатам (см. раздел 3)
??141 Выше уже указывалось, что через прессовки, чье удельное сопро-
ение в направлении прохождения тока не менее 0,1 Ом-см, будет
^^одить ток, недостаточный для спекания. В дальнейшем рассмотре-
будем считать, что условия для прохождения тока, способного обес-
СПек^ние порошка, существуют и не возникает так называемое
° алирование (локальный пробой порошковой заготовки). В случае
полпенни условия (41) электрический разряд имеет апериодический
характер. Напряжение при учете начальных условий (39) описывается
выражением

Ua rR(r') ,

г- 9 ....-...— ехр [ - dr'] X

V[/?(0)/(2£) ]а - 1/(LC) о 2L

х [ dr-

1 2Z 0 2Z LC 2L

XAJr/(—)’
o 2L LC

(42)

где R(t) дается формулой (38); сопротивление же порошка в началь-
ный момент получается из (38) при т = 0:

Л(0) = w0+2^+-2^ + Ль + . (43)

Формула для тока получается из соотношейия I = - Cd£//dr с исполь-
зованием выражения (42):

и9с

V*(0)/(2£)a - 1/(LC)

exp Г — S —1— dr ] X
о 2L

X ch

r(t').2 i

- — ]sh
LC о

dr' _ [£<0>

R(T) _ J_

2L LC

1
LC

dr'

(44)

МениСколькУ в уравнении (41) коэффициент при dU/дт зависит от вре-
метрад ^Р^ениях (42) и (44) под знаком гиперболических тригоно-
получа^13131 ФУНК-111™ стоят не произведения, содержащие время т (что
и при^СЯ при R ~ Const [115, с. 103]), а интегралы, получающиеся как
Шении радиального волнового уравнения.
Входящие в формулы (42) и (44) выражения можно вычислить,^

пользуя (38):

4 Lb

• = + In

2L 2L

___— d/ « vr +
LC

т0 2£га(т0+т)
(wt/2Z ) г + т0

(w,/2£)* + 0%/2£) (w,/2L) *

+ f 2 v

]Х

где v — частота, определяемая как

р = V(w®/^) 2 1/ (£С), с 1

Перейдем к процессу, протекающему при выполнении неравенства,
обратного неравенству (42):

Я2(т)<41/С. (45)

В этом случае разряд имеет характер затухающего колебательного
процесса. Для напряжения и тока получаются следующие выражения1:

lZ=(70exp [ - f 'dr' ] (cos X + ----------— sin X], (46)

о 2L 2Z(dK/dr)r=0

/= CVoexp[-
о 2L

X cosX+[____

4£* (dX/dr)T=0

dr’]

dx ,

-— J sin X
dr

R (0)- dx/ dr

2L (dX/drj

]X
r =0

(47)

где X= (^kJ)3dT* _ (w0/2£) (w,/2£) y

X In —*r>--[ 3 + (w9/2L) (w3/L) (w0/2Z,y S(w,/2L) ’ , x

T* 2П 2^1 J

точное ИВавТСЯ разряд дая условия (45), приведено

ка i см. формулу (7) в указанной работе I.
dx _ n „ _ (W|/2£)»+

= * Я ( т +r0) 20 +

<*»/2£>* ] ____!___ + ...

+ 2Я ’ (t + Tq)’ ’

dx I = n_ (^о/гр^/гг) _ jyt/2£)*»(W,/2£)(W>/£)

dr I т= 0 П f0 2SI

(w0/2I)’(w1/2I)’ 1

+ --------------- J -7 + • • • ,

2Я9 r«

При wn = 0 (n = 1, 2,... ) решения (46), (47) сводятся к известным
выражениям [111; 115, с. 96]. Формула для тока принимает вид

I е~Рт sin cjt ,

где 0 ~ декоемент затухания (0 ~R[2L), с”1: со — круговая частота*
(« = \П/(£С) - (RI2LY ), с ,

Формулы (44) и (47) справедливы для случая, когда R изменяется
главно в течение процесса, и не справедливы для внезапных изменении
, которые могут происходить, например, вследствие взрывообразного
ХГ* оксидньк плеиок в результате нагрева до высокой темпе*

Своеобразная ситуация возникает, когда в ходе разряда происходит
его рода инверсия, т.е. переход от условия (49) к условию (45):

*(т/)=4£/С,

(48)

Так * * ' j

°Дичес№’П₽°ЦеСС должен сначала (0 < т < т,-) развиваться, как апери-
3атухавди^.’-СОГЛасно Решению (44), а начиная с момента т = т;. — как
®место и И ПеРи°ДИческий, согласно решению (47), в которое, однако,
времени поЦолжно ®ыть подставлено U (rf ) по формуле (44), и отсчет
«тс» от тздЛЖеН вестись от момента т{ (рис, 17, в). Это резко отлича-
*Уре (см г?’ЧТ0 обычно наблюдается при разряде в колебательном кон*

• Рис. 171 б); сначала (при т < тп) Ток представляется затухаю-

llll‘jBat0» Формуле

Должно быть 1/ (LC), а не 1/QLC) *, как написано в работе
Рис. 17. Временные зависимости тока при разряде конденсатора через порошо
переходом от апериодического (т < тг- ) разряда к затухающему периодическом'
(т > т/ ) разряду (а) и от затухающего периодического разряда (т < т») к
одическому (т >тп) разряду ( б). Штриховая линия - функция тока, которой они.
сывался бы процесс при сохранении апериодического характера разряда, т.е пли
отсутствии перехода от первого неравенства к третьему в (48) ! • • щ>и

щей синусоидой, а с момента времена г =г , когда параметры цепи на-
чинают подчиняться второму и первому из соотношений (48) R2 > 4L/C
(причиной этого может быть, например, повышение сопротивления ак-
тивной нагрузки благодаря нагреву согласно закону Джоуля - Ленца),
процесс приобретает апериодический характер, и ток асимптотически ис-
чезает при т

Такого рода эффект можно ожидать не только при спекании порош-
ка, но и при использовании в контуре любого уменьшающегося со вре-
менем активного сопротивления. Кроме того, что порошковые частицы
благодаря току припекаются одна к другой, порошок при пропускании
тока, как уже указывалось, подвергается обжатию электромагнитными
силами. Если ток равномерно (с одинаковой плотностью) распределен
по сечению цилиндрического порошкового столба радиуса г о, то давле-
ние р (г ), Па, в нем может быть определено по формуле [117]

Р<Г) —

(49)

4я’г{
где д0 = 1,256 • 10"6 г/м (магнитная постоянная); г — радиальная ко-
ордината, м; I — сила тока, А.

Распределение давления (49) аналогично распределению давления в
проводящем жидком столбе с током [119] (схематическое
ние см. на рис. 18, а). Для определения давления в ходе разряда в
мулу (49) следует подставить в случае апериодического разряда вР
жение (44), в случае периодического — выражение (47). .Из Ф0?1*1^^.
(49) следует, что давление на разных расстояниях от оси прессовкир^,
личное. Чтобы определить уплотнение при том или ином 3Ha4eiDtLna
допустимо в первом приближении воспользоваться уравнением
00. Однако, поскольку давление существенно зависит от пр°стР ас1.
венной координаты, рассматривать процесс следует локально для
ков с данным значением давления. Кроме того, в связи с неизотер^
ностью процесса следует учитывать временную зависимость коэфф
48
Рис. 18. Пинч-эффект в спекаемом порошке и эпюры давления pt

а - однородное распределение тока/ в проводящем столбе порошка (/е=1/з ~
постоянная, s - площадь поперечного сечения; индукция В имеет азимутальное на-
правление сила[ J , В] — радиальное направление к оси проводника; б — провод-
ник с поверхностным током

ента $ , входящего в уравнение (36). В случае прохождения тока прей- „
мущественно по поверхностному слою образца его обжатие, как целого,
более адэкватно будет описываться уравнением типа

ч (я+1)/2 dr

'отнч * * 7 * *

и — показатель степени, который отличается от соответствующего пока-
зателя в уравнении (36). Однако необходимо помнить, что при опреде-
ленных условиях возможно не сжимающее, а распирающее действие
электромагнитных сил, что связано с так называемым обратным скин-
эффектом.

Сопротивление порошка может быть определено путем измерении
разности потенциалов на концах порошкового столба — U\ — Ui>
мгновенных значений тока и скорости его изменения.

Действительно, исходя из уравнения
d(£/)/dr +/?/+(/= о,

Равносильного уравнению (41), получаем1

Н1э>С1>0таетствУ10Щее выражение в работе С.Аль-Хасани Гем. формулу (6) в
1J записано неточно.
R^(AU-LndI/Ат)11 ,

где L — индуктивность порошкового столба, Г; AU— разностьтютенцп.
алов на концах прессовки, В; I — ток, проходящий через прессовку, д

Для железного порошка состава 0,01 % S, 0*014 % Р, 0,02 %.Si, 0,31 %
Мп 031 % Ni, 0,38 % Сг, 0,58 % Мо, 0,012% Sn, 0,09 % Си, остальное ре
(дисперсность 37 ... 211 мкм) кривая сопротивления резко падает, затем
проходит через минимум и постепенно возрастает (рис. 19, а). Для сталь
кого порошка состава 0,02 % С, 0,018 % S, 0,012 % Р, 0,63 % Si, 0,29 %
остальное Fe (дисперсность 37 ... 211 мкм) в тех же условиях разряда на
кривой сопротивления обнаруживается перегиб, за которым следуют па-
дение и дальнейший рост (рис. 19, б). Перегиб на кривой, вероятно, про.
исходит вследствие упоминавшегося выше разрушения оксидных пле-
нок между частицами, контактирующими в радиальном и азимутальном
направлениях, и, кроме того, в результате действия контактных механи-
ческих напряжений и термического размягчения [112].

Рассмотрим эффективное внешнее давление рэф, которое действует
по радиальным направлениям к оси порошкового столба. Мощность
(скорость выполнения механической работы) Р, которая тратится на
уменьшение внешнего радиуса стержня с радиальной скоростью v г, м/с,
запишем в виде 2 яг оРЭф^ rl (J т высота столба порошка, м). Уравне-
ние энергетического баланса имеет вид:

— (J£ + £25) + ?Д + Р = 0 ,
dr 2 2

(51)

где выражение в скобках — общая энергия емкостно-индуктивной части
цепи, Дж; Р — мощность, развиваемая при выполнении механической
работы обжатия порошка, Вт; I2R — тепловая энергия, порождаемая
током в единицу времени на активном сопротивлении, согласно закону
Джоуля — Ленца (тепловая мощность), Вт.

иг,кВ иькВ

5г 12 \--

1,кА й,0м

и2,кВ U^kB

к о

-1

Г -4

R I

*Г 4

О 0

-40

120

‘8

0,5 /L

“7|—

1,0 2-

Г#

Д5

120

ВО

40
0

-40

1,кА Й.Ом

1^-1^

ou r’c ° 3° 60 кового

Рис. 19. Мгновенные значения напряжения на обоих концах и cran^Lj

I/, и иг, тока 1 и рассчитанного сопротивления Я из железно выс°

(б) порошка. Разряд с напряжения 7 кВ проходил через столо у
100 и диаметром 3,7 мм

8
Если считать, что полная электромагнитная энергия индуктивно-емко-
ой части цепи тратится на обжатие, то из уравнения (51) получаем

d£

р = ----------;---- (52)

*эф 4nrtl dr 0

Выражения (49) и (52) показывают, что порождаемое током давле-
ние пропорционально 12.

Теперь рассмотрим процесс в порошковом столбе с высокой проводи-
мостью. В этом случае ток и магнитное поле не Диффундируют заметно
в глубь проводника за время процесса [117]. Поэтому можно считать,
что в порошковом столбе ток течет по поверхностному слою (см.
рис. 18, б). Это напоминает условия обжатия порошка в металлической
трубе, через которую пропускают ток. Полагаем, что внутри проводника
нет тока и магнитного поля и магнитная проницаемость д — константа.
Давление и магнитное поле изменяются почти дисконтинуально в поверх-
ностном слое, в котором действует радиальная сила. Тогда -

[7в*]= ДоД[rot Н-Н] = yif-HonVtH2/!) ,

внутри слоя ДоД(ЯТ)Я — НоуЛР/т 0, в то время как 1V ДодЯ3/!) I ~
'-додЯ’/ЗуГо, (r<)-радиус порошкового столба, м; 3^—толщина токо-
несущего слоя, м); В-магнитная индукция, Г; д0Д — абсолютная
магнитная проницаемость, Г/м; Н — напряженность магнитного поля,
Л/м).

Член дод (Я У)Я пренебрежим по сравнению с членом додТ(Я2/2).
Итак, на порошок в этом случае действует давление

Р = ДодЯ2/2 = В2/(2д0д), (53)

W Н, В - значения напряженности магнитного поля и индукции непо-
^дственно у поверхности порошкового столба соответственно.

Конечная плотность образца с возрастанием его длины понижается,
связано с уменьшением силы тока и порождаемого им давления.

Указывают Б.РЛазаренко, НИЛазаренко и В.Р Лазаренко1, при
плевдСКаНИИ Рада импульсов тока в ходе разрушения поверхностных
ме^ду В03НИКает множество электроэрозионных процессов на стыках
* тоже430™48*01’ в Результате заготовка в целом нагревается слабо, и
ми однаВРеМЯ металлические частицы оказываются прочно припеченны-
о&разца Повторные разряды повышают плотность и прочность

еьойстп^. №aK0 свыше определенного числа разрядов механические

ОпытыТжет"°ВЬ1шаются-

Чт° Диаметп *елезным и стальным порошками свидетельствуют о том,
Р 0 РДзца при обжатии уменьшается вдоль его длины.

в $ 1964, 1Лазаренко Б.Р., Лазаренко НМ., Лазаренко BJP. — Опубл.
В любом проводнике пропускаемый ^высокочастотный ток и поро^,
даемое им магнитное поле неравномерно распределяются по сечению.
Когда разряд периодический, ток протекает преимущественно по поверю
костному слою. Поэтому заготовки имеют хуже спеченную и уплотнен-
ную серущевину, которая иногда может быть выбита, и от образца оста-
нется полая труба с различной толщиной стенки [111,123].

Особенности разряда существенно зависят от дисперсности частиц. По
мнению С-Аль-Хасани, порошок из более крупнодисперсных частиц легче
превращается в плотный материал, чем из мелкодисперсных. В случае по-
лидисперсного порошка благодаря заполнению вершин и внутренних уг-
лов в полостях пресс-форм преимущественно крупными фракциями уп-
лотнение и воспроизведение формы будет лучше, чем в случае мелкого
монодисперсного порошка [124]. Типичное время разряда (~ 100 мкс)
слишком мало, чтобы могли пройти заметные диффузионные процессы
или перенос металла по механизму испарение,— конденсация. Если при-
лагать еще и импульсное механическое давление, то уплотнения порош-
ковой заготовки можно достичь путем сдвигов начала и конца импуль-
сов тока и давления1.

Как уже указывалось, при слишком большом исходном напряжении в порошко-
вой заготовке может произойти местный пробой. Такое явление наблюдалось, наг
пример, при спекании импульсным током загрузки массой 5 г порошка нержаве-
ющей (хромоникелевой) стали: после разряда с исходного напряжения 4,5 кВ по-
лучался однородно плотный стержень длиной 45 и диаметром 6 мм; в случае исход-
ного напряжения свыше 6 кВ разрядный ток проходил по столбу порошка неравно-
мерно, в результате чего в местах его прохождения наблюдалось локальное оплав-
ление. При увеличении размеров порошкового образца верхний предел напряже-
ния, при котором получается заготовка однородной плотности, повышается (123].
Пробой наблюдался и на других порошковых образцах: из пермаллоя (99], желе-
за, циркония (139].

Условия возникновения пробоя в порошковых материалах проанализированы .
в работе (139]. В поперечных направлениях контакт между частицами устанавли-
вается преимущественно механически в результате сдавливания. Прочность сырых
прессовок из железного порошка с относительной плотностью 40 ... 60 % равна
2,5 ... 5 МПа. Прочность образцов из того же порошка с такой же плотностью, из-
готовленных с помощью высоковольтного разряда, в 10 раз выше: она достигает
20 % от прочности беспористого литого материала (20]. Легкие заготовки после
разряда иногда выбрасываются из пресс-формы. Это может происходить вследст-
вие возрастания температуры газов, заключенных в порах. Расширяясь, газы вы-
талкивают из трубчатой матрицы электроды-пуансоны, вслед за этим может по-
следовать и выброс заготовки.

При напряжениях ниже некоторого порогового значения также не происходит
однородного спекания, что наблюдалось, например, на никелевом порошке. При
м проявляются пути преимущественного прохождения парциальных токов-
Электронно-микроскопическое исследование позволило обнаружить ’’нити” из
спетенных частиц, выстроившихся почти параллельно оси образца, как бы обозна-
чающих собой локальные пути разряда.

Пат. 1243706 (Великобритания), 1981.
„ "нитей”.или ’’волокон” из спеченных частиц пермал-
’’^^спекании под действием тока с частотой 50 Гц: с увеличу
н Ф Лекание волокна ветвятся л. замыкаются между собой,
лО??эн^озаТраТ И металлический каркас [99]. Иногда наблюдается
*** бы * ^пазца на цилиндры, более короткие, чем весь образец,
место> например, в результате спекания медного по-

ррдоаН1-31 пегулированию длительности импульсов, когда их не-
БдаГ°ЯаРЯетсяУ поддерживать необходимый'температурный режим
сколько, удае™ ' Такой режим электроспекания оказался эффек-
спекаемого ° волокон с целью получения, например, порис-

^^е^Дов Для аккумуляторов (диаметр волокон 10 мкм, их
^ГЙЯ 3 -.Юсм)1-

обработке порошков импульсными токами исходное напря-
ПРИ может иметь весьма высокие значения. Например, согласно ме-
*5 к порошку прилагается разность потенциалов 105,... 107 В,
е может составлять 107 ... Ю8 МПа. Таким способом обраба-
^лись композиции 97 % Mg + 3 % MgO, 97 % Be + 3 % ВеО (дисперс-
ность порошков < 44 мкм) в матрице из оксида алюминия, которая
находилась в бандаже из стали.

Спекание с программированным нагружением ~

При электроспекании порошков большое значение имеют временные
зависимости механического и электрического воздействия и их взаимо-
связь. Простейшим примером непостоянного механического воздейст-
вия может служить нарастающее нагружение, когда электроды-пуансоны
движутся навстречу один другому3 . Однако большего результата можно
достичь при иных программах механического нагружения.

В разделе 1 гл. 1 указывалось, что в зависимости от состояния межчас-
вниото контакта приложение разности потенциалов может приводить к
МС1Ма различным явлениям. Важно, что при более высоком сопротив-
лении межчастичного контакта по сравнению с сопротивлением металла
в глубине порошковой частицы возможно гораздо более интенсивное вы-
ятелмХТеПЛа В Рай°не этого контакта, чем в объеме частицы. Это обсто-
ков » Успешно используется в одном из способов спекания порош-
да током ~ в электроразрядном спекании (ЭРС); иног-

Элеет^ЧеССназывают электроискровым спеканием..

занных Спекание, как правило, состоит из двух тесно свя-

слбой стадий. Первая стадия включает пропускание элек-

%. 120675, (ФРГ), 1965.
Пя. 3320059, (США), 1967.
* Пи. 2372605, (США), 1945.
трического тока через слабо спрессованный порошок; при этом намна.
гих межчастичных контактах возникает искрение, сопровождающее,,
разрушением поверхностных оксидных пленок, которые почти всегда
имеются на частицах. Таким образом, в исходном состоянии между
типами возникают относительно слабые контактные связи при механц.
ческом давлении 10 МПа, что обусловливает при Пропускании элек.
трического тока пространственный разряд внутри засыпки порошка?
Для спекания используется обычно суперпозиция постоянного и пере,
менного токов (пульсирующий ток). Однако возможно использование
и переменного тока, в частности, тока промышленной частоты.

Следует отметить, что существенное изменение состояния поверхно.
ста частиц наблюдается и при обработке лишь одним высокочастотным
током [129]. Например, в массе предварительно окисленного железно-
То порошка (размер частиц ~250 мкм) в результате пропускания тока
частотой 1 МГц возникало интенсивное искрообразование, и, как
следствие, существенно повышался4 коэффициент полусферического
отражения света, характеризующего долю металлической поверхности
частиц [130,131].

Ниже приведены данные (среднеквадратичные из пяти значений), ил-
люстрирующие влияние обработки на коэффициент отражения по-
рошка:

Время обработки, с . . .

I... 5 5 .... 10 Ю... 15 20 (нет ис-

крения

Коэффициент отраже-
ния, % :

до обработки . . .. .

После обработки. . . ,

7,0 6,2 6,4

7,5 9,0 12,5

8.4

8,4

Таким образом, искровой разряд создает необходимые предпосылки
для припекания частиц одна к другой. Далее процесс'переходит во вто-
рую стадию, состоящую в образовании металлических контактов между
частицами и.уплотнении порошкового тела. Вторая стадия протекает при
увеличенной силе тока и под более высоким давлением, чем первая. Од-
нако это повышенное давление в конце процесса в 10 ... 20 раз ниже дав-
ления при холодном прессовании, что позволяет использовать для элек-
^разрядного спекания менее мощное прессовое оборудование [64] •
емпература достигает максимального значения в конце периода дейст-
вия повышенного давления. После этого ток отключают, давление меД‘
пенно понижают в течение периода охлаждения,

В первой (искровой) стадии плотность тока составляет несколько ам-
пер на квадратный сантиметр, во второй стадии (консолидации) она
жет достигать нескольких килоампер на квадратный сантиметр [132]-
установить закономерность уплотнения можно, исходя из дифферент1'

1 Пат. 3241956 (США), 1966.
ального уравнения тапа (36), но с учетом временной и, возможно, про-
странственной зависимости давления р и коэффициента ф.

Особенности процесса электроразрядного спекания удается выяснить
при использовании в качестве объекта порошков с поверхностными оксид-
ными пленками разной толщины (на частицах никеля, например, такие
пленки создавались искусственно [114]). Как было показано выше, суще-
ственным отличием электроразрядного спекания от горячего прессования
является применение предварительного уплотнения под таким небольшим
давлением, что при приложении разности потенциалов обеспечиваются
условия для образования между соседними частицами искрового разря-
да. В результате за счет ионных столкновений в промежутках между час-
тицами и на поверхности частиц происходит интенсивное тепловыделе-
ние, значительно превышающее обычный нагрев за счет джоулева тепла.

В порошковом теле возникают диффузионные процессы: диффузия
в твердых частицах и на их поверхности, а также электроперенос ионов
в межчастичном пространстве под действием приложенного электричес-
кого поля. Между частицами возникают перемычки из расплавленного
металла. Одновременно за счет ионных столкновений и увеличения тем-
пературы приповерхностных участков происходит интенсивная очистка
поверхности частиц порошка1, что приводит к интенсификации процесса
спекания. Кроме того, оксидные пленки на металлах имеют гораздо
меньшую работу выхода термоэлектронной эмиссии по сравнению с
чистыми металлами. Поэтому плотность электронного потока между
окисленными с поверхности металлическими частицами при приложе-
нии между ними разности потенциалов значительно выше, чем между
чистыми поверхностями. Последнее, вероятно, существенно активизи-
рует физико-химическую обработку поверхности частиц и способству-
ет таким путем процессу спекания (об очистке поверхности частиц го-
ворилось выше).

Показателем важности давления подпрессовки может служить зави-
симость пористости спеченных образцов от указанного параметра. Эта
зависимость имеет немонотонный характер (рис. 20, а). Для порошка
электролитического никеля (степень окисленности 0,06 %) соответст-
вующая кривая имеет минимум при давлении подпрессовки 1,57 . . .
1>96 МПа. С ростом степени окисленности порошка минимум смещает-
ся в сторону больших давлений (рис. 20, а, кривая 2). При давлении
подпрессовки ниже критического значения происходит локальный элек-
трический пробой, в результате которого в образце возникает довольно
олыпой канал, где проходил ток пробоя, причем порошок в нем не спе-
шен, а проплавлен. Иногда такие каналы пробоя проходят не в одном, а

Двух — трех местах. Давление подпрессовки, не меньшее критическо-

Пат. 12491 (Япония), 1968.
Рис. 20. Зависимость пористости ? и усадки ДЛ образцов из порошка электролити-
ческого никеля, содержащего 0,06 (/) и 0,12 О, (2) (пунктиром обозначен предпо-
ложительный ход кривой в районе максимума)

го, обеспечивает рассредоточение большого канала пробоя на множест*
во малых, причем они более или менее равномерно распределяются по
всему объему прессовки. Значение ’ критического давления подпрессов-
ки соответствует минимумам на кривых, приведенных на рис. 20, а.
Аналогичные результаты получены и при опытах с алюминиевым порош-
ком [114].

Повышение давления подпрессовки от нуля До критического значения

приводит к увеличению до максимального количества межчастичных
промежутков, в которых происходит электрический разряд. Возникшие
микродуги сваривают соседние частицы, при этом максимальному выде-
лению тепловой энергии в межчастичных контактах соответствует мини-
мальная пористость на обеих кривых (рис. 20,а)«Из сказанного выше
понятно существование максимума на зависимости усадки от давления
подпрессовки при электроразрядном спекании (рис. 20, б). Изображен-
ная на рис. 20, б кривая описывает усадку Электролитического никеля
дисперсностью < 50 мкм, обработанного по режимам: суперпозиция
постоянного (400 А/см2) и переменного (100 А/см2,2 кГц) токов в те-
чение 60 с при давлениях подпрессовки, укачанных на этом рисунке,
затем воздействие прежней суперпозиции токов в течение 15 с под да®'
лением 196 МПа [134].

Давление подпрессовки существенно влияет и на механические свой-
ства спеченных сплавов. Например, наряду с плотностью твердость и
ударная вязкость композиции [80 % (по массе) Си + 20 % (по массе)
Sn] — электрокорунд максимальны при давлениях подпрессовки 3,3я
6,6 МПа, заметно снижаются при давлениях подпрессовки 9,9 и 13,2 Ml
и имеют минимальные значения, если сразу прикладывается конечн
большое давление (100 МПа) [135]. Эти данные говорят о том,чт0’ я
меняя величину давления подпрессовки, можно создавать условия РР*
56
протекания различных процессов электроразрядного спекания, горя-
чо прессования, процессов промежуточного типа, -и, следовательно,
получать материалы с различными физико-механическими свойствами.
Рассмотрим вид* пропускаемого электрического тока. В типичном
случае он включает в себя постоянную составляющую, служащую преи-
мущественно для выделения: в металле тепла в соответствии с законом
Джоуля - Ленца, и высокочастотную составляющую, служащую преиму-
щественно для создания искрового разряда, Вместо постоянного может
использоваться низкочастотный ток, в частности, ток частотой 50 Гц.
Частота высокочастотной составляющей тока.'находится в диапазоне от
1 кГц до ~ 100 МГц. Включение тока (одно- или многократное) часто
положительно влияет на результаты спекания.

Физический механизм искрообразующего действия высокочастотной
составляющей тока спекания пока полностью не выяснен. Однако из-
вестно, что оксидные пленки — в большинстве случаев слабопроводя-
щие вещества (полупроводники). В случае переменного напряжения,
кроме джоулева тепла, в них выделяется еще тепло, обусловленное так
называемыми диэлектрическими потерями [172]. Таким образом, при
переходе от постоянного напряжения к переменному можно ожидать,
что, кроме электрического пробоя, повышается количество элементар-
ных актов теплового пробоя. Опыт свидетельствует о том, что одновре-
менное пропускание постоянного и переменного токов ускоряет припе-
кание частиц и способствует более высокой и равномерной по объему
плотности, чем в случае какого-либо другого электрического воздейст-
вия. К тому же выбор оптимального соотношения силы переменного а
постоянного токов благодаря использованию .скин-эффекта для пере,
менного тока обеспечивает выравнивание температуры по сечению об-
разца [138]. Получаемый в результате металл имеет однородные сцой-

Пластическая деформация заготовок, полученных электроразрядным
спеканием порошка, способна существенно повысить качество металла.
Например, хотя поверхностные слои заготовки оказываются несколько
загрязненными во время электроразрядного. спекания, механические
свойства сплава 90 % Ti + 6 % А1 + 4 % V в сердцевине после ковки с вы-
садкой оказываются достаточно высокими. Положительное влияние об-
жатия ковкой на прочность и особенно на пластичность очевидно (рис.
21). Повышение качества сплава достигается и в результате применения
отжига и термообработки со старением.

Исходными компонентами, входящими в конечный продукт электро-
разрядного спекания, могут быть не только вещества в твердой фазе;
одним из исходных компонентов может выступать газ. Примером осуще-
ствления такого процесса является получение образцов (изделий) из
нитридов1. Для этого формование и спекание производят одновременно,
взяв, в качестве исходных материалов порошок элемента, способного
образовывать нитриды, и азот, которым заполняют пространство между
порошковыми частицами. Пропускание электрического тока возбуждает
искрение и обеспечивает протекание реакции азотирования. Чем мельче
исходный порошок, тем скорее к полнее осуществляется образование
нитрида.

Для полного протекания реакции надо подать необходимое количест-
во азота посредством повышения его давления. Таким способом можно
изготовлять нитриды кремния, бора, олова, титана, циркония, ванадия,
ниобия, тантала, хрома, молибдена, урана, марганца, железа, .фосфора,
серы, алюминия, галлия, индия, германия. Возможно изготовлением сме-
шанных нитридов, для чего в установку следует загружать смеси порош-
ков соответствующих элементов. По свидетельству Иноуэ и Сайто, ука-
занным способом получают изделия из нитридов быстро и без больших
энергозатрат; пористость получаемого материала регулируют в широких
пределах, сравнительно несложно получить сплошной (беспористый) ма-
териал. В этой технологии расход энергии невелик, так как основную
часть времени пропускается слабый ток, сильный же ток пропускается
только в начале процесса, а затем нужная для уплотнения повышенная
температура обеспечивается за счет тепла экзотермическодреакции обра-
зования нитрида. Благодаря внутреннему нагреву получается изделие с
однородной плотностью. Для производства оксинитридов пространство
между порошковыми частицами заполняют'смесью азота и кислорода в
необходимой пропорции.

Промежуточный характер между спеканием с программированным механичес-
ким нагружением и спеканием электрическим импульсом имеет обработка, вклю-
^аюшая вибропрессование и электроимпульсное спекание [ 140]. Примером осу-
пр-ствления такой обработки может служить изготовление образцов из смеси
50 % Fe + 50 % Ni (карбонильное железо дисперсностью ~ 3 мкм, никель диспер-
сностью ~ 2 мкм). Виброукладка обеспечивает оптимальное распределение плот-
ности. С помощью математического планирования эксперимента для указанной
порошковой композиции.был найден режим вибропрессования: частота 420 Гц,
ускорение вибровоздействия 3,25 g (g - ускорение свободного падения), дли-
тельность 55 с, инерционное нагружение 0,8 МПа. Через порошок, имеющий после
вибровоздействия плотную укладку в пресс-форме, пропускали импульс тока-пу-
тем разряда конденсаторной батареи. Плотность тока составляла 34 кА/см1, дли-
тельность импульса 40 мкс. Микроструктурные исследования после электроим-
пульсного спекания показали наличие контактов между частицами и равномерное
распределение пор, что обеспечивает получение изделий с малыми искажениями
формы. Полученные таким способом заготовки предназначались для последую*
щего спекания в печи с водородной средой.

По оценке Исиямы [ 64], при обычном спекании алюминиевого порошка тра-
тится Электроэнергии 3,8-10’, при горячем прессовании 5,940’, при электрораэ-
рядном спекании 4,240s Дж/г, при электроразрядном спекании в условиях изо-
статического прессования 2,1 • 10s Дж/г.

2. ПРОЦЕССЫ, БЛИЗКИЕ И СОПУТСТВУЮЩИЕ
ЭЛЕКТРОСПЕКАНИЮ

Электроспекание с непрерывным формованием

Примером процесса электроспекания с непрерывным формованием
может обжить изготовление спеченного листа с испльзованием прокатки
порошка . Согласно этому способу с помощью пары формующих валков
изготовляют из порошка ’’сырой” лист, затем его направляют между
валками-электродами, с помощью которых подводят электрический ток,
являющийся суперпозицией низко- и высокочастотного тока (или по-
стоянного и высокочастотного тока). Таким образом получают*электро-
спеканием за один проход тонкий металлический лист. Изменением
технологических параметров можно менять плотность и свойства листа.
Например, первоначально получают сырой лист шириной 50 мм, толщи-
ной 0,5 ... 1 мм, длина листа достигает обычно 500 мм. Этот лист с по-
мощь» тонкой пилы разрезают на продольные ленты шириной 5 мм,
которые подают в зазор между валками-электродами, где происходит
лектроспекание с дополнительным обжатием. Таким способом изготов-
или ленту из железного порошка. Использовали низкочастотный ток

ои Ю ... 20 кА. Скорость вращения валков-электродов, достигала

Пат. 7406 (Япония), 1970 ; 24321 (Япония), 1974.
21 об/мин. Некоторые характеристики оборудования приведены в
разделе 6.

Другим примером процесса электроспекания С непрерывным форме,
ванием может служить нанесение порошковых композиций на металл»,
ческие изделия методом электрической роликовой сварки, сочетаемой с
накаткой порошка [173]. Указанный процесс осуществляли на машине
шовной сварки (схема оборудования изображена на рис. 38). Изделия
из стали плакировались следующими порошковыми композициями, %;
1) Си 72, РЬ 9,' Sn 8, Fe 4, графита 7; 2) Си 80, РЬ 10, графита 10; 3)
Си 70, РЬ 30; 4) Си 88, графита 12.

Перед нанесением порошка поверхность-стали подвергали электроли-
тическому меднению. Максимальная толщина накатанного слоя состав-,
ляпа 3 мм, пористость 25 ... 30 %. Процесс проводили на воздухе, одна-
ко наносимый слой окислялся незначительно. Подобный метод применя-
ют для восстановления обработавшихся деталей машин. Описанный про-
цесс может рассматриваться и как вариант напекания порошка на сплош-
ную основу.

Процессы спекания - напекания на детали с криволинейными поверх-
ностями, а также экструзии совместно с электроспеканием рассмотрены
в разделе 6 при описании соответствующего технологического оборудо-
вания.

Напекание и припекание

Порция порощка может быть спечена током и одновременно припече-
на к детали из сплошного металла. При этом удается добиться весьма ка-
чественного соединения обоих указанных слоев. Например, после опера-
ции спекания — напекания алюминиевого порошка на микрофотографии
поперечного шлифа невозможно было заметить границу между слоями
[64]. Этот процесс нашел применение в тех случаях, когда на детали из
мягкого, легко обрабатываемого и дешевого материала (например, из
алюминиевого сплава) Надо получить твердую тптатпяпк-у _ Благодаря это-
му повышается износостойкость детали. Если электрическому спека-
нию — напеканию подвергается композиция, образующая сталь, то есте-
ственная закалка (при ее самопроизвольном охлаждении) приводит к
повышению твердости детали. Закаленные детали при необходимости
можно подвергать отпуску.

Примером спекания с одновременным напеканием может служить-осущест-
вленный Е.В.Рыморовым процесс создания слоев из порошковой шихты на по-
верхности металлических деталей [ 146]. Обрабатываемый объекты помешают
между электродами контактной сварочной машины. После засыпки порошка
включают механизм давления машины для его уплотнения, затем включают сва-
рочный трансформатор. Импульсный ток быстро разогревает, спекает и припекает

порошковый слой к детали, на которой его помещали.

Для повышения твердости износостойкости поверхности стальной детали ис-
пользовали смесь порошков железа и феррохрома (либо ферромарганца, лио°
-ггяяа) Было обнаружено упрочняющее действие напеченных слоев для
Ф<ч’ро?ГГ^бо’таюших в условиях контактного давления с абразивной прослой-
деталея, р 147]. Хорошие результаты получены иосле электрического на-
№Й ® «Г’пооошковых композиций (в них входят порошки железа, самофлюсу-
даКаЯ^ гашава ПГ-СР2, феррохрома ФХ-800, сплава ПГ-УС25, свинца, лигату-
ящегося поверхность клапанных гнезд Головок двигателей внутреннего
РЫ яния- износостойкость гнезд головок, упрочненных порошковым материв-
сгорани»> * * $ ра3а выше> чем у серийных чугунных головок [ 148].
Л01у’гто'щяющая композиция может, например, иметь следующий состав (180]:
оошок хромоникелевого сплава ПГ-ХН8ОСР2, сормайт ПГ-УС25 и сплав
Х19Н15 в равных массовых количествах. В результате электрического напека-
* подучается высокоплотный износостойкий материал, имеющей твердые вклю-
чения в пластичной матрице сложнолегированного сплава.

Результаты испытаний материалов из порошков и литого сплава ЭП-616, ре-
комендуемого для упрочнения клапанов дизельных двигателей, а также контр-
тела из чугуна Сч 21 -40, характеризуются следующими данными:

Материал Сч 21-40 Порошковый Литой сплав

ЭП 616 ,

Твердость........... НВ 190 ...225 НВ17О...23О HRC37...40

Пористость, %...... — 0,5... 1,5 —

Прочность сцепления,
МПа................. — 190 .«215 —

Коэффициент относи-

тельной износостой-
кости ..............1,000^1,00** 1,260/2,350 1,365/5,150

♦В условиях абразивного износа при 293 К.

♦* В условиях коррозионных испытаний в 75 %-ной Н, SO4 при 323 К.

Износ клапанов, упрочненных порошковым материалом, оказался наимень-
шим. Значительное снижение износа клапана, как и сопряженного с ним седла
головки,блока цилиндра, может быть связано с гетерогенной структурой слож-
нолегированного порошкового материала и наличием небольшой остаточной по-
ристости, улучшающей смазку и износостойкость деталей контактирующей пэ-
ры, особенно в случае упрочнения порошковым материалом обеих сопряженных
Деталей (клапан и головка блока).

Еще одним примером напекания слоя сложного химического состава может
служить поверхностное легирование металлов методом электроразрядного ре-
акдибнного спекания — напекания композиций, содержащих бор ] 149]. В этом
процессе использовано то, что в смесях, способных к реакционному воздействию
Лов^нН613™1 + ®°РсодеРжаш,1й компонент), происходит синтез боридов метал-

• а начальном этапе процесса смесь подвергается воздействию межчастичных
♦ В С*0»’ явлж°щихся очагами экзотермической реакции синтеза в смесях Fe +
(аморфный), Ni + В4 С, Ni + В (аморфный). Одновременно с дейст-
за cqej nafo™4HbIX злектРических разрядов порошковые частицы нагреваются и
инкубапигшЗ1*1 ТоКа На омическом сопротивлении смеси. После кратковременного
чиваег высо °Г° перИоДа смесь загорается повсеместно и равномерно, «по обеспе-
Здесь нет стТ* СКОРОСТЬ и равномернее образование боридов по всему объему.
вРеменем пооте™101^0 Фроита гоРенця, и полное время реакции лимитируется
Издании подег>кания Реаклии в элементарных объемах вокруг микроочагов. При
Кадия основы (НОСТИЬ1Х 6ориР°9аннЬ1Х слоев на спеченном металле процессы спе-
$°Ридиого слоя и ИМе₽’ И3 железиого порошка) и напекания поверхностного

хРИсталлами бопт?1^ одновРеменно. Окончательная структура характеризуется
Р Дов, глубоко врезающимися в основной металл.
Возможно электрическое напекание и пористых слоев. Например, ца
образцы из алюминиевого сплава Д16Т таким способом наносили слой
толщиной 0,6 ... 0,8 мм из медного волокна; медного или алюминиево-
го порошка. Вся пористость указанных слоев была практически сооб-
щающейся и составила 59 ... 65 % [150, 151].Тепл о физические исследо-
вания показали церспективность использования пористых слоев, полу,
ценных методом электроспекания с одновременным напеканием на теп-
лоотводящие элементы, для испарительного охлаждения энергетичес-
ких устройств.

Доказана возможность получения покрытий в виде слоя из спеченно-
го металлического порошка на различных поверхностях деталей: тор-
цевых, плоских, конических, цилиндрических (как наружных, так и
внутренних) [152]. Эксплуатационные испытания, проведенные на вос-
становленных электрическим напеканием коленчатых валах воздуш-
ных компрессоров автомобилей, показали повышение износостойкости
в 13 ... 2 раза по сравнению с новыми.

Методом электрического спекания — напекания можно изготовлять
фильеры или волочильные доски1. Для создания высококачественного
рабочего слоя используют следующие порошковые композиции: WC +
+ Со, WC + TiC + Со, В4С + Со. В некоторых случаях в исходную шихту
добавляют также порошковые материалы Fe + С, Cu+ Zn, SiC, SiO2,
А1з Оз, алмазы.

Методы с использованием электроразрядного спекания применяют
для исправления некоторых дефектов. Если отверстие в детали смеще-
но (неправильно расположено) или имеет больший размер, чем надо,
его заполняют порошком, который затем подвергают электроразряд-
ному спеканию с одновременным припеканием к основной детали. От-
верстие необходимого диаметра после этого может быть просверлено
в нужном месте. Некондиционную по размерам деталь можно засыпать
порошком в полости матрицы. Затем посредством электроразрядного
спекания получают новую заготовку, из которой делают качественную
деталь. Такие приемы перспективны для использования некондицион-
ных деталей из дорогих или дефицитных материалов (например, из бе-
риллия) [154].

Представляет интерес использование электрического припекания —
сваривания деталей через слой порошка. В место стыка свариваемых Д^
талей помещают порошок. Если используют машину для контактной
роликовой сварки, то под действием роликовых электродов порошок
вдавливается в зазор между кромками соединяемых деталей (например,
листов) и частично располагается на их поверхности под роликами. При
пропускании между электродами электрического тока происходит Р2'
зогрев металлического порошка и кромок, обеспечивающий при мех2'
w павлении формирование соединения, напоминающего свар-
ниче<5^1 методом было осуществлено соединение листов низкоугле-
ное' Э стали с применением железного порошка^ .

у п процесса и его результат зависят от дисперсности порошка. При
каши - сваривании листов из низкоуглеродистой стали качест-
ч’ИП!е соединение было получено, когда использовали железный поро-
в- даСперсностью 0,10 ... 0,25 мм. Более мелкие порошки содержат
б^ьше оксидов, что приводит к повышенному содержанию кислорода
в соединительном шве, обладающем в результате пониженными плас-
тичностью и сопротивлением ударным нагрузкам. Существуют опти-
мальные интервалы силы тока для припекания листов разной толщины.
При слишком малой силе тока границы сварного ядра не доходят до
поверхности соединяемых листов. При большой силе дока происходят
всплески металла из ядра с образованием раковин в центре шва. В
обоих случаях образуется низкокачественный шов.

Определенное влияние на процесс припекания — сваривания, на струк-
туру и свойства шва оказывают усилие сжатия электродов^ скорость
припекания — сваривания и размер зазора, заполняемого порошком2.
Таким способом осуществляют качественное соединение стальных лис-
тов толщиной 2 ... 4 мм. Этот процесс был применен при изготовлении
обечаек зерносушилок [156].

Метод электроразрядного припекания перспективен и для соединения
пористых деталей. Например, был проведено припекание титановых вту-
лок пористостью 40 ... 45 % через промежуточный слой порошка алюми-
ния или бронзы [158]. Использование засыпки из гидрида титана позво-
ляет получать более качественное припекание. Это объясняется тем, что
гидрид титана, разлагаясь, служит источником атомарного водорода,
который уменьшает окисление припекаемых деталей. Более подробно
процессы припекания порошков с использованием электрического тока
описаны в [163].

Инфильтрация

В процессе электроразрядного спекания алюминиевого порошка с ис-
пользованием пресс-инструмента из графита МПГ-6 при эффективной
кая™00™ Т°Ка 300 А/см2 образуется пара, в которой наблюдается чет-
тоедц^дпп алюминием и графитом. При увеличении плотности
бину 2° т см ироисходит инфильтрация алюминия в графит на глу-
ное явлё* 3 мм_за спекания длительностью 100 с [160,161]. Подоб-
ние наблюдается и при спекании порошка бронзы. Схватывание

з П*1' 25848 (Япония), 1973.

“еиием жеде^т^пт^?.еД°ВаНИе способа Роликовой стыковой сварки с приме-
Ка«Д ДисС.-Бря^с™£о“к® стальных листов толщиной 1,0-3,0 мм. Автореф.
при этом настолько велико* что адгезионная связь значительно превыща.
ет когезионную прочность графита, и при попытке отделить спеченный
образец разрыв происходит чаще всего по графиту.

Для пояснения этого явления среду* пронизанную системой сообща»,
щихся пор (пористый графит), мысленно заменим средой с цилиндричес-
кими капиллярами и проанализируем поведение пропитывающей элек-
тропроводной жидкости внутри единичного капиллдра. Благодаря дей-
ствию тока часть порошкового металла ожижается* [159] (см. разделы
1 и 2 в гл. 1). Под влиянием внешнего механического давления, переда-
ющегося посредством электродов-пуансонов, жидкий металл выдавли-
вается из порошковой среды, как из губки, и начинает нагнетаться в по-
ры, выходящие на поверхность Графита* Если вдоль столба электропро-
водной жидкости в цилиндрическом капилляре проходит ток, это может
существенно влиять на"процесс инфильтрации. Благодаря протеканию
пульсирующего тока возникает электромагнитное динамическое обжатие
жидкого металла и происходят всплески на свободной поверхности жид-
кометаллического столба в цилиндрической поре. При действии таких
всплесков следует ожидать Скачкообразного продвижения жидкости в
глубь капилляра, ибо возвращению мениска в исходное положение пос-
ле окончания действия очередноговсплеска будет препятствовать давле-
ние со стороны резервуара на входе в капилляр и влияние гистерезисно-
го фактора, обусловленного переменным сечением и шероховатостью
поверхности поры в реальном материале (графите) [119].

Проанализируем теперь влияние электрического тока на поведение
жидкого металла с учетом его отрыва от стенок канала [157]. Рассмот-
рим элементарный процесс, множество которых обусловливает инфиль-
трацию в среду с сообщающейся пористостью, а именно проникновение
жидкости в единичный цилиндрический канал. Чтобы исключить воз-
можное усиливающее влияние гидростатического напора, порождаемо-
го гравитацией, рассмотрим самую неблагоприятную в этом отношении
-ориентацию: канал с жидким металлом расположен вертикально и внеш-
нее давление гонит его вверх, т.е. гравитация препятствует инфильтра-
ции. При учете влияния гравитационной и электромагнитной сил реше-
ние соответствующей вариационной задачи [как и в разделе 1, гл. 1, ио
без члена Eg в выражении (6) ] приводит к следующей формуле для ра-
диуса жидкометаллического столба*:

г/г0= 1/(1+Z)* 1/2 , (54)

*Пат. 1685 (Япония), 1971.

1 Здесь решение дано с использованием величин в международной системе СИ. В
работе [ 157], где использована гауссова система, в выражении для Zвместо мно-

жителя д0 / (4w) фигурирует множитель 1/сл (с — скорость света).
падиус верхнего контакта жидкого столба; Z - некоторая без-
ГОв Г оная высота (или, вернее, разность высот), определяемая как

z = ——------------- > (55)

I - высота жидкого столба, м; z - аксиальная координата,-м; д 0 -
^1256 - Ю'6 Г/м; 1 — постоянный ток через жидкий проводник, А;
~ — плотность жидкого металла, кг/м3; величина PqI / (8 л2Го)
ферромагнитное давление на проводник радиуса г 0 ; гидроста-
тическое давление жидкометаллического столба единичной высоты, сле-
довательно, до/3/(8я2Го^7ж) “ это высота жидкометаллического
столба, который создавал бы давление, равное электромагнитному дав-

лению, м.

Таким образом, выясняется физический смысл величины Z (55): это
высота, выраженная в единицах ц012/(3ir2r о£Тж) г

Сечение столба с понижением его высоты монотонно уменьшается
(рис. 22). Из этого следует возможность существования устойчивого
столба жидкого проводника неограниченной высоты, что является след-
ствием пренебрежения влиянием поверхностной энергии (учет'этого вли-
яния позволяет вычислить максимально возможную высоту, см. раздел 1
в тл. 1). Безразмерный комплекс^ -8n2rolgy*J(I 2 До) можно счи-
тать критерием подобия. Кроме отношения высот, можно усмотреть и
следующий физический смысл этого критерия; он есть отношение Р g/Pf
тл. гидростатического давления.жидкого столба р g~ ^7Ж к порождае-
мому током электромагнитному давлению pi =д0 Г 2/(8п2г 2) • Предло-

ЧИсла^п>аии?^?>Сальная зависимость относительного радиуса-от критериального
и тационно-электромагнитной гидростатики

- твердая напо₽а при пропитке под действием тока:

°®1авлениый) • п ~ ПоРа> “ жидкий металл; 4 - порошок ( частично
Л ~ апектромяга. ~ механическое давление в' результате действия пуансона;
*₽°магнитное пяв^11ноеяДа®ление ® жидкости, обусловленное током; Ре — элек-
ление обжатия жидкометаллического столба
женный критерий можно было бы назвать критерием гравитационн
электромагнитной гидростатики. Величина типа 3in2r2yxgzl(д0/2) (г
переменная координата) — соответствующее предложенному критерию
параметрическое число.

В отсутствие тока протекание жидкости по каналу с неисчезающим пе-
репадом давления подчиняется обычно закону Пуазейля, согласно кото-
рому жидкость на границе канала имеет нулевую скорость. В принципе
возможно и проскальзывание жидкости, г.е. граничный слой может
иметь ненулевую скорость, что способствует ускорению пропитки порис-
той среды.

Как видно из проведенного теоретического анализа, благодаря дейст-
вию тока жидкий металл отжимается от стенок поры. Этим создаются
более благоприятные условия для проскальзывания, так как между бо-
ковой поверхностью жидкометаллического столба и внутренней поверх-
ностью поры появляется газовая прослойка (рис. 23).

Другое следствие связано с силовыми эффектами. В отсутствие тока
на верхнем торце жидкометаллического столба отсутствует давление на
верхний контакт. При пропускании тока в этом месте (т.е. при z =1) воз-
никает давление электромагнитного происхождения =д0/ 2 / (8 л2 г §).
Если роль верхнего контакта играет тот же жидкий металл, но располо-
женный в поре на сгибе, за которым пора меняет ориентацию, то металл
в рассмотренном участке создает гидродинамический напор на металл в
поре за изгибом (см. рис. 23). На участках пор не вертикальной, а на-
клонной ориентации при прохождении тока в вертикальном направлении
имеется осевая составляющая тока. Хотя полного отжима жидкого ме-
талла от всей внутренней поверхности пор в этом случае не происходит,
однако частично эффекты описанного выше типа должны иметь место.

Наложение на постоянный ток переменного должно привести к вибра-
ции поверхности, описываемой выражением (54), и к созданию перемен-
ного давления на оба контакта. Обсуждаемые факторы также могут
стать причинами интенсификации пропитки пористой среды жидкими
металлами1.

Как уже указывалось, пористый графитовый элрктрод-пуансон под-
вергается пропитке во время электроразрядного спекания металлическо-
го порошка [153,160,161]. Кроме того, это явление наблюдалось и ког-
да в засыпку из алюминиевого порошка помещали образец — ’’свиде-
тель” в виде таблетки, и через всю загрузку пропускали электрический

Известно явление ускорения капиллярной пропитки пористрй среды непров
дящей полярной жидкостью под действием неоднородного электрического поя^
однако оно имеет иную природу: причиной ускорения пропитки там являет»
объемная сила, порождаемая в жидкости неоднородным полем. Эксперимента^^
но этот эффект можно наблюдать на жидкостях с высокой диэлектрической про
цаемостью (примером такой жидкости может служить этиленгликоль) 1155] •
П611 После обработки, по режиму: давление подпрессовки 6 МПа,
г°* 1\иная плотность тока 400 А/см2, частота переменной составляю-
- ка 2 75 кГц, конечное давление 100 МПа, длительность обработки
107 с°образец - ’’свидетель” диаметром 20 мм и высотой 25 мм пропи-
вался полностью.

Итак. щюцесс инфильтрации можно представить следующим образом. В началь-
й стУ"и обработки некоторая часть металла подивлиянием межчастичных разря-
ной и джоулева тепла расплавляется. Внешнее механическое давление, действующее
Д°^ястему порошок - жидкий металл, выжимает последний из порошка и загоняет
^kyjo-to его часть в поры, выходящие на поверхность графита. Часть тока прохо-
™т по графиту, часть - по жидкому металлу, оказавшемуся в порах. Элекгричео
ток, проходящий по ’’столбам” жидкого металла в порах, пронизывающих
графит, оказывает различное действие на жидкий металл. В пределах жидкометал-
лического столба электромагнитное давление растет от периферии к центру, что
при использовании пульсирующего тока должно приводить к переменному во вре-
мени фонтанированию в центре мениска. В условиях внешнего механического на-
пора, создаваемого пуансоном, это должно способствовать ступенчатому продви-
жению жидкого металла все дальше в глубь пористой среды. Обжатие жидкометал-
лического столба внешним магнитным полем, образуемым электрическим током,
ЮздЬет благоприятные условия для проскальзывания жидкого металла внутрь
поровых каналов. Импульсивный характер проникновения жидкого металла в
глубь пористой среды усиливается также благодаря дестабилизирующему дейст-
вию электрического тока на жидкий проводник, как на элемент, обладающий само-
индукцией (26, 271, либо интенсивному джоулеву эффекту^приводящему к мик-
роскопическим электровзрывам.

3 МАТЕРИАЛЫ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СПЕКАНИЕМ

Общие соображения

Выше в настоящей главе рассматривались в основном параметры обработки
(электрические, механические) порошков, хотя в какой-то степени затрагивались
вопросы, связанные с состоянием обрабатываемых порошков. В частности, указы-
валось, что существенной характеристикой, влияющей на ход процесса спекания,
является сопротивление спекаемого материала, представляющего собой свобод-
но насыпанный порошок, неспеченную (’’сырую”) прессовку или даже предвари-
тельно спеченную заготовку. Ранее указывалось также, что сопротивление порош-
ковых прессовок зависит от сопротивления материала частиц и контактных со-
противлений между соприкасающимися частицами.

Сопротивление материала частиц не может быть сильно изменено, на контакт-
ные же сопротивления можно существенно влиять. Например, давление, под ко-
орым прессуют сырые образцы, влияет на состояние и площадь контактов и, еле-
Ча2^ельно» На контактное сопротивление между частицами (4, 89, 93]. Размер
“~тац и распределение частиц по размерам также влияют на контактные сопро-
^ления. Еще более важное значение имеют поверхностные пленки на частицах
гих порошков. Эти пленки могут существенно повышать контактное сопро-
ЖелГе' В СТуЧае порошков с плохо деформируемыми частицами иногда весьма
чески еЛЬН° УДалить такие пленки перед электроспеканием. Некоторые металли-
элекгп по₽ОШки предпочтительно подвергнуть восстановительному отжигу перед
та, 1щ)0СПеканием- Такая обработка достаточна для железа, молибдена, кобаль-
спекаю^1* <выше говорилось, что иногда при наличии оксидной пленки электро-
е идет интенсивнее). Она полезна, но менее эффективна при обработке
хрома, нержавеющей стали. Однако такая обработка малоэффективна для
на и циркония, а также для ряда соединений, например карбидов, нитридов бо**
дов, и силицидов переходных металлов. Трудности возникают с некоторым^1*"
единениями, которые имеют высокое сопротивление в порошкообразном ви^
хотя в компактной форме они весьма элецтропроводны. Это относится, в частя
ти, к очень мелкодисперсному бориду цирконий и дисилициду молибдена с п°&
мерами частиц в несколько микрометров. Вероятно, при изготовлении этих п
рошков имеет место некоторое окисление, в результате которого образую^
поверхностные слабопроводящие оксидные пленки, сильно затрудняющие эле^
троспекание, в то время как такие порошки можно превратить в почти компакт
ный материал обычным горячим прессованием {168].

Качество спеченного металла зависит от формы и размеров образцов (дета-
лей). Даже в случае простых форм (например, цилиндра или параллелепипеда)
существует проблема получения однородного распределения температуры. Крат-
ковременность электроспекания предупреждает протекание нежелательны?
акций между активными металлическими порошками (например, титана или
циркония) и газами воздушной среды, так что детали из этих металлов можно

спекать на воздухе.

К нежелательным , реакциям относятся также возможные превращения мате-
риалов, нестабильных при высокой Температуре. Время пребывания таких мате-
риалов при высокой температуре может6 быть столь коротким, что их разложе-
ние или сублимация не успеет пройти..Ленел указывает в качестве примера на
композицию молибдена и хрома, спекаемую при температурах вблизи температу-
ры солидуса сплава без значительной сублимации хрома.

Спеченные электрическим током образцы, у которых высота ненамного пре-
вышает поперечный размер (диаметр) обладают удовлетворительными микро-
структурой, плотностью и механическими свойствами, даже если во время спека-
ния существуют температурные градиенты. Эксперименты по спеканию некото-
рых керметов показывают, что в этих материалах возникающие температурные
градиенты весьм?. опасны, вероятно, потому, что температурный интервал, в пре-
делах которого' эти материалы могут спекаться, относительно узок, и часть об-
разца может оказаться при неблагоприятной температуре. Иллюстрацией этого
могут служить эксперименты по электроспеканию композиции с карбидом титана.

Исходная смесь состояла из 80 % TiC ( с небольшими добавками NbC и ТаС)
и 20 % Ni. К порошковой смеси в качестве пластификатора была добавлена стеа-
риновая кислота (~ 1 %). Йз указанной смеси при комнатной температуре были
спрессованы под давлением 380 МПа образцы массой по 5 г диаметром 12,7 мм,
которые были медленно нагреты в графитовой матрице до 810 К для удаления
стеариновой кислоты,- а затем предварительно спечены в водороде в течение 1 4
при 1S30 К..Это предварительное спекание понизило сопротивление образца и
облегчило последующее электроспекание.

Было замечено, что образец, спекаемый между плоскими торцами электродов-
пуансонов или прокладок, нагревался сильнее в центре, чем на периферии. Чтоб
несколько уравнять температуру, был проверен вариант спекания между эле1^^
дами-пуансонами с одной плоской и одной вогнутой торцевыми поверхностями.
Такой прием вызвал неравномерное распределение тока по поперечному сечению_

~~____™„пИПСЯ W

ла выделялось около внешней поверхности, но этот избыток тепла отводился *
вне через стенку матрицы, и результирующее температурное распределение
залось более или менее однородным. И все же возле поверхности к

численные участки пористого или недостаточно спеченного материала. Ближ=
центру образца твердость была почти однородной и имела те же значения,
образца такого же состава, изготовленного обычным способом. Термо- и<жаро

разца: ток с большей -Плотностью протекал вблизи внешней поверхности (где
ттитъ КГЪПТЬИоЪ 9 UO n^nutu ПООТЛа frnO /»TY\ ГПЛГТ. Птплгаоа) /"'ттаПгЫЮТЙТПъНО.. ООЛЫВ*
__ оказались на уровне значений этих свойств материалов, изготовленных тра-
диционным способов? (1681,
"Когда электроспекание применяют к смесям непроводящих и проводящих по-
ппшков (например, керамических и' металлических) , ддля проводящей составдя-
шей должна быть достаточно высокой для обеспечения прохождения тока по
композиции. В слабопроводящей прессовке с флуктуациями проводимости по
*<ьеМу малый ток проходит преимущественно по путям, наименьшего сопротив-
ления. Может возникнуть ситуация, при которой материал вдоль этих путей будет
нагреваться до такой степени, что проводящие участки будут разрушаться. Таким
Нбпазом, некоторые участки вследствие перегрева будут ’’выходить из строя”,
в то время как через остальные ток будет протекать с трудом или вовсе не будет
протекать, и они останутся сравнительно холодным и, следовательно, неспеченными
(см. раздел 1 настоящей главы).

1 Важную роль при прочих равных условиях иногда может играть дисперсность
порошка. Как уже указывалось выше, большое электрическое сопротивление об-
разца из металлического порошка возникает из-за оксидов, покрывающих поверх-
ность частиц. Для порошкового столба определенной геометрии чем мельче размер
частиц, тем большая площадь поверхности доступна окислению. Таким образом,
электрическое сопротивление порошкового тела в значительной степени зависит
от дисперсности порошковых частиц. Влияние этого фактора проявляется в спека-
нии электрическими импульсами [117]. Два порошковых столба (один из частиц,
дисперсностью 104 ... 147 мкм, другой из частиц дисперсностью 27... 44 мкм) бы-
ли обработаны электрическими, разрядами с одинаковых уровней напряжения.
Как и можно было ожидать, для каждого значения исходного напряжения ток,
протекающий через порошок с дисперсностью частиц 27 ... 44 мкм, оказался мень-
ше тока, протекающего через порошок с дисперсностью частиц 104 ...147 мкм.

Когда ток разряда проходит через столбец порошка, оксидные пленки разру-
Тпаются, и припекание смежных частиц происходит преимущественно в направле-
нии тока. Такая особенность процесса приводит к образованию однонаправлен-
ных совокупностей из припеченных частиц, напоминающих волокна в какой-то сте-
пени отделенные друг от друга из-за слабого припекания в поперечном направле-
нии (см. раздел 1 настоящей главы). Описанный процесс взаимного припекания
частиЦ в направлении прохождения тока оказывает влияние на его кинетические
особенности. Сопротивление металла вдоль линии тока падает, ток возрастает и
очень быстро становится постоянным. Объекты, создаваемые путем высоковольт-
ного разряда через порошок, могут иметь ряд применений: материалы для филь-
трации, для приборов контроля протекающей жидкости, конденсаторов, порис-
тых носителей катализаторов и для устройств, предохраняющих от ударной вол-

(20J, Ниже более подробно будут рассмотрены данные по различным мате-
риалам, получаемым методом электроспекания дисперсных металлов — порош-
ков, волокон, стружки.

Металлы

_Путем электроспекания можно изготовлять полуфабрикаты и метал-
"ические изделия из них.

из самых интересных объектов, получаемых спеканием, — бе-
Опыт работы с бериллиевым порошком свидетельствует о том,

Менной Гп?66 ВЫравнивания температурного поля подбором соотношения пере-
главы. ст°янной составляющих тока спекания речь шла в разделе 1 настоящей
что форма и морфологическое строение частиц оказывают существен-
ное влияние на ход электроразрядного спекания, скорость уплотнения
и окончательную пластичность спеченного материала [145], С помощью
электроразрядного спекания были изготовлены полые бериллиевые по-
лусферы размером около 130 мм и с относительной плотностью 99 0
99,5 % [159]. Общая длительность спекания Составляла 1000 с.Этимжё
способом (при длительности спекания 700 с) были изготовлены пласти-
ны размерами 254X152X38 мм, предназначенные для последующей про-
катки в лист. Свойства бериллия, изготовленного различными метода-
ми, приведены в табл. 1 [64].

Таблица 1. Свойства бериллия, изготовленного
различными методами

Метод изготовления ов> МПа а . МПа т - 6, %
Элекгроразрядное спекание на воздухе ............. . 455 340 3,2
Холодное прессование с после- дующей экструзией . 326 206 2,0
Спекание в вакуумной печи . . . 275 206 1,0

В разделе 1 гл. 2 уже описывалось электроспекание без защитной сре-
ды такого склонного к окислению металла, как титан. Титан, как и цир-
коний, при высоких температурах весьма интенсивно реагирует, кроме
кислорода, с водородом и азотом. Поэтому обычно спекание (не элек-
трическое) холодноспрессованных порошков титана и циркония прово-

Таблица 2. Свойства титана, полученного
различными способами

Исходный материал Способ получения ав,'МПа в, % Д^,
Губка Дуговая плавка, прокатка, отжиг 552 25 55
Порошок Обычное спекание в вакууме, про- катка, отжиг 566 28
Губка Электроспекание под давлением 428 25,6 59
Порошок Электроспекание под давлением 628 5,2 —

‘Сокращение площади поперечного сечения.
в глубоком вакууме. Металл, полученный спеканием ’’сопротивле-
нец” под давлением, обладает высокими механическими свойствами
Набл. 2) • Причиной различий в пластичности может быть неодинаковое
содержание примесей. Кроме примесей, с самого начала содержавшихся
сырье, в металл попадают адсорбируемые и поглощаемые во время
электроспекания газы. В прессовках из порошков, которые имеют отно-
сительно большую удельную поверхность, содержится больше газов, чем
в прессовках из губки, обладающей малой удельной поверхностью. Ана-
логичная ситуация наблюдается во время электроспекания циркониево-
го порошка.

Отсутствие защитной газовой среды (точнее — восстановительной сре-
ды) при спекании сопротивлением под постоянным давлением означает,
что любые оксиды, присутствующие в прессовке, не будут восстанавли-
ваться и таким образом останутся в спеченном образце. Поэтому, как
уже говорилось, часто желательно восстанавливать оксиды в порошке
перед электроспеканием. Поскольку образцы из титана или циркония
после электроспекания подвергаются быстрому охлаждению, в них обна-
руживается видманштеттова структура, характерная для этих металлов
после закалки.

Согласно данным Хары и Акети [39,144], посредством электроспека-
ния на воздухе титанового порошка удается получить образцы с высоки-
ми механическими свойствами: пределом прочности 392 ... 685 МПа и
относительным удлинением до 30 %. Эти характеристики намного выше
характеристик, полученных Ленелом на порошках, и даже превосходят
свойства металла, полученного электроспеканием губки (см. табл. 3).
В этих исследованиях было установлено, что содержание кислорода в
спеченных образцах зависит больше от предыстории порошка, чем от
условий электроспекания.

В случае использования свежего порошка с повышением подводимой
мощности и с увеличением размера частиц содержание кислорода в спе-
ченных образцах уменьшается, чем обеспечивается получение пластично-
го металла. Однако в некоторых случаях при электроразрядном спека-
нии титанового порошка в воздушной среде имеет место серьезное за-
грязнение кислородом и азотом участков прессовки вблизи поверхно-
сти. Такой эффект особенно заметен в металле, прилегающем к электро-4
Дам-пуансонам; этот металл нагревается на первой стадии процесса и его
температура раньше, чем температура всех других участков (в том чис-

“ центральной области), достигает более высокого уровня. Поверхно-
ваии1е СЛОИ татана окисляются на воздухе при 1373 ... 1493 К с образо-
а-титМ т2,еРдого Раствора внедрения кислорода, азота и углерода в

е' Титан в этих областях действует, как геттер для атомов указан-
свобот»^11108’ тогда как сердцевина прессовки остается совершенно
быванвд* °Т ИР1046066 в течение относительно короткого времени пре-
ний BHvm°P°UIKa HP11 ТемпеРатуре в указанном интервале. Захвачен-

нутрь прессовки воздух расширяется при нагревании и выходит
через зазоры между электродами-пуансонами и матрицей. Когда темп
ратура растет, часть кислорода соединяется с углеродом. Детали граЛл
тового пресс-инструмента в связи с этим выгорают (а также подвеогя.
ются эрозии). р *

Кроме кислорода и азота (из воздуха), серьезное влияние на качест.
во спеченного продукта могут оказывать загрязнения углеродом из
графитовой пресс-формы. Проникновение углерода в спекаемый прро
шок — температурно-зависимый процесс, однако он может ограничивать-
ся или подавляться путём использования инертного газа. Углерод прони-
кает в спекаемый продукт обычно' неглубоко, и это допустимо, если
спеченное изделие предстоит подвергнуть финишной обработке, пре-
дусматривающей снятие поверхностного слоя [143], Часто образец
имеет неоднородную структуру л неодинаковые свойства' в различиях
участках: твердость и прочность на поверхности выше, чем в середине
титанового образца, пластичность же выше в глубине образца, чем на
поверхности [145]. Твердость корки колеблется от 36 до 42,5 HRC,
твердость сердцевины не превышает .30,5 HRC [138]. Явно выражен-
ное упрочнение поверхности Является результатом проникновения при-
месей в поверхностные слои в ходе процесса электроспекания.

В случае спекания порошков металлов, обладающих высоким срод-
ством к кислороду (например, титан), иногда используют защитную
газовую среду (хотя, как указывалось выше, при кратковременном
процессе качественный металл получается и при спекании на воздухе).
Например, в работе [145] указано, что за исключением подготовитель-
ных операций, проводившихся на открытом воздухе, всю последующую
обработку, включая процесс электроразрядного спекания, осуществляли
в непроточном аргоне, которым заполняли внутреннюю полость матри-
цы. Порошок транспортировали в контейнерах, заполненных аргоном, и
помещали в матрицы также в среде аргона. При использовании инерт-
ной газовой среды (аргона) степень загрязнения и глубина проникнове-
ния примесей заметно понижаются, хотя и не устраняются полностью.
Во избежание поглощения влаги порошком используют аргон с низкой
точкой росы.

Частичное обратное истечение воздуха сквозь пористый графитовый
инструмент или зазоры между электродами-пуансонами и матрицей мо-
жет вызвать некоторое возрастание поглощения кислорода по всем по-
верхностям заготовки.

Имеется опыт обработки мелкодисперсного титана (а также титано-
вого сплава) по режиму несколько циклов нагрев — деформация с пр<>
межуточными охлаждениями [181]. Порошок прессуют в эластичной
оболочке под гидростатическим давлением 1,2 ГПа; полученные заго-
товки покрывают газонепроницаемой тугоплавкой оболочкой, нанося
на поверхность заготовки суспензию, например, следующего состава-
80 ... 85 % фтористого кальция, 15 ... 20 % жидкого калиевого стекла»
вода; плотность суспензии 2,0 ... 2,2 г/см3. Покрытие суспензией з
72
товки сушат в сушильном шкафу или на воздухе. Поскольку целост-
ность и герметичность покрытия при десорбции газов из пор заготовки
при первом цикле нагрева зависят от скорости нагрева и равномерно-
сти покрытия по толщине, при первом цикле эта скорость не должна
превышать 15 К/с, а максимальная температура 873 ... 973 К.

Электроды-пуансоны при первом цикле остаются неподвижными не-
смотря на некоторое тепловое расширение заготовки. При достижении
температуры 873 ... 973 К дается выдержка 5 ... 15 с, затем плотность
тока повышают до 9 ... 11 А/мм2 и его пропускают, пока заготовка не
нагревается до 1373 ... 1473 К. После этого осуществляют двухсторон-
нее прессование под давлением 147 ..Г 245 МПа, ток отключают, элек-
троды-пуансоны же в течение остывания заготовки до температуры
973 — Ю73 К продолжают уплотнять заготовку. На этом первый цикл
заканчивается.

Для получения компактного металла достаточно провести 8 ... 10 цик-
лов. При продолжительности нагрева 20 ... 30 с и охлаждения 10 с общее

время получения компактного титана составляет несколько минут.

Циклические нагревы сопровождаются структурными превращения-
ми, в результате которых может фиксироваться a-фаза. Отжиг титана и
его сплавов при температурах в области существования /3-фазы сопро-
вождается интенсивным ростом зерен. В этом отношении преимущество
описанной обработки заключается в том, что несмотря на высокие тем-

пературы нагрева, резкого увеличения размера зерна не наблюдается^
этому препятствует процесс пластической деформации под действием
всестороннего сжатия, в результате которого происходит дробление

зерен.

Другим технологическим фактором, способствующим получению
мелкозернистой структуры, являются кратковременность нагрева и

практически отсутствие выдержки. Таким образом, путем электричес-
кого и механического воздействия при описанном способе можно регу-
лировать структуру и свойства получаемого металла.

При многоцикловом спекании порошкообразных отходов титана и
его сплавов получаются материалы со следующими свойствами: времен-
ное сопротивление 392 МПа, относительное удлинение 4 ... 6 %, порис-
тость < 1 %, твердость НВ 180. Йз таких материалов можно изготавли-
Вать коррозионностойкие детали запорной арматуры трубопроводов
^ессивных жидкостей и пульп [181].

Рассмотрим электроспекание железного порошка. В случае высокого
укладываемого напряжения и большой продолжительности пропуска^
тока в центре образцов происходит плавление. В этой зоне наблюда-
ся Участки с эвтектоидной структурой системы Fe — О [174]. Участок
плавления состоит из радиально ориентированных столбчатых крис-
уСал?В* ^аксимальная относительная плотность достигает'95 %, причем
лпые пустоты в центральной зоне образца, образовавшиеся в ходе
адления металла, не исчезают несмотря на приложенное давление. Стат
бильный процесс спекания достигается при давлении *598 МПа. Времен-
ное сопротивление хорошо спеченного железа, обжатого после спекания
под давлением, достигает 390 МПа. С уменьшением скорости движения
электродов-пуансонов в ходе электроспекания плотность спеченных
образцов повышается. Это можно объяснить лучшей укладкой порошко-
вых частиц в случае пониженной скорости движения электродов-пуан-
сонов.

Интересны результаты экспериментов по электроспеканию смеси же-
лезного порошка с нитевидными кристаллами железа {66]. При значени-
ях энергетической характеристики, которые обеспечивают спекание без
плавления (3300 ... 3700 кВ-А-ц на 2,3 см3 спекаемого сплошного мате-
риала) предел прочности достигает 294 МПа [композиция содержала
5... 20 % (объемн.) нитевидных кристаллов диаметром 10 ... 400 мкм,
длиной 10 „.50 мм; использовалось электролитическое железо диспер-.
сностью ~40 мкм, плотность тока 4,05 ... 8,10 к А/см2, длительность
2 .„ 4 с, механическое давление 118 МПа].

Нитевидные кристаллы железа обладают низкой прочностью, однако
при их добавлении к железному порошку, несмотря на невысокую отно-
сительную плотность спеченного материала (86... 39 %), пластичность
увеличивается: относительное удлинение достигает ~50 %. В поверхно-
сти индивидуальных нитевидных кристаллов после их извлечения из хо-
лодных прессовок имеются дефекты типа надрезов. В процессе электро-
спекания у нитевидных кристаллов в контакте с окружающей их матри-
цей из железного порошка происходит залечивание надрезов и, следова-
тельно, повышение их механических свойств.

В спеченном образце нитевидные кристаллы образуют слой или линии
высокой чистоты, ориентированные в одном направлении, благодаря че-
му обеспечивается повышенная пластичность. Этот эффект проявляется
слабее с уменьшением диаметра нитевидных кристаллов, так как в них
увеличивается доля участков с надрезами и уменьшается степень восста-

Рис. 24. Зависимости временного
сопротивления железных образ-
цов, изготовленных импульсным
спеканием порошка, при плотно-
стях тока, не обеспечивающих
(7 ) и обеспечивающих (II) по-
лучение образцов, достаточно
прочных для ротационной ковки
-пения механических свойств [66]. Качество образцов при слишком
большой электрической мощности может ухудшиться: например, предел
прочности и относительное удлинение образцов из железного порошка
понижаются из-за его частичного плавления с образованием литейной
структуры, содержащей газонаполненные поры [97].

Примером электроспекания железного порошка в заготовки, предназ-
наченные для дальнейшей деформационной обработки, может служить
спекание его высоковольтным разрядом [142]. Здесь отмечается значи-
тельное возрастание предела прочности У образцов, спеченных при плот-
ностях тока сыше 80 кА/см2 (рис/24). Прочность таких образцов на-
много выше прочности образцов той же плотности, изготовленных изо-
статическим формованием, что объясняется припеканием соседних час-
тиц. Заготовки, спеченные при плотностях тока в импульсы J >
> 80кА/см2, могут быть подвергнуты ротационной ковКе без разруше-
ния.

Таблица 3.Режимы электроимпульсного спекания

Материал р прессования, МПа J е> кА/сма г,с
Титан .... 216 3 20
Медь ...... .... 196 2 2...5
Железо .... .... 245 3 30
Алюминий . . . . . . 167 1 2..S

Рассмотрим результаты импульсного спекания ряда порошков, прово-
дившегося по нескольким режимам (табл. 3) [141]. Образцы имели
форму цилиндров диаметром 15... 25 мм, высотой 10 ... 15 мм и паралле-
лепипедов с размерами 55X10X10 мм. Данные о свойствах материалов,
спеченных по приведенным в табл. 4 режимам и изготовленных другими
методами, свидетельствуют о том, что по прочности и пластичности мате-
риалы, спеченные электрическими импульсами, находятся на уровне маг
сериалов, полученных обычными методами порошковой металлургии,
плотность же полученных злектроспеканием материалов выше (табл. 4).
еэультаты анализа спеченных заготовок и исходных порошков на содер-
Жание кислорода свидетельствуют, что окисление указанных в табл. 3
Металлов при электроимпульсном спекании не происходит; это объясня-
сь кратковременностью процесса.

та РИ спекании ’’сопротивлением” под давлением может быть достигну-
токЬ1С°Кая пло'1нос'гь образцов, если используется достаточно большой
который обеспечивает высокую температуру спекания. Для сравне-
чес1^₽ИВедена плотность молибденового прутка, изготовленного класси-
бездав MeTOflot4 электроспекания порошковых тугоплавких металлов
Таблица 4.Физико-механические свойства материалов, спеченных
Металл Плотность г/см’ % литье - ““'“НИЩ НВ ‘ спекание
Титан . . . Медь Железо . Алюминий ...... Примечание, нием. 4>0 — 4,2 90 ...92 120 ...160 180~^Г 4,2 ..,4,4 93-.96 8,0 - 8,2 90... 92 35 ...40 40 100 8,6 „.8,8 96 ...99 ~60Т9Г 7,0 ...73 90 ...92 46... 52 45 50 7,4... 7,6 94 .„96 47750 . 23 - 2,4 86..; 90 15 ...20 Ц.„15 2,6... 2,7 96... 100 20,.. 25 В числителе приведены значения для материалов, полученных

Электроспекание:

7ота’

90... 92

без давления ........... „ у., ,

под давлением 690 МПа <20 циклов) при
1, кА:

20 • ... ж .

22 .... ............. ... ... . .

24 .....ж..-. . . . . . . . ». „ .

923
94,6

97J6

огда цилиндрические образцы с отношением высоты к диаметру не
лее изготовляю! спеканием ’’сопротивлением” под давлением,- то
вполне можно достичь относительной плотности 98 % и выше даже в слу-
чае тугоплавких металлов (например, молибдена).

Спекание алюминиевого порошка традиционными методами затруд-
нено, так как поверхность частиц покрыта плотной трудноразрушаемой
оксидной пленкой. С помощью электроспекания алюминиевого порош-
ка можно получить как высокоплотные, так и высокопористые проница-
емые объекты. Примером последних могут служить образцы, получен-

J®3 распыленных порошков с размерами частиц 250..3I5 и 40 мкм
1137]. Прочность образцов, полученных электроспеканием, выше проч-
ности горячепрессованных [136], она повышается при повышении дис-
персности порошка. Алюминий, полученный электроспеканием, имеет
достаточно высокую прочность на изгиб: например, для алюминия с л°*
ристостью 33 % она составляет 98 МПа. Образцы с меньшей пористостью
при испытании на изгиб не разрушаются.

С помощью спекания электрическим током можно получать биметал
лические детали. Примером такой детали служит электрод
новской установки, имеющий строение двухслойной ’’тарелки”: один
76
методами

V Ударная вязкость, кДж/м’
литье спекание литье спекание
392 „588 343 ... 392 392 ...283 392... 412 294... 392 490... 588
157... 216 177 ...245 177 ...216 167... 236
490... 540 471 ... 500
216... 245
69... 88 167 ... 236 78... 98 59... 98
245... 294 228... 255
69 ... 88
холодным прессованием и спеканием, в знаменателе — электроимпульсным спека-

слой - из вольфрама, другой — из молибдена. Расход (износ) такого
вращающегося электрода, относительная плотность которого составляет
7О.~95 %, под действием потока электронов не превышает 70... 80 % рас-
хода электродов, изготовленных прессованием Или ковкой1.

Сплавы. Соединения. Композиционные материалы

Рассмотрим, сначала материалы, получаемые электроспеканием по-
рошков окончательного состава, т.е. состоящих из частиц сплава. Спека-
нием с использованием переменного электрического тока частотой 50 Гц
был изготовлен сплав на основе алюминия из порошка следующего со-
состава,%: Си 4,4, Si 0,8, Mg 0,5, твердые смазки 1,5, остальное А1.

Первая стадия (искрение) длилась 2,5 мин, плотность тока составля-
ла 11Д5 А/ см2, падение напряжения 1,58 В/мм.

Как указывают Кривелли, Эспозито и др. [132], на этой стадии давле-
ние непосредственное влияние на спекание не оказывает2, однако от дав-
ления и напряжения зависит сила тока. На второй стадии (уплотнение)
существенно повышается температура вследствие выделения тепла в со-
ответствии с законом Джоуля - Ленца. Длительность второй стадии
мин, давление 1,88 МПа, плотность тока 382 А/см2.

Длительность первой стадии существенно не влияет на прочность полу
ченных образцов. ОднаксУ было замечено, что в отсутствие стадии искре-

1 Пат. 25850 (Япония), 1973. о„ИЯНИя давления подпрессов-

’Эт, ос».,..™ , от.™,ие от

Ю*»списанного в разделе 1 гл. 2, трудно объя
пбоязпы обладают пониженной прочностью. При изучении
ния спеченные o6I^bI вой стадаи было установлено повышение
прочности образцов с ув к заветным изменениям прочности. Зна-
XTiXSспечеиого сплава слабо зависят от электрических пара-
метров первой паоаметров на второй стадии был использован

первой стадии: время 1 мин, плотность тога
“Ж адяжея» 1,53-В/мм. При значениях плотности
ИД5 Стельности менее 2,5 мин процесс уплотнения

Тр^»я«я в полную силу, вследствие чего полученные образцу

о есть значение давления, при котором значения
Следует спеченных образцов максимальны (ср. с данными

плотности н про«°«® ^^ем.шкеяя в разделе 1, гл. 2): для опясы-
Xмой^и“оХвзто давление равно 0,63 МПа. Понижение плотности

мехаНИ4®0-

Рис. 25. Цикл электроразрядного спекания алюминиевого сплава

ком давлении 6,26 (и) и 18,8 МПа (б): иа образце (! " 9

1 - температура; 2 — плотность тока; 3 падение напряжения Р
сота образца); 4 — давление
чности образцов для случаев р > 0,63 МПа связано с сокращением
Я дельности действия постоянной максимальной температуры (рис,
^На рис. 25 показано изменение во времени параметров процесса при
3^ значениях давления на второй стадии (уплотнение): 0,63 и

МПа. Результаты структурных исследований и механических испьйа-
„ свидетельствуют о более высоком качестве сплава, полученного под
Злением 0,63 МПа. Эти данные подтверждают, что при электроразряд-
^77 спекании возможна оптимизация технологии и имеются большие ре-
в ы для повышения качества спеченной продукции.

3 Порошок стали с трудом поддается уплотнению при обычной обработ-
ке принятой в порошковой металлургии. С помощью электроразрядно-
го спекания по режиму, графически изображенному на рис. 26, из порош-
ка состава 0,9... 1,1 % С, 1,2 ... 1,5 % Мп,' 0,6 ... 0£ % Sii < 0,015 % Р,
< 0,015 % S, остальное железо, была получена спеченная сталь плотно-
стью 7,2 г/см3 и твердостью НВ 210 [122], Структура спеченных образ-
цов получилась неоднородной; в них встречались участки с дендритными

зернами, с перлитом и цементитом.

Было проведено спекание единичным импульсом тока промышленной
частоты порошка быстрорежущей стали 10Р6М5К5 под давлением
49 МПа [121]. Плотность спеченного образца можно представить как
сумму 7 ~^pi + где 7Р1 — плотность заготовки после предвари-
телыюп) холодного прессования; Дуе — приращение плотности после
электроимпульсного спекания.

С повышением дисперсности порошка увеличиваются значения у, за
исключением полидисперсного порошка СП (порошок в состоянии пос-
тавки) , и уменьшаются значения Дуе (рис. 27). Это объясняется увели-
чением количества оксидных поверхностных пленок на частицах [120]
(СР- с влиянием дисперсности частиц на спекание путем разряда кон-
денсаторной батареи через порошок). Прочность заготрвок на сжатие до-

*“ис. 2б. Ци

410 и «а рад электР°Разрядного спекания порошка стали. Обозначения те же,
стигала 118 МПа, что достаточно для транспортировки и проведения опе-
раций, связанных с последующей обработкой методом динамического
горячего прессования [121].

Ленту из порошка низкоуглеродистой нержавеющей стали (легирую,
щие добавки 18 % Сг, 12% Ni?2,5%Мо) можно получать в установке

Рис. 27. Относительная плотность 70ТН, %
(цифры на диаграмме), заготовок из мате-
риала 10Р6М5К5; светлые области - плот-
ность образца после предварительного уп-
лотнения 7отн (давление прессования ра =
= 50 МПа); заштрихованные области - при-
ращение плотности Дтотн после электроим-
пульсного спекания с начального напряже-
ния 5 кВ. Фракции:

1 _ (+0,450)1 2 ~ (-0,160 + 0,071)1 3
(-0,056); 4 - порошок в состоянии постав-
ки

для прокатки совместно с электроспеканием1 (используемое для этого
оборудование рассмотрено в разделе 1, гл. 3).

Титановые сплавы можно получать электроразрядным спеканием ци-
линдрических заготовок состава 90 % Ti + 6 % А1 + 4 % V для последую-
щей ковки [154]. Их относительная плотность достигала 98... 100 %,
пластичность была такой же, как и у сплава, изготовленного по тради-
ционной технологии. При использовании порошков, состоящих из. час-
тиц угловатой формы, были достигнуты следующие свойства: условный
предел текучести 1,14 ГПа, предел прочности 1,23 ГПа, относительное
удлинение 9 %, сужение площади поперечного сечения 23 %. Такие же
свойства имел сплав, полученный в виде дейты методом прокатки с од-
новременным электроспеканием порошка-.

Хорошие результаты дает изготовление электроразрядным спеканием
сплава астролой (состав, %: Со 17, Сг 15, Мо 5,'Al 4, Ti 3,5, Nb +
+ Та < 0,05, Zr 0,045, С 0,03^ В 0,02, Ni остальное) в среде аргона. Элек-
троразрядное спекание — очень эффективный процесс для уплотнения
порошков этого сплава, имеющего высокую крипоустойчивость при по-
вышенных температурах. Параметры процесса должны быть точно по-
добраны такими, чтобы обеспечить температуру в узком интервале меж-
ду началом повышения пластичности и точкой плавления.

Обычная переработка металлической стружки методами порошковой

Пат. 143181 (Великобритания), 1976.
^,-ии предполагает многостадийную и многоагрегатную _
ме1а12У?ппьзование стружки (часто непосредственно в местах ее обра-
гию* КОТОрая по своему исходному состоянию в значительной мере
з0ваВ^™оояет требованиям, предъявляемым к порошку, предназначен-
^ппя электроспекания, позволяет сократить количество единиц обо*
B0MJf "Lg совместить операции прессования и спекания, что дает значй-
р)^выигрьпп во времени [182].

^Ойъектом обработки может служить порошок, получаемый дисперги-
^^нием стружки [183].. Например, если исходным сырьем служит
Р°Вужка латуни ЛС 59-1 (дисперсность 1...2 мм), то после измельчения
^jnjcneprarope в течение 2 мин получается порошок, состоящий из сле-
1дащих фракций: 0,7—0,5 мм 62 %, 0?5—0,2 мм 32 %, менее ОД мм б %.
^Порошок обрабатывают по режиму: предварительное уплотнение под
давлением 15-20 МПа, пропускание тока плотностью 1,0...1',1 МА/м2,
уплотнение под давлением 150...200 МПа в течение 15...20 с.Полное вре-
мя спекания образцов 50...60 с.

Для сравнения были изготовлены и исследованы образцы из латунно-
го порошка. После спекания образцы имели следующие физико-химичес-
кие характеристики:

Из стружки 3... 7 Из порошка 2... 4
0,091. ..0,097 0,071 ...0,074
4,9—5,9 6.9
150 250
40 80

Пористость,% ............

Удельное электросопротивление,
мкОмм......................

Ударная вязкость, кДж/м* ....
Предел прочности на изгиб, МПа
Твердость НВ..............

Значения микротвердости вблизи границ и внутри частиц стружки су-
щественно не различались. Микротвердость образцов из порошка была
выше,» чем микротвердость образцов из стружки. Образцы, полученные
из порошка по тому же режиму, имели меньшую пористость (2... 4 %)
и электросопротивление (0,071... 0,074 мкОм-м), большие ударную вяз-
кость (до 0,59 Дж/мм2) и предел прочности на изгиб (245 МПа). Твер-
дость образцов из порошка латуни ЛС 61 в среднем составляла НВ 86.

Излом по своему внешнему виду и по строению резко отличается от
образцов из порошка, а именно: в нем резко выражена слоис-
• Это свидетельствует о том, что разрушение происходит преимуще-
по межчастичным контактам.

стружки010 Данным Рентгенофазового анализа, изделия, спеченные из
нОвски хСостоят в основном из ос-фазы, кроме того, наблюдались рентге-
Л Л™®»чистого свинца. В. изделиях, спеченных из порошка сплава

ZncT* а Фаза с тем же периодом решетки, 0-фаза, а также оксид
101 Rpr^tta>En^H4eCKHe характеристики спеченных материалов из струж-
кие свойств13101 К характеристикам сплошного металла, а механичес-
а существенно ниже, однако и такие спеченные материалы
можно использовать при изготовлении деталей для работы с малой до.
пустимой нагрузкой.

В ряде экспериментов исходным сырьем была стружка алюминиевой
бронзы БрАЖ 9-4 дисперсностью 3...9 мм [184]. Путем Обработки в дис-
пергаторе из стружки получали сыпучий матерная из частиц размером
0,15...0,3 5 мм. Трудность механического'измельчения бронзовой струж-
ки до порошкообразного состояния связана с ее пластичностью. Однако
измельчение все же достигается, в частности, благодаря наклепу частиц
стружки, возникающему в процессе резания, что и придает ей некоторую
хрупкость. Это подтверждается более высокой микротвердостью частиц
стружки по сравнению с микротвердостью спеченных из нее образцов
(колец) и литого металла (табл. 5).

Таблица 5. Твердость алюминиевой бронзы БрАЖ 9-4
и ее структурных составляющих

Исходный материал Твердость, МПа Микротвердость, МПа
а-фазы эвтектоида
Литой пруток Стружка: . 790-820 1810-1890 2350-2450
центральная часть.... • •""" 2220-2580 2550-3020
края - 2700-2820 2910-2940
среднее значение .... Кольцо, спеченное из дроб- я 2570 2880
ленной стружки ....... , 720-800 1030-1590 1520-2190

Электрофизические и механические характеристики спеченных образ-
цов и изделий сравнивались с аналогичными показателями литых образ-
цов. Твердость кольца была близка к твердости литого прутка и состав-
ляла 720...800 (в среднем 770) МПа. Микрэтвердость а-фазы изменялась
в пределах 1030—1590, а эвтектоида — в пределах 1520 — 2190 МПа,т.е,
была ниже микротвердости соответствующих составляющих литой брон-
зы. Следует отметить, что твердость пограничных слоев несколько мень-
ше (700 ... 1650 в среднем 1090 МПа), что можно объяснить большой по-
ристостью граничных контактов. Твердость исходного прутка составля-
ем МПа. Полученные образцы имели относительную плотность

98 %. Ударная вязкость призматических образцов, спеченных из стружки
БрАЖ 9-4, колеблется в пределах от 35 до 46 кДж/м2, предел прочности
380 МПа. Удельное электросопротивление образцов
(. , 9—0,138 Ом-мм2/м) близко к удельному электросопротивлению
литого материала (0,123 Ом-мм2/м) , что указывает на взаимное припе-
кание частиц,

Границы спекаемых частиц в основном четко выражены. На стыках
^-иваются. мелкие редкие поры. Границы преимущественно тон-
°биа^номестами, особенно при большом увеличении, просматривается
КЯе’ывистая темная фаза. По данным микроспектрального анализа, она
0РеР ю оКсидпв алюминия и железа, присутствие которых снижает
спеченных изделий. После травления структура такая же, как
в^ходног° материала, но более дисперсная и неоднородная.

Таким образом, спеченный материал обладает электрофизическими
оактеристиками на уровне сплошного металла, но более низкими ме-
ханическими свойствами.

Еще одним примером электроспекания стали является брикетиррва-
ние стружки [185,186]. После холодного прессования стальной стружки
брикеты могут подвергаться упрочнению на стыковой электросварочной
машине. Наличие значительных контактных поверхностей между элемен-
тами стружки холоднопрессованного брикета, приводит к уменьшению
электросопротивления, ускоряет процесс его нагрева, уменьшает затраты
электроэнергии и разницу в величине начального и конечного напряже-
ний, что позволяет уменьшить установленную мощность электрообору-
дования.

Сравнительно высокие температуры нагрева, особенно на контактных
поверхностях элементов стружки, вызывают сплавление и способствуют
значительному повышению прочности брикетов даже без приложения
больших усилий. При этом существенно упрочняются также брикеты,
изготовленные из окисленной стружки, благодаря возникновению метал-
лических контактов между элементами стружки при частичном разруше-
нии пленки оксидов в процессе холодного брикетирования и восстанов-
лению части оксидов при нагрве в восстановительной газовой среде, об-
разующейся локально при неполном сгорании органических примесей
(стружка была частично замаслена). Этим способом брикетировалась
стружка стали UIX15, обладающая чрезвычайно плохой прессуемостью,
а также чугунная стружка.

Плотность брикетов из стали 111X15 достигала 5,5 т/м3. Удельйый рас-
ход электроэнергии составлял 70 кВт-ч/т (253 кДж/кг). На установке
системы М.Т.Васильева из стружки спекали электрическим током бри-
тты диаметром до 140 мм, высотой 120 мм. Масса брикетов достигала
6 кг’113 медаьй сплавов 12 кг, из алюминиевых сплавов 4,2 кг.
^Роизводительность этого оборудования составляла для медных спла-
До 16,5 т/сут, для алюминиевых сплавов до 12,5 т/сут, для стали,
^Унадо 10,5 т/сут.

сад02?М °^тем ®ыли изготовлены аноды для никелировочных ванн, при-
*ene3oK б₽Икетов (стале-содовых, чугунно-содовых, сталеграфитовых,
Тео алюминиевь1х, железокремниймарганцево-хромовых) [185].

с°ПеРенос1ЧеСКИе оценки предсказывают повышение интенсивности мас-
сРаинению несколько порядков при электроразрядном спекании по
с изотермическим спеканием с равными энергозатратами.
Процесс сплавообраэования можно наглядно проиллюстрировать рентг
нограммами, снятыми со сплавов, изготовленных этим способом.

Рассмотрим профили интенсивности рентгеновских интерференций
от образцов, полученных из смеси порошков, содержащей, % (по мас-
се) : Мо 70 + Сг 30 (рис. 28) [118]. Профили механической неспеченной
смеси представлены на рис. 28, в, на котором обозначены индексы рент-
геновских интерференций. В результате электроразрядного спекания
(эффективная плотность тока 460 А/см , длительность 45 с) уменьша-
ет^! количество фазы на основе молибдена, полностью растворяется

хром, причем образуется гамма твердых растворов в широком диапа-
зоне концентраций (рис. 28, б) • После электроразрядного спекания в
течение 1,5 мин полностью растворяется также молибден, и в резуль-
тате образуется негомогенный сплав (рис. 28, в).

Аналогичен рассмотренному процесс сплавообразования при электро-
разрядном спекании смесей Ni + Mo, W + Mo, Си + Ni. Сравнение ре-
зультатов электроразрядного спекания смеси W + Мо с данными по обыч-
ному спеканию этой смеси [116]
показывает, что спекание при тем-
пературе 2473 К в течение 2 ч при-
водит к значительно меньшей сте-
пени гомогенности, чем электро-
разрядное спекание в течение 1 мин.

Рис. 28. Профили интенсивности 1ц (произвольные единицы) рентгеновских интер-
ференций от сплавов из смеси Мо + Сг: яе.

а - исходная смесь порошков; б, в- образцы, полученные электроразрядным^
канием при плотности тока —460 А/см*, и времени спекания 45 и 90 с соотв
венно; в - угол Вульфа —Брегга

Рис, 29. Профили интенсивности 1ц (произвольные единицы) рентгеновских и
ференций (311) СиКд образцов Си — Ni, полученных электроразрядным спекай»
с различными энергозатратами W г, кА1 -с/ (г-см): _ . jgj

1 — 0 (неспеченная механическая смесь исходных порошков); 2 - 1,07; •> >

4 - 135; 5 - 1,65; б - 2,76
результаты обработки электрическим током смеси Си +
Ра^е^ность < 40 мкм) [85,113]. Для характеристики энергети-
+ N> (воздействия на порошковую смесь воспользуемся величиной, на-
ЧеСКемой удельными энергозатратами [174] х.

(56>

"у СР

I - эффективный ток, проходящий через порошок, А; т — время
^екания, с; I с — средний за время спекания размер образцов в направ-
X ^пускания тока [ I = (I f? +1 г )/2, -где 7 ь 7 2 - начальный и
конечный размеры образцов соответственно], см; М— масса образца,г;
t - площадь поперечного сечения образца, см2.

О ходе сплавообразования при электроразрядном спекании можно
судить по рентгеновским данным и результатам измерения электросо-
противления (рис. 29, 30). Образцы спекались в течение'ЗО. с? под дей-
ствием тока различной плотности. Профили интенсивности рентгеновс-
ких интерференций от исходной смеси порошков размыты (рис. 29,
кривая 7), что свидетельствует о некоторой дефектности использован-
ных порошков. Повышение удельных энергозатрат в пределах W * <
<1,18 кА2с/(г-см) еще не приводит к заметному сплавообразованию;
рентгеновские линии не испытывают заметных смещений (рис. 29, 2,
3); в этом случае при прохождении тока в результате нагрева металла
происходит отжиг дефектов кристаллической решетки,- о чем свиде-
тельствует сужение линий и отчетливое разрешение дублета. Дальней-
шее увеличение энергозатрат до 1,65 кА2 «с/ (г-см) приводит к заметно-
му диффузионному взаимодействию: наблюдается смещение и ушире-
ние рентгеновских интерференций, появляется значительная интенсив-
ность рентгеновского излучения во всем угловом интервале между мак-

Р,МкОм-СМ

100

Ь<с. эд
w мекгросопротавления р медноникелевых обраэ-
^енций энергозатрат Wf и профили интенсивности рентгеновских интер-
симумами по краям (рис. 29; 4, 5). При удельных энергозатратах W «
= 2,67 кА3 -с/ (г-см) образуется почти гомогенный сплав окончательного
состава (рис. 29, линия б).

Аналогичных результатов удалось достичь путем изменения длитель-
ности электроразрядного спекания при неизменном токе. Например, при
сравнении было установлено, что гомогенизация смеси 50 % Си + 50 %
Ni, обеспечиваемая обычным спеканием при 1323 Кв течение4ч,дости-
гается электроразрядным спеканием в течение 45 с (И^ =4,45 кА2-с/
(гем)).

Измерения электросопротивления дополняют картину хода спе-
кания этой смеси. (см. рис. 30). При переходе от режима с Wf =
= 2,96 кА2 -с/ (г-см) к режиму с Wr =3,18 кА2-с/(г-см) (путем удли-
нения процесса) имеет место особо интенсивная гомогенизация (см.
профили интенсивности интерференций, соответствующих этим сплавам,
изображенные у точек 1 и 2 на рис. 30). Общее изменение сопротивле-
ния — повышение с увеличением "Энергозатрат — имеет такой же харак-
тер, как и изменение сопротивления, наблюдаемое и при обычном спе-
кании порошковых смесей (повышение с увеличением температуры и
времени спекания) [70].

Измерения твердости, прочности на срез и пористости в дополнение к
указанным характеристикам позволяют создать более полную картину
хода электроразрядного спекания смеси Си + Ni (рис. 31, 32), Зависи-
мости механических свойств медноникелевых сплавов от удельных энер-
затрат оказываются более гладкими (рис. 31), чем зависимости электро-
сопротивления (см. рис. 30)4 Зависимости механических свойств выхо-
дят на ’’насыщение” при Wr ^4,5 кА2-с/(г-см), достигая максимальных
значений по твердости (НВ 785) и по прочности на срез (стСр = 162 МПа).
Выход кривых на насыщение объясняется тем, что при увеличении удель-
ных энергозатрат до Wr * 2,8 кА2-с/(г-см) в основном заканчивается

Рис. 31. Зависимость твердости НВ (1) и прочности на срез oq, (2) медноникеле-
вых порошковых сплавов от удельных энергозатрат при ЭРС

Рис. 32. Зависимость пористости медноникелевых порошковых сплавов от уДедаг
ных энергозатрат при ЭРС для ’’токовой” (7) и ’’временной” (2) серий
_ поедаарительной гомогенизации, и механические свойства спека-
яр0Я материала приближаются к свойствам однородного сплошного
/£01т>пистого) сплава.

' ч писимости пористости медноникелевых порошковых сплавов в ис-
3 ванном диапазоне значений Wf носят почти линейный характер
Г°оис. 32). Прямая 1 характеризует изменение пористости спекае-
образцов из ’’токовой” серии, прямая 2 — из ’’временной” серии.

1 и 2 имеют разные углы наклона к оси абсцисс, причем более
икни спад у прямой 1. Эти особенности подтверждают значение не толь-
ко интегрального количества энергии, но и скорости ее ввода в порошок
в процессе электроразрядного спекания. Такую особенность можно уста-
новить и из соответствующих рентгеновских данных [113]. Минимальная
(6 %) пористость медноникелевого сплава была' Получена спеканием под
сравнительно небольшим давлением (8,35... 8,6 МПа).

Весьма эффективным оказывается метод спекания сопротивлением
порошковой композиции 80 % Ni + 20 % Сг. Однако спекание с использо-
ванием слишком большой электрической энергии может привести к от-
рицательным результатам. Как уже указывалось, в этом случае в центре
образцов возникает расплавленное ядро, его окружает спеченный слой,
а поверх последнего располагается наружный неспеченный слой. При уве-
личении продолжительности пропускания тока исчезают газонаполнен-
ные поры, вокруг частиц хрома образуется жидкий сплав эвтектического
состава,, который проникает в поры, происходят взаимная диффузия
хрома и никеля, плавление и образование однородного расплава. Механи-
ческое давление может изменять темп протекания указанных процессов.

В результате спекания электрическим током смеси порошков железа
и ферросплава (состав ферросплава, %: С 2,8, Мп 7,84, Сг 28,65, Ti 1,9,
Si 0,47, железо — остальное) можно получить материал с неравновесной
структурой, обладающий высокой твердостью и износостойкостью [94].
При всех использованных режимах обработки (табл. 6) наблюдалось уп-
лотнение спекаемого материала, но до различных значений плотности
U>®L 33); при режиме 6 процесс был нестабильный. Это можно объяс-
нить переходом в так называемую область режимов с кумуляцией [128].
Изменением режима можно регулировать Скорости образования структу-
№ сплавов [90]. Из указанных композиций’были изготовлены высоко-
исственные детали рабочих органов строительных и дорожных машин,
имеется опыт спекания током на контактных св арочных машинах
св№°ЗИЦИЯ’ включаЮ1Иих порошки железа, вольфрама, никеля, олова,
ферп^’титана» алюминия, ферротитана, феррованадия, ферровольфрама*
ем ^хР°ма. Эти композиции можно спекать одновременно с напекани-
Кого НЯ П0ВеРХНость металлической детали [175] (процесс электричес-
ОсУШеспЛНИЯ ~ напекания описан в разделе 2 гл. 2). Было, например,
МлО,^0 ЗЛе^'тР0Спекание порошковой смеси состава, %: С 3,6,

» Si 0,16,' W 19, Сг 25, железо — остальное. Из спеченной компози-
87
Таблица 6. Режимы электрического спекания
под давлением

Номер
режима

р, МПа

Вторичное на-
пряжение холо-
стого хода
трансформато-
ра, В

Максимальный
ток. во вторич-
ной цепи, кА

Длительность*, С

цикла полная
спека-
ния

13 5,2 10,6 9,9 11,7
26 5,2 10,6 7,5 9,5
39 5,2 10,6 5,1 73
13 6,4 15,5 5,7 7,7
26 6.4 15,5 4Д 7,4
39 6,4 15,5 2,5 3,5**

♦ Длительность всех импульсов и пауз между ними. Во всех опытах длитель-
ность импудьса тока ОД с, длительность паузы между импульсами тока ОД с. Пол-
ная длительность — сумма длительности холодного прессования, цикла спекания и
выдержки под давлением после выключения тока.

** Образовался выплеск.

ции изготовляли резцы, не, нуждавшиеся в последующей термической
обработке и обладавшие более высокими режущими свойствами, чем
резцы из быстрорежущей стали Р18.

Особое внимание следует уделять состоянию кислорода в композиции. На по-
верхности железных частиц образуются оксиды железа (II) и (Ш): FeO, Fe3 04,
Fe3O,« Начиная с температуры 845 К оксиды FeO и Fe3O4 могут образовывать
ряд взаимных твердых растворов. Кроме того, может происходить также диссоциа-
ция по уравнению 3 Fe3O, 2Fe3O4 + */» О3.

Атомарный кислород может растворяться в а- и 7-железе и входить в химичес-
кие соединения с примесями (например, с кремнием, марганцем), сродство к кис-
лороду которых больше, чем у железа. При диссоциации оксида Fe3O3 сложный

Рис. 33. Зависимость плотности мате-
риала т от длительности процесса
электроспекания под давлением.
Обозначение кривых соответствует
номерам опытов, приведенным в
табл. 6
О дает твердый раствор с оксидом FeO - вюститом. При охлаждении
оксид Г ДхДтупы 845 К вюстит распадается на оксид Fe,O« и твердый раствор
кя*е темп^ Нерастворимый в железе смешанный оксид FesO4 будет

кв°1°1«ве1ся в материале в виде микроскопических включений.

р*ХютСЯ данные об изготовлении методом электроразрядного спека-
геердрго сплава, содержащего 3 ... 20 % (по массе) В, 1 % (до мас-
) по крайней мере, одного из следующих металлов: меди, кобальта,
Апселя, хрома, молибдена, вольфрама, титана, циркония, гафния, вана-
ниобия, тантала, остальное железо1. Твердость сплавов такого типа
твердости быстрорежущей стали и сравнима с твердостью карбид-
содержащих твердых сплавов. Им присуща хорошая коррозионная стой-
кость при комнатной температуре и высокая жаростойкость при повы-
шенной температуре.

Методом электроразрядного спекания смеси порошков удается полу-
чать чугун с шаровидным графитом2 *. Исходной композицией может слу-
жить, например, такая порошковая смесь: Fe (дисперсность ~40 мкм),
0,1 % Мб (~150 мкм), ОД % ферросилиция, сажа (0,3 г на 10 г железа).
При этом получается чугун со следующими свойствами: ов = 700 МПа,
твердость НВ 190. В исходной шихте вместо порошка железа можно
брать порошок чугуна (не с шаровидным графитом). В случае исходного
высокоуглеродистого чугуна сажу можно не вводить; вместо ферроси-
лиция допускается использовать порошок кремния.

Следует отметить, что с помощью электроразрядного спекания удает-
ся добиться сплавообразования и в таких композициях, которые с боль-
шим трудом поддаются обычному спеканию (ср. с данными по спеканию
однокомпонентных трудноспекаемых порошков, приведенными в разде-
ле 2 настоящей главы). К ним относится, например, композиция Си +
+AL Чтобы преодолеть блокирующее действие прочной оксидной пленки
на поверхности алюминиевых частиц, для получения гомогенной спечен-
ной алйминиевой бронзы приходится прибегать к высокотемпературно-
му длительному вакуумному спеканию.

Элекгроразрядное спекание смесей этих порошков дисперсностью
. мкм позволяет за короткое время получать практически гомоген-
и спеченный медноалюминиевый сплав. Так, И.М.Федорченко, ГЛ.Бу-
смег^В’ А'И-Райченко и др. показали, что электроразрядное спекание
тивиойП°РОШКОВ % (По массе) Си + 8 % (по массе) А1 током с эффек-
йофазилПЛйТНОСТЬЮ 460 А/см2 в течение 40 с приводит к образованию од-
цОГо '° сплава а‘таеРДОго раствора [88]. Параметр решетки получен-
составляет 0,3652±0,0001 нм, что практически совпадает с

Моэдк/1₽еШетки литого образца, содержащего 8,2 ... 8,4 % AL
редположить, что оксидная пленка -при электроразрядном •

2 Пад?и!л?64.а(Велико6Ритания), 1977.

(Япония), 1973.
спекании частично претерпевает возгонку, оголяя места контакта, а час-
тично — фрагментацию, оставаясь в получаемо^ материале. Эксперимен-
тальные данные говорят о том, что процесс сплавообразования в описан-
ном случае идет без появления заметных количеств промежуточных фаз
в отличие от хода спекания в вакууме. т

В разделе 1 гл. 1 уже говорилось о возможности макроскопических
электровзрывов. Концентрированные потоки плазмы или микроскопиче-
ских капель, твердых и оплавленных частичек, образованных при элек-
тровзрыве, проводников, попадая на поверхность алюминия, способны
разрушать находящуюся на ней оксидную пленку и> Образовывать спла-
вы с алюминием [86]. Кроме того, искрение способствует зарождению в
обрабатываемом металле дислокаций и микротрещин» а это может суще-
ственно интенсифицировать массоперенос.

Интересным объектом для исследования электроразрядного спекания
служит композиция Ti + Al. Сам алюминий относится к металлам, имею-
щим низкое электрическое сопротивление. Поэтому, если бы не контакт-
ное сопротивление, то с увеличением количества добавляемого в смесь
алюминиевого порошка, сопротивление всей композиции (до сплаворб-
разования) должно было бы понижаться. Однако влияние добавок алю-
миниевого порошка носит противоположный характер [98].

Следует помнить, что определенную роль в изменении потребляемой
энергии должно, играть образование сплавов, обладающих удельными
электросопротивлениями в широких пределах.

Для практики важное значение может иметь то обстоятельство, что в
случае весьма кратковременного электроспекания не будет происходить
заметного роста зерен.

В прессовках из частиц с обычной для порошковой металлургии дис-
персностью при такой кратковременной обработке диффузия не может
обеспечить полную- гомогенизацию гетерогенных композиций даже при
температурах, приближающихся к температуре образования жидкой фа-
зы. При электроспекании допустимо более высокое содержание жидкой
фазы, чем при обычном горячем прессовании, потому что вязкая прес-
совка, состоящая частично из жидкого металла, частично из твердых час-
тиц, будет в малой степени выжиматься в зазор между электродом-пуан-
соном и матрицей за очень короткое время процесса. Однако в случае
полного расплавления всей загрузки затекания жидкого металла в ука-
занный зазор предотвратить нельзя. В связи с этим электроспекание
можно использовать при обработке систем, которые обычно спекают-
ся при температурах между солидусом и ликвидусом (как» например,
твердые сплавы на основе карбида вольфрама). При традиционном изго-
товлении окончательное уплотнение этих сплавов завершается проп^
сом растворения и вторичного выпадения карбидной фазы в связке. 1 Р
электроспекании уплотнение происходит благодаря приложенному
лению, и растворение и вторичное выпадение за очень короткое вре
«а МОГУТ быть сведены к минимуму. Это подтверждают экспери-
спе*2Ткомпозицией 90 % WC + 10 % Со.

н Хея опыт изготовления материалов электроспеканием порошков
Л^явких соединений. Образцы из диборида титана, спеченные током
Острым нагревом до 1773 К под давлением 23 либо 43 МПа, имели от-
Хгительную плотность 77 % с равномерно распределенными крупными
В°СХи [83]. Наилучшее уплотнение ( с достижением относительной
В^тности 85 %) было получено при затрачиваемой электрической мощ-
пл£гй 5,25 кВт. Масса образцов составляла по 15 г, их диаметр был равен
22 мм, общая длительность спекания 6 мин.

В опытах с карбидом бора (В4С) использовались частицы карбида бо-
оа с покрытиями из кремния и титана для обеспечения проводимости
спекаемого порошка [ доля материала покрытий составляла ~1 % (по
массе %) ]. Поскольку кремний растворяется в карбиде бора, а титан реа-
гирует с ним, можно было ожидать, что эти процессы будут способство-
вать уплотнению материала. Однако никакой интенсификации уплотне-
ния у порошка, покрытого кремнием, не наблюдается. В то же время ти-
тановое покрытие заметно способствует процессу спекания. Титан, об-
разующий поверхностные слои, реагировал с углеродом. В спеченном ма-
териале поры оказались заполненными светлыми продуктами реакции
(вероятно, карбидом TiC).

Приведем еще некоторые данные по композиционным материалам,
изготовленным спеканием электрическим током. В результате электро-
спекания порошковых смесей 90 % Ti +' 10 % Мо, 90 % Ti + 10 % Ст,
94 % Ti + 6 % Ai были достигнуты следующие значения ов: у титанмолиб-
денового сплава 1040 МПа, у титанхромового 780 МПа, у титаналюмини-
евого 685 МПа - (82,144]. В случае большой подводимой энергии внут-
ренняя часть спекаемых прессовок расплавляется, при этом относитель-
ная плотность повышается до 100 %. Одновременно образуется сплав. В
периферийной зоне, не испытавшей плавления вследствие охлаждающего
влияния пресс-формы, имеет место диффузия легирующих элементов в
таган. При оптимальном выборе легирующих элементов и параметров
L*HMa электроспекания можно получать высокопрочные Титановые
розио*1 *’ °бЛадаУ’и*ие повышенной по сравнению с чистым титаном кор-
Матеп^1011 стойкостью против действия неорганических кислот [82].

сриал из титанового порошка с присадкой 1 % (объемн.) А12О Зиме-
^ременное сопротивление 1000 МПа [144].

ций, интерес представляет электроразрядное спекание компози-
желе3*01411* магниевЬ1Й порошок, а в качестве добавок — порошки
соч а> KO®aJIbTa’ никеля, алюминия, хрома, ферросилиция в раз-
етаниях , Полученные таким образом спеченные магниевые

•25849 (Япония), 1973.
сплавы пригодны для использования в производстве чугуна с шаровил
ным графитом (введение в жидкий чугун чистого магния чревато воъ.
никновением вспышки и взрыва) . Электроразрядным спеканием были
получены следующие сплавы, %: 50 Mg + 50 Ni, 50 Mg + 50 Си, 20 Me +
+ 80 Ni, 25 Mg + 75 Си, 8 Mg + 45 Si + 47 Fe, 20 Mg + 60 Si+ 10Ni +
+10 Fe,25 Mg + 35 Si+25 Си + 15 Fe.

Еще одним примером эффективного использования метода спекания
электрическим током может служить получение материалов из ряда по-
рошковых композиций на алюминиевой основе, % (по массе) *. 90 Д1 +
+ 10 графита, 70 А1 + 30 графита, 68 Д1 + 2 (Mg — La) + 30 графита (лан-
тан и магний вводили в виде порошка лигатуры, содержащей 39,7 La +
+ 603 Mg [81]). С повышением содержания графита в смеси с 10 до
30 % (по массе) расход электроэнергии,, необходимой для получения
качественных образцов, уменьшается (табл. 7). Материалы, содержав-
шие 30 % (по массе) графита, по механическим свойствам не уступают
материалам, содержащим 10 % (по массе) графита, а по триботехниче-
ским — значительно их превосходят, (см. табл. 7). Так, материалы с
30 % (по массе) графита могут выдерживать нагрузки до 16,7 МПа при
скорости скольжения до 8 м/с; коэффициент трения при этом имеет
значения 0,025... 0,05 (в условиях ограниченной подачи смазки в зону
трения), что сопоставимо со свойствами сульфидированного железо-
графита [79]. Однако материалы, содержащие 10 и 30 % (по массе)
графита, имеют низкую износостойкость. Один из путей ее повышения —
легирование алюминиевой матрицы. С введением в спекаемую смесь
0,89 % (па массе) La и 1,1 % (по массе) Mg время спекания было уве-
личено с '40 до. 70 с при неизменных значениях плотности токд. В ре-
зультате повысились твердость, прочность на изгиб и несущая способ-
ность материала при некотором увеличении коэффициента трения. Пос-
ле электроспекания в материале имеются участки с повышенной твер-
достью, богатые лантаном и магнием; они достаточно равномерно рас-
положены в мягкой алюминиевой основе. Эта особенность структуры
наряду с наличием большого количества твердой смазки (графита)
благоприятно влияет на триботехнические свойства материала.

Таблица 7. Свойства t шюминиево-графитовых материалов, изготовленных
Состав материа- ла, % (по массе) Уе,мА/м! НВ р . мкОм-см S
90 А1 +10 графита 79,5 7 28 М2
70 А1 + 30 графита 733 4 24 333
68 А1 + 30 графи- та + 2 (Mg - La) 77,0 6 28 3,62
При м ечаии с'упред ~ предельная скорость скольжения.
«•тление деталей из композиции медь - графит (пантографы
ЙзГ° ^гповозов щетки электродвигателей) путем электроспекания
[64]-

мощью электроразрядного спекания удается получить и анти-
бионные материалы из композиции бронза - стеллит и бронза -
ФР®^. с весьма высокими триботехническими свойствами [78] .
Преимущества метода электроразрядного спекания (малая длитель-
ПРдазкое давление) позволяют применить его для изготовления
^Х’ного инструмента. Если различного рода выступы и кромки в
разном зерне имеют в исходный момент величину 50, то в результа-
1 выдержки длительностью т при температуре Т эта величина умень-

дается [176]:

5(r) = «о exp (~DgT/aT),

(57)

где£> -коэффициент поверхностной самодиффузци атомов углерода
в алмазе; а - некоторый множитель.

Из формулы (57) видно, что сокращение времени обработки умень-
шает сглаживание выступов на алмазных зернах. Как было установлено
в работе [74], после отжига отдельные алмазные зерна приобретают ок-
руглую форму с мелкочешуйчатым графитом на поверхности. Наиболее
интенсивное разупрочнение синтетических алмазов происходит при на-
греве выше 1170 К, когда плавятся включения металлов-растворителей
используемых при синтезе [76 77]. С увеличением продолжительности
выдерживания синтетических алмазов при указанных ’’опасных” темпе-
ратурах их прочность существенно понижается [75].

Перечисленные факторы помогают понять, почему кратковременное
злектрическое спекание обеспечивает получение более высококачест-
венного алмазного инструмента, чем традиционные промышленные
технологии. Немаловажным фактором является и то, что метод элек-
’Роразрядного спекания благодаря сравнительно, низким давлениям не
называет существенного влияния на изменение гранулометрического
ментаЯ алмазньк зеРен» тогда как после получения алмазного инстру-
методом горячего прессования (этим методом в промышленно-

^Утр0Спекамием
V *Дж/м* °изг’МПа ^пред’ МПа V пред’ М/С Лр приР=12’5 МПа
и у = 2 м/с
28Л 15,7 3 0,073
19,6 53 16,7 8 0,025
112, 20,6 8 0,044
сти изготовляют, например, хонинговальные бруски) алмазные зерна
сильно измельчаются [71]. Таким образом, понижение температуры и
давления и сокращение времени спекания должны уменьшить графити-
зацию и дробление алмазов и, следовательно, обеспечить повышение
эксплуатационных характеристик алмазного инструмента.

Как показали эксплуатационные испытания, по сравнению с аналогич-
ным инструментом, изготовленным по промышленной технологии, ал-
мазные хонинговальные бруски, изготовленные электроразрядным спе-
канием, имеют производительность в 1,8 и стойкость в 2,1 раза выше
[73]. Метод электроразрядного спекания оказался эффективным и При
изготовлении алмазных пил для резания стекла и камня [64].В резуль-
тате организации производства алмазного инструмента с использовани-
ем электроразрядного спекания на одном из предприятий г. Киева до-
стигнут фактический чистый удельный экономический эффект не менее
4,5 рубУ карат алмазов.

Весьма ценные материалы инструментального назначения получают
импульсным спеканием композиций, содержащих карбид вольфрама
WC, кобальт и кубический нитрид бора BN; при давлениях 1...5 ГПа и
удельной энергии 25 Дж/мм3 удается изготовить материал С пористостью
< 0,5 %. При обработке монокристалла кремния абразивная способность
инструментальных образцов, изготовленных импульсным спеканием,
оказалась в три раза выше, чем горячепрессованных [69].

Материал достаточно высокого качества можно получить из компози-
ции TiB2 — Ni [159]. Изготовленные электроразрядным спеканием об-
разцы из этой композиции не растрескивались после закалки от темпе-
ратуры 2273 К в воду (следует отметить, что указанный материал отли-
чается низкой термостойкостью). В случае спекания материалов систе-
мы диборид титана — фосфористый никель, на воздухе кислород и азот
вступают в реакцию с элементами указанной' системы с образованием
ряда соединении: TiN, Ti2O 3, BN,Ni» В 3, Ni2P, NiP2; прочность матери-
алов невысокая. Образцы, полученные электроспеканием в вакууме при
температурах 1573...1773 К, обладают следующими механическими
свойствами: прочность на изгиб 830 МПа, твердость 1,53 ГПа [72].

На,ГПа

Рис. 34. Зависимость микротвердости Н спе-
ченных образцов диборида титана ИВ, (О и
композиции 80 % TiB, + 20 % Ni от подводимой
мощности (длительность спекания 10 с)
оесны результаты электроспекания порошка диборида титана
1й1те^мпозиции TiB2 + Ni под сверхвысоким давлением. (2,5 ГПа)
в этом случае при подводимой мощности 1,62 кВт в течение
[&• времени от 0 до 10 е плотность образцов резко повышается.
0^й°иоД оТ 2® д0 2®® с плотность продолжает повышаться, но уже зна-
0 медленнее. Близкая к указанной кинетика уплотнения прояв-
при аналогичной обработке порошковой смеси 80 % TiB2 +
^20 % №• Твердость спеченного в течение 10 с диборида титана резко
* вышается при подводимой мощности 1,5 кВт (температура 1753 К),
^ердость материала из композиции TiB2 + Ni повышается при подвей
лимон мощности 13 кВт (температура 1573 К) (рис. 34). Материалы
лз диборида титана или композиции . ,TiB2 +Niвесьма перспективны
для изготовления режущих инструментов и жаростойких деталей.

Имеются примеры изготовления материалов электроразрядным спе-
канием ряда композиций, содержащих и другие тугоплавкие соедине-
иия1. К ним относятся TiC, ZnC, HfC, NbC, ТаС, Cr3C2, Мо2С, WC, SiC,
щС, СгВ, ZrB, WB2, SiB2, BeB2,Fe2N3, BN, AIN, А120з, NiO, Сг20з,
VjOj, MgO. Для получения таких материалов к порошкам металлов или
их смесям добавляют в требуемом соотношении углерод, углеводород
или другие углерод-, бор- либо кислородсодержащие соединения. В ре-
зультате обработки какой-либо из этих порошковых шихт электричес-

ким током получаются спеченные изделия, содержащие в том или ином
соотношении металлы, углерод, азот, бор, кислород. Полученные элек-
троспеканием заготовки можно дополнительно подвергнуть обычному
(неэлектрическому) спеканию, что позволяет получать изделия с необхо-
димыми свойствами.

Большой интерес представляют результаты электроспекания системы
алюминиевый порошок — стальное волокно [59, 67]. Исходными мате-
риалами служили алюминиевый порошок дисперсностью <104 мкм и
стальные волокна диаметром 200 мкм, длиной 12 Л мм либо диаметром
150 мкм, длиной 6 мм. Порошок предварительно обрабатывали в мешал-
ке в течение 5 мин, что в значительной мере разрушало оксидные пленки
на поверхности частиц. Поверхность стальных волокон была покрыта
Латунной пленкой. В шихте стальные волокна занимали 10 либо 20 %
объема (из расчета на композиционный материал 100 %-ной плотности),
Лричем они были ориентированы в одном направлении. Смесь обрабаты-

током с плотностью 830... 8300 А/см2, продолжительность пропус-
тока 0,6... 2 с (т.е. 30... 100 циклов для переменного тока с часто-
^5о ru), давление 123 МПа. Значение Wr было в интервале 520...

кВ-А-ц, Чем выше была энергия, тем выше получалась относитель-
плотность образцов (табл., 8).

Ранение образцов, полученных при низкой подводимой энергии,

3882 (Япония), 1974.
Таблица 8. Плотность материалов, полученных
электроспеканием1 композиции алюминий - стальное волокно

Характеристика стального волокна Плотность, г/см3, при значениях электроэнергетичес* t ких характеристик’
диаметр, мкм объемная доля, % 52; 1580±5П 58? 1720*50 64; 1860*40 80; 2660*90
200 10 3,02(94) 3,18(99) 3,20(99)
20- 3,60(95) 3,67(99) — 3,76(100)
150 10 3,15 (98) 3,20(99) 3,19(99)
20 3,60(97) 3,70(99) 3,75(100)
— 0 2,60(96) 2,65(98) 2,67(99) 2,67(99)

‘ Длительность спекания 1,4 с; в скобках указана относительная плотность, %.

* Первое значение - уровень Тока, % от полнофазного, второе - энергетическая
характеристика, кВ-А-ц.

показало, что более высокой плотностью обладают композиционные маг
териалы с более тонкими волокнами. При небольшом значении энергети-
ческой характеристики (Иу < 1000 кВ-А-ц) достигается малая адгезия
на поверхности раздела волокно — матрица, поэтому предел прочности и
относительное удлинение имеют низкие значения: так, для материала с
10 % (объемн.) волокна диаметром 200 мкм ав достигает ~ 98 МПа,
6 ~ 2 %. При энергетической характеристике, несколько превышающей
2000 кВ-А-ц, прочность возрастает до ~226 МПа, удлинение достигает
~ 10 %, однако при дальнейшем повышении подводимой энергии воз-
можно понижение прочности и удлинения (пластичности). Это объясня-
ется образованием на границе раздела алюминий — сталь хрупких интер-
металлических соединений. Такая тенденция особенно заметна на ком-
позициях с тонкими стальными волокнами. При оптимальном выборе
условий электроспекания будут получаться композиционные материалы
с хорошей адгезией на поверхности раздела между матрицей и стальными
волокнами, но без образования на этих границах хрупких интерметалли-
ческих соединений. С помощью электрпспекяния угтявтся достичь уровня
прочности не меньшего, чем для аналогичных материалов такого же ти-
па, изготовленных другими способами [58].

С помощью электроразрядного спекания можно изготовлять композиционный
материал алюминий — углеродное волокно (62]. Вследствие разрушения оксидных
пленок на алюминии повышается адгезия алюминия к углеродным волокнам, что
является необходимым условием высококачественной пропитки углеродного ар-
мирующего каркаса и создания хорошей связи между волокном и матрицей. В ка-
честве арматуры применяли углеродную ленту, Состоящую из нитей диаметром
7 мкм. Для создания матрицы использовали алюминиевую фольгу (АД-1) или ал»>
миниевый порошок (ПА-4) дисперсностью 20...40 мкм. Объемное содержание во-
локон составляло 70 %. Более технологичной оказалась схема получения материа-
лов с использованием фольги. В этом случае наблюдалось более равномерное рао-
пределение волокон'и алюминия.
м использования инфильтрации жидкого металла в пористую среду
Примера j в рл. 2) может служить изготовление материала графит — алюминий,
(см- Р^материала были определены прочность и триботехнические характеристик
у такого п_ОПИТ1<и алюминием в процессе электроразрядного спекания прочность
юг- Поел _рпНчивается на 16 %, износ уменьшается в два раза, коэффициент трения
объектам электроразрядного спекания относятся образцы из фто-
К лития, которые могут служить заготовками для деталей инфракрасной опти-
Р^При комнатной температуре эта соль-изолятор (удельное сопротивление
Ом-см), при температуре 823 К — проводник (удельное сопротивление
п 1 Ом-см). Если осуществлять процесс в проводящей пресс-форме, то по мере по-
яышения температуры все большая часть тока будет протекать через спекаемый об-
из фторида лития [ 64}Такое спекание,позволяет получать прозрачные
образцы.

Г л а в а 3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВ

1. УСТАНОВКИ

Установки разовогодействия

В конденсаторной установке (такие установки применяются для спе-
кания импульсом тока), кроме батареи конденсаторов, имеются заряжа-
ющее устройство и разрядник (схема установки изображена на рис. 15).
Например, в исследованиях, описанных в [111], использовали батарею
конденсаторов емкостью 5,32 мкФ, максимальное напряжение достига-
ло 20 кВ, максимальный разрядный ток 33 мА. Блок переключения со-
стоял из ртутного игнитронного выключателя и механического ключа,
соединенных параллельно. Примеры использования такого рода устано-
вок приведены в разделе 1 гл. 2.

Примером оборудования для спекания сопротивлением (без давле-
сырых прессовок тугоплавких металлов (тантал, молибден, воль-
может служить установка, предложенная Киффером1. Обычно
обо ОСУществлении процесса электроспекания сопротивлением тепло,
но и7Ю1Цееся в прутке при пропускании электрического тока, доволь-
и конГ110113110 0ТВ0ДИтся с поверхности прутка путем лучеиспускания
к повЛ10001’ При этом возникает перепад температуры от сердцевины
ЭтОго ^Воста и происходит сильный рост зерна в сердцевине прутка.
”*мц^^ется Из$ежать благодаря укладке спекаемых прутков в тепло-:
зультате 3аСЬ1пкУ (ею может служить, например, глинозем). В ре-
°Л^?ается пруток с однородной зеренной структурой и одно-
оиствами по сечению, к тому же такая технология более эко-
энергозатрат. Для отряхивания засыпки со спечен-
применяют вибратор.

Па».244064 га

ut>5 (Австрия), 1965.
Ряд конструкций установок для спекания методом сопротивленцу
описан в книге Г А Ли бенсона [126, с. 194].

Как уже говорилось в разделе 1 гл. 2, при неравномерном заполнении
порошком полости матрицы и при неоднородной плотности спрессовыва-
емого в начальный период порошка электрический ток- пойдет преиму-
щественно через наиболее плотные, т.е. более проводящие участки. В
этом случае трудно получить спеченный металл высокого качества. С по-
мощью устройства, в котором начальное давление к порошку приклады-
вается снизу, удается устранить или уменьшить влияние указанных выше
отрицательных факторов1. На порошок 7, помещенный в пресс-форму 4,
сперва действует нижний электрод-пуансон 12, передающий усилие от
нижнего гидравлического цилиндра 13 (рис. 35). При .вводе в действие
верхнего гидравлического цилиндра 2 посредством верхнего электрода-
пуансона 3 осуществляют прессование порошка окончательным (высо-
ким) давлением на завершающей стадии процесса. Гидравлический ци-
линдр вводится в действие и регулируется четырехсторонним клапа-
ном 5.

Электрическую энергию для спекания подают от источников постоян-
ного 18 и переменного 17 тока. Пресс-форма 4 установлена на поддержи-

Рис. 35. Установка для злекгроразрядного спекания с устройством, обеспечиваю"
шнм подачу начального давления снизу

1 Пат. 5926 (Япония), 1971.
98
ваЮщих стержнях 8. Для предотвращения ’’попадания” переменного то-
к3 в источник постоянного тока 18 служит катушка индуктивности 19;
чтобы предупредить ’’попадание” постоянного тока в источник перемен-
ного тока 17, последовательно ему включен конденсатор 16. В цепь тока
спеканий последовательно включено сопротивление 15. Разность потен-
циалов с части этого сопротивления через усилитель 14 передается на сиг-
нальную катушку сервоклапана 11. Этот сервоклапан, снабженный источ-
ником питания 9, управляет разностью хода нижнего гидравлического
цилиндра 13. В установке имеется регулирующее устройство 20, которое
срабатывает при определенном значении напряжения. Плавное регудиоо-
ваяие постоянного тока от источника 18 осуществляется соответственно
падению напряжения между электродами-пуансонами 3 и 12 Рабочая
жидкость (масло) для питания гидравлических цилиндров 2 и 13 солей-
жится в резервуарах, откуда подается с помощью насосов 6, 10 Ве£

узел электроспекания совместна с гидравлическими цилиндрами поме-
шается j защитном колпаке 1.

Для некоторых применений предпочтительнее использовать обору-
дование с обжатием в направлениях, не совпадающих с направлением
пропускания тока. Примером такого оборудования может служить ус-
тановка с эластичной пресс-формой [57]. Металлический порошок за-
гружают в резиновую или пластмассовую форму, которую помещают
в резервуар с маслом. Имеется Опыт по применению силиконовой ре-
зины для изготовления таких форм. Процесс, осуществляемый в описы-
ваемой установке, можно назвать электроразрядным (искровым) спе-
канием в условиях изостатического прессования; он особенно эффек-

36. Схема сосуда высокого дав-
для электроразрядного спекаг
сповиях изостатического прес-
~ металлический электрод; 2

4Во*< $ ~ графитовый электрод;

~ образец; 5 - силиконовая рези-
~ 7 “ металлический

8 - электрическое соеди-
^о давл°ВОдаИК) ’ $ “ СОСуд высо"
тивен при спекании активных, слегка окисленных порошков. Установ-
ка для такой обработки состоит из управляющего устройства, генера-
тора переменного тока, выпрямителя, генератора для накачки масла и
резервуара высокого давления. На концах эластичной формы, заполнен-
ной порошком, монтируют графитовые электроды, через которые к по-
рошку подводят ток. Давление масла (до100 МПа) передается к порощ.
ку изостатически, через стенки эластичной формы (рис. 36). Металличе-
ский порошок, находящийся под гидростатическим давлением, нагрева-
ется суперпозицией постоянного и переменного токов в течение 5... 6 с.
Предусматривается возможность измерения температуры загрузки тер-
мопарой. Хотя внутренняя поверхность формы из силиконовой резины
во время отжига загрузки частично обгорает, внешняя часть формы не
повреждается. В аналогичном японском аппарате1 давление так же соз-
дается в гидростате и передается к спекаемому изделию через резиновую
оболочку. Отличие состоит в использовании электропроводных порош-
кообразных засыпок в качестве Элементов электрической цепи. В такого
рода установках можно изготовлять детали более сложной формы, чем в
установках с жесткими пресс-формами и электродами-пуансонами.

На установке электроразрядного спекания мощностью 150 кВт с мак-
симальным давлением 200 кН можно изготовлять детали из медных
сплавов размерами 300X50X25 мм, из железных сплавов размерами
200X50X25 мм [64].

Установки непрерывного действия

Ряд устройств позволяет осуществлять электрическое спекание сов-
местно с формованием порошка в непрерывном режиме'.

В установке Сакаи* [55] имеется бункер для порошка, стальные
валки диаметром 250 мм, осуществляющие холодную прокатку порош-
ка в сырую ленту, графитовые валки-электроды диаметром 250 мм, к
которым подключается источник электрического тока для спекания
движущейся спрессованной из порошка ленты. В установке имеется еще
одна пара валков (стальных) диаметром 50 мм, предназначенных для
окончательной прокатки спеченной ленты. Валки-электроды могут иметь
секционное строение (каждая секция кольцеобразной формы электриче-
ски изолирована от смежных с ней), При использовании установки с та-
кими валками-электродами спекание порошка происходит в нескольких
зонах поперек порошковой полосы, причем в каждой зоне полосы меж-
ду соответствующей парой секций ток спекания имеет определенное зна-

Для процесса электрического напекания-накатки предназначена уста-

а Пат. 25125 (Япония),1971.

з См.также: пат. 7406 (Япония), 1970.

Пат. 1431801 (Великобритания), 1976
. ис 37), главной частью которой является машина шовной свар-’
S°Bfr771 Валки-электроды 5 изготовлены из электродного сплава Мц-4.
хний валок имеет реборды для предотвращения ссыпания порошка и

Рис. 37. Схема установки для электрического напекаяия-накатки порошков на ме-
галлические изделия

для формирования кромок накатываемого слоя. Порошбк 3 подают на
изделие 1 шнековым питателем 2. Толщину порошкового слоя на изде-
лии регулируют шиберным устройством 4. От вторичной обмотки транс-
форматора 6 к объекту подводят ток силой 8... 12 кА. Прерывистый

процесс может осуществляться при помо-
щи прерывателя 7. Пример использова-
ния установки в технологии рассмотрен
в разделе 2 гл. 2.

Процесс электрического напекания по-
рошка на тела вращения (например, ци-
линдрической формы) также проводят с
помощью подобного сварочного обору-
дования [178, с.223-229]. Например, на-
пеканию в два приема подвергался же-
Дезкый порошок, окончательная толщина
слоя составляла 1,8 ...2 мм. На качество
^екания и сцепления напеченного слоя с
^в°й влияют усилие на ролик и элек-
WecKHe параметры.

hie. jg у

гР«ои порошка КЭ ДЛА экстРузии ^электронаг
Рассмотрим оборудование для экструзии с электронагревом1. Зато-
товку 3 (порошок в состоянии свободной насыпки или прессовка) по-
мещают в контейнер 1 экструдера (рис. 38) < Посредством пуансонов 2,
5, одновременно служащих электродами, через заготовку пропускают
электрический ток (источник питания не показан), приводящий к ее
равномерному нагреву. Пуансоны изготовляют из сплавов хром — медь,
бериллий — медь, вольфрам — медь или вольфрам — серебро, рабочая
поверхность их облицована пластинами из нержавеющей стали 13. Нагре-
тую заготовку подвергают экструзии путем приложения давления через
пуансон 2. На внутренней 4 и внешней 10 поверхностях фланца исполь-
зуют электроизоляционный материал (например, композиция оксида
алюминия с жидким стеклом). Для соединения верхней и нижней частей
контейнера I используют фланцевую стяжку 11с необходимым количе-
ством болтов 12. Для предотвращения окисления заготовки внутрен-
нюю полость контейнера вакуумируют либо заполняют защитным газом
(для этого служит труба 16 в верхней части контейнера 1). Для обеспе-
чения перемещения пуансонов 2 и 5 имеются сильфоны 6, снабженные
системой водяного охлаждения 8. Чтобы поместить заготовку 3 в кон-
тейнер 1, снимают стяжки 15, используемые для уплотнения фланцев
14. В экструзионное отверстие нижнего пуансона 5 вставляют фильеру
9 из сверхтвердого материала. В случае изготовления трубчатого изде-
лия устанавливают дорн 7, острие которого располагается в центре экс-
трузионного отверстия. В источнике питания имеется устройство регули-
рования тока и напряжения, обеспечивающее прерывистое пропускание
тока, что позволяет осуществлять экструзию нагретого до нужной тем-
пературы металла.

Измерительная и управляющая аппаратура

Электроспекание часто требует точного контроля, обеспечивающего
регулирование параметров процесса и длительность его стадий. Опти-
мальная технология может быть выработана на основе тщательных из-
мерений.

Для контроля процесса спекания или напекания порошка важно знать
температуру в зоне спекания. Примером осуществления таких измере-
нии может служить методика, примененная при злектроконтактном на-
пекании металлических порошков на стальную основу [178, с. 219—
222]. Для этого служили естественные термопары с использованием ме-
талла образца (сплошного) из стали 45 в качестве одной составляющей
термопары. В качестве второй составляющей термопары использовали
сам напекаемый порошок, контактирующий с проволочкой такого же

1 Пат. 24321 (Япония), 1974.
Рис. 39. Схема подключения Термопар:

1 - электрод-пуансон (сплошной металл) Г 2 - пресс-форма; 3,4,6- проволочки
термопар; 5 - порошок; 7 - трансформатор; 8 — контактор; 9 - конденсатор;

10- дроссель; 11 — реостат; 12 — шлейф осциллографа

химического состава, или проволочку из сплава фехраль, дающего высо-
кую термоэд.с. в паре со сталью 45, т.е. с металлом сплошного образца.
Фехралевую проволочку утапливают в порошок в момент его засыпки в
изолирующую форму. Для создания холодных концов у такой естест-
венной термопары к сплошному образцу приваривали проволочку того
же состава (сталь 45). К концам такой термопары подключали измери-
тельный прибор (гальванометр либо шлейф осциллографа) (см. рис.
39). Трубочку с термопарой можно вводить в слой порошка до точки, в
которой надо измерять температуру. Для замера конечных температур
иагрева и скорости охлаждения термопару отключали от шлейфа осцил-
лографа в момент включения тока спекания и подключалиж шлейфу в
м°мент выключения тока с помощью контактора 5.

Для измерения температуры в процессе нагрева В’Цепь термопары вве-
индуктивно-емкостной фильтр. Поскольку при спекании порошка
еременным током отфильтровать его влияние на измерительнуюцрпь
ояностью не удается, о температуре спекания судят по средней линии

Ооциллограмма изменения
Етр? ВВеДеНИИ ’ ЦеПЬ
1*’>нечЛ?Ча"ЬНая температура; Га —
(максимальная) темпера-
между максимальными и минимальными значениями якобы пульсирую-
щей температуры, записанной осциллографом (рис. 40). При тарировке
показании термопары по пирометру ошибка измерений температуры на-
ходится в пределах 5 %.

Так как время электроспекания в случае использования очень боль-
ших токов имеет порядок долей секунды, обычные методы измерения ,
температуры и ее распределения по заготовке (такие, как посредством
термопары или оптического пирометра) становятся непригодными. До-
статочно ли спечена заготовка, определяется измерением ее плотности и
других физических и механических свойств, а также по ее микрострук-
туре. Для установления распределения температуры по, образцу в нем
размещают небольшие проволочки из металлов с различными точками
плавления. После спекания образец исследуют, чтобы определить, пла-
вились ли эти проволочки или нет. Использование набора указанных про-
волочек и их различное размещение в образце позволяют получить до-
статочно полное представление о распределении температуры.

Рассмотрим измерительную и управляющую системы установки1, по-
казанной на рис. 41, а. Электроды-пуансоны 2,12, матрица 13 с рабочей
полостью 14, источник тока спекания 11, устройство для спядяниямаха-

т В

Дозаторомэасыпаем^гог^юшк^”01^0спеканияс электромагнитнымизмерителем-
в - общая схема; б - попепечный г»,
телем-дозатором порошка " реэ трубопровода с электромагнитным измери-

Пат. 18325 (Япония), 1974
104
еского давления 1 являются обычными компонентами оборудования
вИ’ электроспекания. Порошок из бункера 7 по трубопроводу 3 посту-
ет в рабочую полость 14, По двум противоположным сторонам в тру-
бопроводе 3 расположены измерительные электроды 4, 5 (см. осевой
°рез на рис. 41, а, поперечный .разрез — на рис.41, б), Для питания сис-
измерения используют источник 8. Устройство 9 для съема сигна-
лов от электродов 4,5 через усилитель 10 соединено с источником тока
екания Н- Постоянные магниты или электромагниты 15, 16 создают
магНитное поле, скрещенное под прямым углом с направлением тока
между электродами 4, 5. С помощью устройства съема сигналов 9 при
пропускании тока между электродами 4, 5 через движущийся порошок
можно определять ток спекания,^ адэкватный сопротивлению данного
порошка (оно зависит от материала порошка, состояния поверхности
частиц, наличия на ней оксидов, влаги, примесей и тд., об этом см. в па-
раграфе 3). Используя эти сигналы, можно автоматически или вручную
регулировать режим работы источника тока спекания 12 (а также устрой-
ства для создания механического давления 2).

Вследствие протекания тока между электродами 4, 5 и наличия маг-
нитного поля между полюсами 15, 16 на порошок в трубопроводе 3 бу-
дет действовать вдоль оси трубопровода объемная электромагнитная
сила [J еВ](?е — плотность тока, В — магнитная индукция). Если поро-
шок 6 однороден по электрическим свойствам, насыпной плотности и
сыпучести, то поступление его в полость 13 можно автоматически дози-
ровать.

Исследовательская установка t созданная в Институте металлофизики
АН УССР, состоит из силового блока, блока управления и автоматики с
регистрирующей частью, рабочей камеры [187]. В силовом блоке с по-
мощью тиристоров, включенных в первичную цепь силового трансфор-
матора, формируется и подается на образец рабочее напряжение опреде-
ленной длительности и амплитуды.

Блок управления тиристорами представляет собой генератор импуль-
008»синхронизированных с моментами перехода через нуль фазных наг
пряжений сети. Изменением длительноспгимпульсов можно управлять
^ониостью, подаваемой на образец, а следовательно, нагревом при боль-
скоростях. Блок регистрации и управления оснащен системой, ко-
^Рая позволяет нагревать образцы в автоматическом режиме по таким
ско^аММа.М: и^Р613 с выбранной скоростью до заданной температуры;
кап?СТН0®мнагРев До температуры изотермической выдержки и выдерж-
°xjiX„3Toh темпеРатУРе; скоростной нагрев' до заданной температуры,
этойт^116 ДО темпеРатУРы йзотермической выдержки и выдержка при
Pe*«Ma^ne₽aTyPe’ теРм°Диклическая обработка по трем указанным
^’ипера^ РегистРации позволяет измерять и непрерывно записывать

*УРУ спекаемого образца, изменение его поперечных размеров,
напряжения и силы нагревающего тока во всем диапазоне скоростей на-
грева. Датчиком для измерения температуры служит термопара BP5/2Q
с диаметром проволок до 0,08 мм. Экспериментально установлено, что
при использовании проволок диаметром 0,08 ... 0Д2 мм, погрешность
измерения при скоростях нагрева до 2000 К/с не превышает ± 10 К. В
диапазоне температур от 1073 до 1573 К предусмотрена возможность
измерения температуры при помощи фотоэлектрического пирометра
ФЭП-4М с многопозиционным регулятором, который применяют в ус-
ловиях программного нагрева.

Образцы спекают в вакууме; аргоне или воДороде. Газовая система
обеспечивает плавную регулировку расхода аргона и водорода и раздель-
ную их подачу в камеру спекания. Объемное содержание водорода в га-
зовой смеси во время спекания фиксируется автоматическим газоанали-
затором ТП-1120. Размеры образцов йзмеряют с помощью дилатометра,
в котором датчиком служит механотрон типа 6МХ1С. Конструктивное
оформление установки позволяет применить лазерный или телевизион-
ный дилатометры для бесконтактных измерений.'

Уровень эксплуатационного совершенства технологического оборудования су-
щественно повышается при использовании управляющих машин. В фирме ”Лок-
хид” благодаря управлению технологическим процессом с помощью компьютера
выход годной продукции на установке электроразрядного спекания мощностью
1050 кВт достигает 100 % (64].

В установке. ’’Зинтерпресс” швейцарской фирмы ’’Диабер” мощностью 65 кВт
режим спекания в'графитовой пресс-форме регулируется автоматически посредст-
вом замера температуры с помощью фотоэлемента и использования этого сигнала
для автоматического осуществления процесса по заданной программе. Здесь также
практически вся производимая продукция (алмазный инструмент) является каче-
ственной.

2. ПРЕСС-ИНСТРУМЕНТ

Материалы, предназначенные для изготовления наиболее ответствен-
ных деталей пресс-инструмента — электродов-пуансонов и матриц —
должны быть совместимы как со спекаемыми объектами, так и между
собой, т.е. крайне нежелательно физико-химическое взаимодействие
между ними в ходе эксплуатации. Исключение составляют процессы на-
пекания или припекания, когда электродом-пуансоном фактически слу-
жит деталь, к которой должен быть припечен порошок (см. раздел 2 в
гл. 2).

Условия работы электродов-пуансонов в определенной степени сход-
ны с условиями, в которых находятся электроконтакты и свариваемые
встык стержни; для описания температурных полей в ниХ можно вос-
пользоваться вычислениями и оценками, приведенными в работе [51]-

Между охлаждаемыми водой электрическими контактами возле плит
пресса и торцевыми поверхностями злектродав-пуянг-.анг>в 1 касающими-
ся спекаемого порошка, возникают очень большие термические гради-
енты (300 ... 500 К/см) [83]. На контакте электрод — пуансон — поро-
106
„пинаются высокие температуры, а иногда и высокие давления,
biok Р не голъко к уплотнению порошка, но и к окислению, разуп-

410 и деформации электрода-пуансона. Кроме того, на контактной
Р^^ости вероятно возникновение электрических разрядов, способ-
повер2звать эрозию рабочей поверхности электрода-пуансона [118].
^процессе эксплуатации между электродом-пуансоном и спекаемым
^шком возможен мостиковый -перенос материала электрода-пуансо-
спекаемый образец и материала образца на электрод-пуансон по-
^бный тому, который наблюдается при эксплуатации сильноточных
2ектрических контактов [49] - Как следствие, возможно припекание.
vn0Me припекания (адгезия) порошка к электродам-пуансонам, воз-
можно также возникновение на указанном контакте новых фаз.

Как и в технологии горячего прессования, ,в качестве материала пресс-
инструмента для электроспекания часто используют графит. Если при
этом электроспеканию подвергается порошок карбидообразующего ме-
талла, то отрицательную роль может сыграть реакция карбидообразова-
ши на контактной поверхности графит — порошок. Процессы такого ро-
да наблюдаются, например, во время электроспекация титанового по-
рошка или смеси, содержащей титановый порошок [48]. Не весь
углерод сосредоточивается в окрестности контакта между электродом-
пуансоном и порошком в образующемся карбидном слое. Часть углеро-
да проникает в прессовку и диффундирует в глубь порошковых частиц,
причем на скорость этого процесса влияют параметры электроспекания.

Так, эксперименты по электроразрядному спеканию титанового по-
рошка с использованием графитовых электродов-пуансонов показали,
что с повышением давления уменьшается пористость и понижается со-
держание углерода в глубине металлическихчастиц. Практика электро-
спекания свидетельствует о том, что графитовые матрицы обладают не-
высокой износостойкостью.

Возможно использование как проводящих, так и изолирующих мат-
риц [47]. Процессы, происходящие на контактной поверхности матри-
ца - спекаемый порошок, в основном аналогичны процессам на контак-
те э31ектР°Д — пуансон — спекаемый порошок, поэтому требования,
предъявляемые к материалам матриц и электродов-пуансонов, подобны.
jJk 21<0 ДПя изготовления матриц, как правило, используют изоляцион-
товлГ*’10111 матеРиалы менее электропроводные, чем для изго-
гакже^б электродов2пУансонов- Материалы пресс-инструмента должны
ла) I Мал°й теплопроводностью (для уменьшения потерь теп-

РИЦ не ’>’>идиентЬ1 теплового расширения электродов-пуансонов и мат-
117111 появлЛЖНЬ1 СИЛьНо Различаться (для предотвращения заклинивания

ения зазоров). Следует также учитывать, что материалы, пред-

И”'1528 (Япония), 1970; 14645 (Япония), 1970.
назначенные для изготовления пресс-инструмента, должны поддаваться
механической обработке»

Между спекаемым порошком л деталями пресс-инструмента иногда
целесообразно помещать некоторый слой. Этим слоем может быть либо
покрытие да рабочих поверхностях пресс-инструмента, либо прокладка
(у торца электрода-пуансона), либо вставка (в рабочее отверстие матри-
цы). Прокладка у торца электрода-пуансона может способствовать вы-
равниванию температуры в спекаемом порошке. Такую роль при спека-
нии цилиндрических образцов выполняет, например, круглая графито-
вая прокладка с полостью вблизи оси [46]. В этом случае ток от элек-
трода-пуансона идет в прокладку через кольцевой контакт на перифе-
рии торца и далее преимущественно по участкам, порошкового образца
вблизи его боковой поверхности.

Температура поверхности спекаемый порошок — прокладка сильно
зависит от размера прокладки, электрического и термического сопро-
тивлений материала, из которого она сделана.Можно ожидать, что более
низкая температура будет на границё спекаемый порошок изолирую-
щая вставка, поскольку последняя не нагревается током и через нее от-
водится тепло от нагретого спекаемого образца. Как показал Ленел,
коль скоро свойства на периферийной поверхности спекаемого образца
не очень ухудшаются, такая пониженная температура желательна, потому
что при этом уменьшается возможность реакции порошка с материалом
вставки. Однако следует помнить о возможности существования на пери-
ферии образцов недостаточно спеченного и мало уплотненного металла.
Иногда приходится мириться с необходимостью стачивания неполностью
спеченного материала с указанной боковой поверхности (к такой мере
приходилось прибегать и из-за проникновения углерода из графитового
пресс-инструмеНта в спекаемый титановый порошок).

Свободному извлечению спеченного изделия из матрицы после осты-
вания может способствовать ее нагревание. Для этой цели вокруг мат-
рицы помещают нагревательную обмотку, подключаемую к источнику
высокочастотного напряжения. Индукционным способом матрицу на-
гревают до температур 473 '... 773 К, обеспечивающих достаточное теп-
ловое расширение матрицы.для извлечения из нее детали1.

Некоторые принципы легирования сплавов для электродов свароч-
ных машин, марки применяемых для этой цели сплавов и их свойства
приведены в [41]. Этими данными можно руководствоваться и при
разработке новых материалов для электродов-пуансонов.

Для обеспечения высоких эксплуатационных свойств пресс-форм
при электроспекании важно решать вопросы как материаловедческого,
так и конструктивного плана. Чаще всего пуансоны служат электрода-
ми, и ток спекания пропускают через порошок в направлении действия

1 Пат. 29684 (Япония), 1972.
механического усилия прессования. Однако при изготовлении длинно*
мерных изделий может оказаться более эффективным другое решение:
с помощью пуансонов из электроизоляционного материала осуществля-
ет прессование в направлении меньшего размера, тогда как электродами
служат детали матрицы причем ток пропускают в направлении большего
размера изготовляемого изделия [38] (вариант обработки, когда через
образец цилиндрической формы в 'эластичной оболочке ток спекания
пропускают в осевом направлении, а обжатие его осуществляют изоста-
тически в радиальных направлениях, обсуждался в разделе 1 настоящей
главы).

Для электроспекания в защитной среде (см. раздел 3 в гл. 2) целесо-
образно пользоваться устройством, конструкция которого описана в
[36] Ч Это устройство снабжено, например, поддоном и токопроводя-
щим сильфоном, причем матрица и нижний электрод-пуансон установле-
ны в поддоне, сильфон расположен на верхнем электроде-пуансоне, а бо-
ковая поверхность электродов-пуансонов выполнена с наклонными ка-
навками, что обеспечивает надежную циркуляцию газа через полость
матрицы.

Хорошо зарекомендовала себя плавающая пресс-форма. Эластичный
теплоизолирующий кожух, окружающий йресс-форму, дозволяет уско-
рить достижение температурного равновесия и снизить энергопотери по-
средством излучения [138].

В условиях производства можно организовать работу на вращающем-
ся столе с местами для загрузки пресс-форм, холодного прессования
(если технологией это предусмотрено), электроспекания и разгрузки.

Электроды-пуансоны

Электроды-пуансоны для спекания электрическим током в процессе
эксплуатации подвергаются действию электрического тока/высоких
температур, давления, агрессивных сред. Поэтому материал электродов-
пуансонов должен обладать высокой прочностью, электропроводностью,
химической, термо-, жаро-, окалино- и эрозионной стойкостью; Хотя в
настоящее время не представляется возможным сочетать все эти свойст-
ва в одном материале, определенные надежды можно возлагать на неко-
^°Рые марки графита, специальные сплавы (стали), используемые при
отовлении инструмента для горячей штамповки, некоторые туго-
^кие соединения, в частности, нитриды, твердые сплавы2.

в.Чи пР°Цесс взаимодействия с электродами-пуансонами значительно
ет природа спекаемого порошкового металла. Например, с электро-

1с~~

1 nt: ?акже: пат- 5926 (Япония) ,1971.

1528,14645 (Япония),1970. 1
дами-пуансонами из стали ЗХ2В8Ф сильно взаимодействует спекаемый
титановый порошок, слабо-медный [34].

Как показала практика спекания электрическим током, в электро,
дах-пуансонах возможны процессы двух видов: взаимодействие со спе-
каемым порошком по поверхностям соприкосновения и структурные
изменения в объеме. При определенных условиях структура электродов-
пуансонов претерпевает существенные изменения и в процессе эксплуа-
тации происходит изменение формы (электрод-пуансон ‘’плывет”). На-
пример, при пропускании тока плотностью 102 ... 10 А/см2 и доведении
давления до 102 МПа на заключительной стадии электроразрядного спе-
кания медного порошка у электродов-пуансонов из стали ЗХ2В8 после
20 циклов спекания (длительность одного цикла 150 с) наблюдается
прирост по диаметру на 0,01 мм [32].

Представляют интерес данные по эксплуатационной стойкости элек-
тродов-пуансонов из стали ЗХ2В8Ф при электроразрядном спекании
композиции состава 80 % (по массе) Си + 20 % (по массе) Sn, которая
часто используется как связка в алмазном абразивном инструменте
[28]. В композицию, кроме металлов, входил алмазный порошок двух
зернистостей: 250/200 либо 200/160 мкм. Условная концентрация абра-
зива составляла 50 %х, причем он распределялся только в одной полови-
не объема образца. Эффективная плотность тока в течение цикла спека-
ния изменялась от 440 до 560 А/см2, а давление — от И до 130 МПа, час-
тота переменного тока составляла 5,6 кГц. При этом температура элек-
тродов-пуансонов повышалась до ~770 К. Во избежание адгезии и вза-
имной диффузии между спекаемой порошковой композицией и электро-
дами-пуансонами2 последние перед использованием обезжиривания и по-
крывали тонким слоем коллоидально-графитового препарата. Электро-
ды-пуансоны в этих условиях не вступали во взаимодействие со спекае-
мым материалом, образцы после спекания без труда отделялись от элек-
трода-пуансона. Рабочая форма электродов-пуансонов сохранялась в те-
чение 180 циклов спекания и электроды-пуансоны остались пригодными
к дальнейшему использованию. После указанных выше процессов спека-
ния на торцах электродов-пуансонов и в глубине на различном расстоя-
нии от торцов твердость осталась такой же, что и до проведения спека-
ния (HRC 54..37). Этот факт наряду с результатами рентгенофазового
и металлографического исследований свидетельствует об отсутствии
существенных структурных и фазовых изменений в электродах-пуансо-

обраэца.И ТаКО<* концентрации на долю алмазного порошка приходится 1/8 объема

Такое явление наблюдается, например, во время электроразрядного спека-
ния смеси Си - Ni: имеют место припекание образца к электроду-пуансону, диф-
фузия железа в медноникелевый сплав и никеля - в стальной электрод-пуансон
IАЭЗJ•

по
„ах. Однако при более жестких режимах эксплуатации в электродах-
пуансонах из той же стали наблюдаются рост карбидных частиц, пони*
^ие твердости и изменение формы [32,153].

Часто на рабочие поверхности электродов-пуансонов целесообразно
наносить покрытия [23], что повышает их эксплуатационные характе-
ристики [5, 34], либо использовать прокладки из более стойких матери-
алов. Электроды-пуансоны с покрытиями, нанесенными различными ме-
тодами, в ходе электроразрядного-спекания порошков ведут себя по-
разному [28] • Например, наблюдалось охватывание спекаемых порош-
ков алюминия и меди с поверхностью электрода-пуансона из стали
ЗХ2В8, упрочненной карбидом титана методом электроискрового леги-
рования. Это связано с тем, что упрочненный слой имеет большую шеро-
ховатость и невысокую сплошность (50...60 %). Спекаемый порошок
внедрялся в поры покрытия.

Испытание таких же электродов-пуансонов с карбидо-хромовыми по-
крытиями, созданными детонационным и плазменным методами, пока-
зало их невысокую работоспособность: после двух-трех циклов спека-
ния покрытия отслаиваются, что объясняется слабой для условий элек-
троразрядного спекания адгезией слоя к подложке. Следовательно, по-
вышать стойкость электродов-пуансонов необходимо методом, обеспе-
чивающим не только малую шероховатость и высокую сплошность по-
крытия, но и высокую адгезионную прочность его соединения с осно-
вой. Таким требованиям в большей мере по сравнению с упомянутыми
методами удовлетворяет диффузионное насыщение элементами туго-

плавких соединений. В этих случаях при спекании порошков отслаива-
ния диффузионных покрытий от основы электродов-пуансонов не на-
блюдалось. Сравним силу адгезии спеченного алюминия к электродам-
пуансонам из стали ЗХ2В8 без покрытия и с покрытием. В случае с диф-
фузионным покрытием из карбида титана удельное усилие отрыва от
алюминия составляло 0,43 МПа, а в случае без покрытия 8,15 МПа. Ка-
чество покрытия может быть улучшено и посредством вариации его
Устава. Например, можно ожидать повышения прочности и трещино-
Ст°йкости покрытия, если вместо карбида титана использовать ком-
плексное покрытие из карбида титана с добавками 4...5 % TiN [24].

Покрытия могут улучшить качество и графитовых электродов-пуансо-
°п. Известно, что графит обладает высокой жаропрочностью, однако
Д действием механических нагрузок он легко разрушается. Кроме то-
чего' НекотоРЬ1м порошковым материалам он припекается, в результате
один ГРаФИТ0Вые детали пресс-инструмента могут быть использованы
ансон011* Не$°ЛЬШое число раз. Для повышения качества электродов-пу-
кание В На и* повеРхность напекается тонкий керамический слой; напе-
то^ осуществлять при помощи пропускания электрического

• *1ля создания указанного слоя использовались SiO2, А12 О3, Fe2 Оз,
Fe304, MgO с примесями1. В массивном виде указанная керамика не-
электропроврдна, но в виде очень тонкого покрытия, содержащего при-
меси, не является препятствием Для прохождения электрического тока.
Благодаря покрытиям срок эксплуатации электродов-пуансонов возрас-'
тает. Так, при электроразрядном спекании твердого сплава WC + Со
обычная графитовая пресс-форма может использоваться только один раз,
а с покрытием 46 раз.

Интересный пример использования прокладок приведен в работе
[174]. Сакаи, Итабаси, Хара заметили, что образцы из железного порош-
ка, спеченные с использованием электродов-пуансонов из хромистой
бронзы, имеют неравномерную микроструктуру. В частности, в участ-
ках, соприкасающихся с электродами-пуансонами, вследствие их охлаж-
дающего действия остаются неспеченные слои. Были проведены экспери-
менты с использованием тонких прокладок из нержавеющей хромонике-
левой стали, обладающей более высоким электросопротивлением, чем
хромистая бронза. Использование таких прокладок обеспечивает допол-
нительное выделение тепла на границе с порошком, что ускоряет его спе-
кание. В экспериментах с использованием прокладок толщиной 0,5 и
1 мм было установлено, что при использовании прокладки толщиной
1 мм плотность спеченных образцов значительно выше, чем при исполь-
зовании прокладки толщиной 0,5 мм.

Из материалов, опробованных для электродов-пуансонов, при элек-
троимпульсном спекании применяли, в частности, молибден [141]. Туго-
плавкие металлы и сплавы дороги, однако технико-экономические рас-
четы часто свидетельствуют о целесообразности их использования. На-
пример, тугоплавкий сплав, указанный в [159], дороже графита в шесть

Рис. 42. Дифракгограммы никепьмо-
либденовых образцов, подученных при
использовании электродов-пуансонов
из различных материалов:
а — исходная смесь; б — бронза
БрХ0,7; в — сталь ЗХ2В8Ф; г — грат
фит МПГ-6
однако электроды-пуансоны из него служат в 20 раз дольше, т.е.
Р33’^ тройное преимущество по стоимости.

ПОЛгГи электроразрядном спекании смеси порошков Ni + Мо с использо-
аюг электродов-пуансонов из материалов с различными тепловыми
вайИ_ериСТИКами, установлено, что степень гомогенности спеченного
зависит не только от интегральных энергозатрат (определение
й величины см. в разделе 2гл. 2), но и от термофизических свойств
Сериалов электродов-пуансонов. В важности термофизических харак-
Хистик материалов электродов-пуансонов для хода спекания можно
Хдиться на следующем примере [32]. Электроразрядное спекание ни-
^льмолибденовой смеси [ Wr =5,2 -101? А2-с/(кг-м)] с использовани-
ем электродов-пуансонов из бронзы БрХ0,7 приводит к началу диффу-
зионного взаимодействия в спекаемой порошковой системе (рис, 42, 6).
Если применяются электроды-пуансоны из стали ЗХ2В8Ф, то электро-
разрядное спекание этой смеси при значительно меньших энергозатратах
[IV =1,1 МА2-с/(кт-м) ] приводит к большей степени гомогенности
сплава (рис. 42, в). Графитовые электроды-пуансоны при наименьших
удельных энергозатратах ,[Wr =0,8 МА-с/(кг-м)] обеспечивают получе-
ние высокой степени гомогенности. никельмолибденового сплава
(рис. 42, г). Противоречивость этих данных относительно связи степени
сплавообразования в образце с энергией, затраченной на его спекание,
объясняется разным значением коэффициентов теплопроводности мате-
риалов пресс-инструмента, а также различной температурной зависимо-
стью теплопроводности этих материалов.

Для предотвращения или уменьшения выгорания и формоизменения
графитовых злектродов-пуансонов, уменьшения их взаимодействия со
спекаемым порошком целесообразно использовать некоторые туго-
плавкие соединения в виде покрытий на графите1. Однако полностью
исключить диффузионное взаимодействие не удается. Послойный мик-
Р°спектральный анализ зон взаимодействия в системе графит — карби-
в хР°м°вый слой железо (спекаемый порошок) показал, что железо
в процессе электроразрядного спекания довольно интенсивно проникает
укрытие и далее в графит. Хром из покрытия переносится как в желе-
в И\В гРаФит (проникновение в графит протекает интенсивнее, чем
‘ Тисой анализ помогает выбрать наиболее подходящие
^рытия на материалах пресс-инструмента.

»8Ииец упоминалось» что при спекании смеси порошков Си + Ni с использо-
го мпепивК1Р°ЯОВ'ПуаНСОНОВ из стали ЗХ2В8Ф наблюдалось припекание спекаемо-
зад, Что К ЭлекгРодам-пуансонам. Микрорентгеноспектральный анализ пока-
мест место диффузия железа из электрода-пуансона в медноникелевый

гериаловИеП<Иа О'Н’ Исследование взаимодействия тугоплавких и жаропрочных ма-
иорошками при электроразрядной of работке. — Авто-
сплав и никеля - в стальной электрод-пуансон. Это способствует схватыванию сп
каемого объекта с электродами-пуансонами. Для уменьшения указанного взаим^
действия электродов-пуансонов со спекаемой композицией ц. повышения их эк&
плуатационной стойкости на поверхность электродов-пуансонов было нанесен
методом диффузионного насыщения комплексное покрытие из карбидов титана
и хрома. При испытании электродов-пуансонов е таким комплексным покрытием
в процессе электроразрядного спекания смеси Ст + N1 схватывание не наблюдалось.
Металлографическим исследованием диффузионное взаимодействие в системе
сталь - комплексное покрытие — (Си + Ni) не обнаружено [ 159). Идея создания
электродов-пуансонов с покрытиями в какой-то степени близка идее применения
многослойных металлических электрических контактов [ 16].

Анализ в качественной форме процесса нагрева порошка в ходе его
электрического спекания, сопровождающегося оттоком тепла из порош-
ка в пресс-инструмент, не всегда может считаться достаточным. Посколь-
ку электроды-пуансоны находятся не только в электрическом, но и в
тепловом контакте со спекаемым порошком, более полным будет под-
ход с количественным учетом теплообмена между порошком и электро-
дами-пуансонами. Представим, что ток пропускается через последова-
тельную цель электрод-пуансон — порошок — * электрод-пуансон
(объект анализа напоминает модель из двух брусков с зоной между ни-
ми, рис. 8). Будем считать, что оба электрода-пуансона одинаковы во
всех отношениях, поэтому все энергетические процессы, а также темпе-
ратурное поле, обладают зеркальной симметрией относительно плоскос-
ти, перпендикулярной к оси и делящей порошковую прессовку пополам.
Если поместить начало координат в точке пересечения оси с этой плоско-
стью зеркальной симметрии, задача может решаться для одной полови-
ны модели. Рассматриваем одномерный процесс, т.е. принимаем, что мат-
рица, в которой расположены порошок и электроды-пуансоны, выполня-
ет функции электро- и теплоизолятора. Если обозначить температуру
прессовки 7\, а температуру здектрода-пуансона Тг, то процесс теплопе-
реноса должен подчиняться системе дифференциальных уравнений:

л дТи д27\

С171 —‘ = Xj —+piJ! (0<х</ х)
от дх2

От дх2

где Q — теплоемкость; 7f — плотность материала; 7} — температура,*
т — время; X* — коэффициент теплопроводности; х — координата, от-
считываемая от центра прессовки; pt — удельное сопротивление; Не-
плотность тока (все величины с f = 1 относятся к прессовке, с i = 2 —
к электроду-пуансону); в интервалах О <х г находится прессовка,
I х <х </ х +12 — электрод-пуансон (/ х — полутолщина прессовки).

Далее считается, что плотность тока постоянна. Задача решается дл»
краевых условий:

(58)
Ti 4х» 0) ~ »

— I -o =0;

dx 1 x'°

ST, . .

X177 Ь-G *2 d* ’*='* ’

(59)

(60)

(61)

T1 (Zi,r) s Ti (h,*) ; (62)

T2(/, 7,)=r0. (63)

Согласно (59), вся модель в начальный момент времени находится
при однородной постоянной температуре; условие (60) отражает сим-
метрию температурного поля, (61) — непрерывность теплового потока
через контакт прессовка — электрод-пуансон, (6?) — непрерывность тем-
пературного поля на этом контакте, (63) — неизменность температуры
на тор^е электрода-пуансона, контактирующего с токоподводящей пли-
той установки. Последнее условие отражает влияние хорошего теплоот-
вода благодаря большой массе и высокой теплопроводности токоподво-
дящей плиты. Для упрощения анализа принимают, что / f , Ct , и
р - постоянные. Решение системы уравнений (58) с краевыми условн-
ей (59) - (63) имеет вид

(П-То)

__«1
mJ}

1 m.aj} 2Х,/а ха ч

= — (1 + — — + ——-----------) +

2 mMaaZ? KJ, I*

Зг. /в1 1 a г Xa i

"n (sin^cos^V— — <X77

^a Ca 7 a
^1 Ci Ti

+ 1) + cos дп sin X

-r-)] -X
* a

(64)

Xexp^J Л1Г ).

(r2-r0) _L_ « lilh.

mJ} а аС2уг I.

+ ( Л1 _ 7i a i X 1 wafl ix\

w‘ ca7» в» It 2 mta J}

1 m2a , I } - IJ
+------------------+

2 mtaa 1}

mJ г a.

* 2 Гл/Х»с'«'у«
«»!\ c v
Ai '-l 7i

COSMn

-sinpin singn
_ / « 1 < I ♦ h v

i32sin
m. ’ ,

• _i X 1 ' 1 "•—"

a »

z"i / fl 1

X»52I C0SMaSingn V— +Singncosgn

1 r.-v. a *

X
77
g t
a t

sin дц cos д

^2 ^2 T2

m, — м

X27 1

) cosgn

7—Singn
» 1

sin Mn COS lia

(65)

где a{ — температуропроводность [fl2= \ /(Cf ~ величина,

которую можно назвать мощностью распределения джоулевых темпе-
ратурных источников [ль ~р^ J*eKCt 7i ) ]; I -I \ +12', Дп — корни
уравнения

/х3С2 7, 11 /в j . . / г

V------- cosgncos(Mn----- V—singп sin (мп— X

X, । 1 1 g 2 J

x/3Z ) = 0.
« 2

Таким образом, как видно из решений (64), (65), температурное по-
ле в прессовке Т\ зависит от характеристик прессовок и злектрода-пуан-
сона.-Аналогичное утверждение справедливо и для температурного поля
в электроде-пуансоне Т2.

Электроизоляция и внешняя защита против окисления могут обеспе-
чиваться специальными смазками (например, так называемые формо-
вочные чернила, содержащие оксид циркония) [82]. В случае'опасности
слишком большого нагревания в электродах-пуансонах можно преду-
смотреть полости для водяного охлаждения.

Матрицы

Для изготовления матриц можно использовать некоторые материалы,
из которых делают электроды-пуансоны. В качестве материалов для мат-
риц используют жаропрочный графит, нитриды металлов, а также различ-
ные виды керамики. Кроме того, заслуживают внимания материалы,
идущие на изготовление инструментальной оснастки в родственных тех-
нологиях (горячее прессование, горячая обработка металлов давле-
нием) : самосвязанный карбид кремния, твердые сплавы, теплостойкие
116
стали легированные карбидообразующими элементами
»11аМИ?ВЬХет отметить перспективность материалов на основе оксида
[411- 016 |471 однако разработка таких материалов, достаточно стой-
адаоМЙВ^ хрупкого растрескивания, связана со значительными трудно-
ких пр17

с°т1Й бования к материаловедческим и конструктивным факторам при
TPZm матриц должны вытекать из особенностей процесса спекания в
003 вэтой связи интересно проследить за ходом электроразрядного
в Проводящих матрицах с различной толщиной стенки и в не-
ХвоДОЩей матрице (57J. Температуры в центральной точке А порош-
Хого образца и в точке В на внутренней поверхности графитовой мат-
рицы (рис. 43) были измерены при следующих условиях: давление под-
прессовки О Л МПа; окончательное давление 17,2 МПа, длительность

Рис. 43. Временные зависимости тем-
пературы в центральной точке А по-
рошкового образца из титана (масса
U г) и на внутренней стенке матри-
цы в точке В"

действия давления подпрессовки 10 с, длитеЛЬ1^1Ь_^!1еР^постоянный
Действия окончательного давления до выключе загРузка 1,5 г th-
ick 510 А, переменный ток (с частотой 2 кГц) 263 А, загрузк

^нового порошка дисперсностью ~40 мкм. . становится

Температура в точке А быстро растет (за пер Д температуры в
выше, чем температура в точке В. Сравним и-?

Матрицах, внешний диаметр которых 18, 20, 22

°пыта, описанных выше:

24 мм при условиях

Внешний диаметр матрицы, мм
Температура, К:

в точке А

нточкеВ......... . - ---

Во

1513
1403*

1403

1313

1323

1293

1093

1043

ДЬ1.и. ВРемя подпрессовки большая часть тока протекает через
lenk адсоны и матрицу, так как электросопротивление графита
ниже электросопротивления слабоспрессованного порошка.
ким образом, температурное распределение во всем пресс-инструменте
зависит главным образом от размеров электродов-пуансонов и матрицы,
а также от контактного сопротивления между ними. В этих эксперимен-*
тах температура электродов-пуансонов была наивысшей. Температура
слабо спрессованного порошка повышалась постепенно по мере проник-
новения в него тепла из графита. Когда к образцу прикладывали окон-
чательное (более высокое) давление, его плотность быстро росла. Таким
образом, температура в точке Я повышалась с повышением теплопровод-
ности.

Двухступенчатый метод прессования — спекания очень эффективен
при изготовлении высокоплотных порошковых тел, если используются
малые электрические токи. Была измерена температура и в центральной
точке порошковой загрузки в изолирующей матрице из обожженного
пирофилита (размеры матрицы: внешний диаметр 30 - мм, внутренний
10 мм, высота 30 мм). Загрузка титанового порошка составляла 1,5 г.
Условия поведения эксперимента следующие: давление 17,2 МПа, посто-
янный ток силой 666 А, переменный ток силой 263 А, продолжитель-
ность 10 с. На температурной кривой обнаружен максимум (при т =3 с)
и минимум (при т - 5 с), а затем кривая быстро поднимается, пока идет
ток (рис. 44). Различие в температуре между образцом и матрицей на-
столько велико, что температура порошка снижается за 3 ... 4 с благода-
ря оттоку тепла от порошкового образца к матрице. Температура матри-
цы со временем растет, и разница между температурами образца и мат-
рицы уменьшается.

При извлечении спеченных заготовок удается избежать поверхностно-
го окисления и применения больших давлений выпрессовки благодаря
предварительному охлаждению всей матрицы: здесьиспользуется боль-
разница в термическом расширении (при охлаждении-сжатии) у ме-
^а и графитовой матрицы. Эта операция, хотя и занимавшая больше
^^ени предотвращала сильное изнашивание (обдирание) стенок пресс-
лГ мы что обеспечивало ее многократное использование [138].

Несмотря на то, что тугоплавкие металлы применяются большей час-
для изготовления электродов-пуансонов, возможно использование
® и ддя изготовления матриц. При электроимпульсном спекании порош-
ков титана, меди, железа, алюминия наилучшую стойкость показали мат-
рицы из сталей ЗХ2В8 и 9ХС [14L]. После многократного использования
эти материалы практически не подвергались отпуску. В качестве смазки,
наносимой на формообразующие поверхности пресс-форм, использовали
суспензию коллоидного графита в ацетоне. Указанная смазка играет роль
не только электроизоляционного слоя, препятствующего прохождению
тока через матрицу, но обладает и антифрикционными свойствами.

В случае высокотемпературного электроспекания иногда используют
принудительное водяное охлаждение матрицы (ср. с водяным охлажде-
нием электродов-пуансонов).

Электропроводность матрицы сильно влияет на ход процесса электроспекания.
Это явление можно проанализировать на примере спекания никелевого порошка в
различных матрицах [9]. Были поставлены эксперименты для таких сочетаний:
1) проводящая пресс-форма (графит) — проводящий порошок (никель); 2) про-
водящая пресс-форма (графит) - непроводящий порошок (оксид магния); 3) не-
проводящая пресс-форма (стеатит), проводящий порошок (никель).

В течение спекания измеряли электрический ток и разность потенциалов между
верхним и нижним электродами-пуансонами. Спекание проводили при следующих
параметрах: давление подпрессовки pt = 2,16 МПа, окончательное давление р2 =
- ИЗО МПа, плотность постоянного Тока । /«?= 450 А/см 2, длительность периода
подпрессовки т, = 8 с. Типичные графики электрических параметров приведены
на рис. 45.

Благодаря тому, что источник питания дает одну и ту же силу тока, кривые то-
ка* относящиеся ко всем указанным выше сочетаниям пресс-форм и порошков,
оказываются одинаковыми. Сравнение кривых- напряжения приводит к следующе-
му- Участки ОА (см. рис. 45) для сочетаний графитовая пресс-форма - никелевый
Рошок и графитовая пресс-форма — порошок оксида магния одинаковы. Это
J/^*®aeT на то, что в начале спекания почти весь ток протекает-по цепи электрод-
прот>°И ~ Матрица ~ электрод-пуансон. Затем наблюдается увеличение доли тока,
рис ??'кпцего чеРез никелевый порошок*. Участки CD кривой напряжения на
кец 5 Д”* Сочетани® графитовая матрица — никель и стеатитовая матрица — ни-
д^Пс^Ииаковь1‘ Это свидетельствует о том, что под действием окончательного
ения практически весь ток протекает через спекаемый порошок. Точка А

силы временные зависимости

V) и напряжения (2) 0
ДЛЯ сочетания стеатитовая матрица - никель оказывается примерно вдвое выше,
чем для двух остальных сочетаний матрица - порошок. На основе этого можно
предположить, что в случае непроводящей (стеатитовой) матрицы возникают элек-
трические разряды между частицами никеля. В случае добавления к постоянному
току переменного (частотой 2 кГц) это напряжение (измеряется ординатой точки
А на рис. 45) резко падает, из чего мржно заключить, что высокочастотная состав-
ляющая понижает напряжение электрического разряда (см. раздел 1, гл. 2). Ког-
да в тех же условиях давление рх было взято таким же, как и давление р3, почти
весь ток сразу протекал по цепи электрод-пуансон — никель — электрод-пуансон.

Хорошо зарекомендовала себя в качестве изоляционного материала
фольга из слюды. Правда, в результате действия нагрева при спекании
происходят некоторые химические превращения в слое слюды, сопри-
касающемся с металлическим порошком, но в целом она сохраняет изо-
ляционные свойства. Спеченное изделие легко отделяется от слюды. Од-
нако следует учитывать, что слюда недостаточно гибкая, поэтому ее
трудно использовать при изготовлении деталей сложной конфигурации;
кроме того, этот материал сравнительно дорог.

Другим, зачастую более приемлемым приемом создания изоляции
является наклеивание на внутреннюю поверхность металлической мат-
рицы мелованной бумаги, покрытой слоем, каолина1. Такую изоляцию
применяли в ходе спекания методом сопротивления, когда длительность
процесса составляет 1...2 с (этот метод спекания описан в разделе
1 гл. 2). Хотя при нагреве в ходе электроспекания бумага выгорает и
превращается в золу, тем не менее она выполняет функцию изоляцион-
ного слоя в течение таких коротких промежутков времени. В матрице из
инструментальной стали с указанной изоляцией успешно изготовляли из
железного порошка такие сложные детали, как шестерня. Для этих же
целей можно использовать какую-либо непроводящую смазку, наноси-
мую на внутреннюю поверхность матрицы2.

Вернемся к количественному сравнению энергетических параметров процесса
электроспекания в проводящих матрицах со стенками различной толщины. Во всех
опытах использовали ток с неизменной эффективной плотностью J 1. Скорость по-
вышения температуры порошка при давлении подпрессовки 0,3§СМПа в пресс-
форме с толщиной стенки 5 мм равна примерно 100 К/с, при давлении же 0,88 МПа
она понижается до 60 К/с (кривая 1 на рис. 46, а). Скорость нагрева определял^
на основе измерения времени нагрева (ордината на рис. 46) до точки плавления
никеля. При толщине стенки 2,5 мм сопротивление матрицы больше, чем при тол-
щине 5 мм. В первом случае и скорость повышения температуры больше
(рис. 46, а, кривая 2), чем во втором случае. Это можно объяснить, анализируя
ход выделения джоулевого тепла. Рассмотрим всю систему как параллельное сое-

1 Пат. 42007 (Япония), 1972.

Плотность тока получается делением силы ток на ипптяш. поперечного сече-
ния электрода-пуансона. В случае непроводящей матрицы или проводящей матрицы
при большом давлении прессования, т.е. когда весь или почти весь ток протекает
через порошковый образец, смысл понятия плотности тока ясен. В случае же про
пускания тока через порошок в проводящей матрице при малом давлении прессо-
вания понятие плотности тока приобретает несколько условный характер.
динение матрицы (сопротивление Л ) и образца (сопротивление Л ) Пои
злекгрическом токе/, А, в матрице выделяется тепловая энергия £'°ЛДж Полном
' <66)

в образце - тепловая энергия^, Дж:

Поскольку щж вадлеаиях. уиоашжх в описывьемых экспериментах . . -
го формула (66) может быть сведена к приближенной формуле ’я° > "м

Далее, из формул (66), (67) получаем

V«= *А».

» ™ . ол™« «большого левлеши лодлреееовкл а„„Уе„М(> прелмущевимш»

Рис. 46. Зависимость продолжитель-
ности прогрева никелевого порошка
во его плавления от давления при
толщине Д стенки пресс-формы 5 (/),
25 мм (2) и схема пресс-формы (ус-
ловная плотность тока Jee =
=565 А/см4)

учитывать тепло, выделяемое в матрице. С повышением давления резко уменьша-
йся сопротивление образца RQ, вследствие чего, согласно формуле (68), понижа-
йся значение энергии Ем и увеличивается время достижения точки плавления по-
Ро®ка. Если взять матрицу с толщиной стенки 2Д мм, то сопротивление/?м увели-
в 2,3 раза. Согласно формуле (68), цри этом увеличивается
обьясие И время достижения точки плавления порошка. Этим

миются особенности зависимостей, приведенных на рис, 46.

Риц^и °ЗМ0ЖН0СТЬ И целесоо®Разность использования тех или иных мат-
экономи^еС'>ИНСТР^МеНТа В целом) влияют не только технические, но и
обычнойТ*3*6 ФактоРЬЕ Даже если продукцию можно производить по
Может бъгп^ВпЛ0ГИИ поРошков°й металлургии, электрическое спекание
тсльно ниак “ Пев Эк0Н0МИЧНЬ1м Для малых партий изделии из-за сравни-
Коед мет °И СТОИмости пресс-инструмента. Например, из опыта порош-
Рых Детале”1^™1 известно-, что стальная пресс-форма для некото-
^РЧитова5мпГЗГ?1ОВЛЯемЬ1Х '°®Ь1ЧНЬ1М способом, стоит ~ 1000 долл.
Пе® стоит пиппГчп °^>ма 1У1Я электроразрядного спекания таких же дета-
ЙИзить- Напоим Долл- [154]. Стоимость пресс-инструмента можно по-
еР, вместо сплошной графитовой матрицы внутри тепло-
изоляционного материала устанавливают тонкий графитовый вкладыш
с такими же внутренними размерами; снаружи теплоизолирующую д&.
таль бандажируют. Внешняя поверхность вкладыша может быть сделана
конической для легкого удаления и установки. Это составная матрица
более экономична, чем сплошная, так как в замене нуждается лишь
вкладыш. В составной матрице можно использовать'прочное бандажное
кольцо, что позволяет применять,большие усилия прессования. Тепло-
изоляция понижает потребляемую электрическую мощность, способст-
вуя в то же время созданию условий для однородного прогрева заготов-
ки во время спекания.

* *

Дальнейший прогресс технологии электрического спекания дисперс-
ных металлов зависит от решения ряда вопросов. Важное значение имеют
физические и химические исследования,, позволяющие раскрыть меха-
низм воздействия тока, порождаемого им магнитного доля, повышен-
ных температур, механического давления на формирование структуры и
свойств металлов и сплавов. На этой основе может быть создана матема-
тическая модель процесса электрического спекания. Цель, к которой сле-
дует стремиться — создать алгоритм вычисления плотности, прочности,
электропроводности и других, характеристик для спеченных ме-
таллов.

Серьезное внимание следует уделить проблеме однородного протека-
ния тока по поперечному сечению загрузки. Установление интервалов тех-
нологических параметров, в пределах которых осуществляется устойчи-
вый и воспроизводимый процесо'электроспекания, — важнейшая задача.

Большая роль в массовом промышленном производстве должна при-
надлежать технологическому оборудованию, составной частью которого
являются электронные вычислительные и управляющие машины. Веро-
ятно, именно ^акое оборудование будет преимущественно;использо-
ваться на предприятиях по изготовлению продукции из дисперсных ма-
териалов. Несмотря на повышенную сложность и стоимость таких уста-
новок их эксплуатация будет экономически оправдана благодаря гаран-
тированному получению высококачественной продукции, уменьшению
доли ручного труда и сокращению занятого персонала.

Спекание порошков электрическим током — новое направление в по-
рошковой металлургии. Как в любом новом деле, в этой технологии
есть немало нерешенных вопросов. Однако анализ настоящего состоя-
ния исследований в области этой технологии позволяет сделать вывод
о целесообразности и перспективности ее развития. В ее пользу говорят
возможности сокращения производственных площадей, -численности
о луживающего персонала, энергозатрат, а также избавления во многих
случаях от использования защитных газовых сред либо вакуума.
библиографический список

Я.Й.. Галапац Б Л., ГШдець БЛ. ФЬико-механЬш! пронеси в електропро-
1-К^тй«.-КкЬ:Н.уко».ДУМка,197».-230с
, нмалскийШС. - Порошковая металлургия, 1977,№ 9, с. 1-5,

Г z - In: 4 Internation?! Conference on Pqyder Metallurgy (Chekhoslov.,
3' vysoke Tatry, 1974), Dorn techn. SVTS kilina, SAV-UEM Koiice; 1974, v, l,p.77-
90.

4 Хольм P- Электрические контакты. - M.; ИЛ, 1961. - 464 с,

5 Райченко А.И., Рябинина ОЛ. - Электронная обработка материалов, 1977,№ 3,
с. 5-41. Г

6 КорнюшинЮБ. - Металлофизика, 1983, т. 5, №.3, с. 116-117.

7 Бойко ЮЛ.,Клинчук ЮЛ..*- Порошковая металлургия, 1981,№ 3, с, 41-46;

8 Пельцман С.С., Семкин Б Б., Шубин Б.Г. — Электронная обработка материалов,
' 1970, №3, с. 83-88.

9 Suzuki Т.; Saito S. J. Japan Soc. Powder and Powder Met., 1971, v. 18, N11, p. 28-
' 32.'

Ю.Бойко ЮЛ., Гегузин Я.Е., Клинчук ЮЛ. - ПисьМа в ЖЭТФ, 1979, т, 30, N1 3,
с. 168-172.

Ц.Г&узинЯ.Е. физика спекания: 2-е изд. - М.: Наука, 1984. - 311 с.

И.Кучук-Яценко СЛ. - Автоматическая сварка, 1972, № 2, с. 6-11.

13. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. - М.: Металлургия, 1976.
-263 с.

^.Каракозов Э.С., Лякишев ЮБ., Лебедев НБ. - Автоматическая сварка, 1973,
№4, с. 15-18.

ISJypoe К.П., Гусак АМ. - Физика металлов и металловедение, 1981, т. 52, № 3,
с. 603-611.

ИЛинакова Р.В., Бретерская ГЛ., Теодорович OJC. — Порошковая металлургия,
1983, №3, с. 69-80.

11 Хермель В., Корнюшин Ю.В., Ошкадеров С.П. и др.- - Металлофизика, 1980,
т-2,№5, с. 74-81.

ИЛенглинская С.В., Корнюшин ЮБ. -* Физика металлов и металловедение, 1976,
т41,№2,с.431-434.

^•Корнюишн ЮБ. Явления переноса в реальных кристаллах во внешних полях. -
,ft НаУкова Думка, 1981. - 179 с.

^"UliamsD.J„ Johnson W. - Powder met., 1982, v. 85, № 2, p. 85-89.

• оловин Ю.И., Финкель ВЛ., Иванов ВЛ. и др. - Физика и химия обработки
1976’ №6, с. 131-133.

Тв_,кель Головин ЮЛ., Иванов ВЛ. и др. - Физика и химия обработки ма-
23сХ °В’1981 ,N?2’C-42-45'

39т^>ИОв Эпик ЯЛ. Тугоплавкие покрытия. — М.: Металлургия, 1973. —

, P-А., Алексеев СЛ., Дзодзиев Г.Т. и др. - Порошковая металлур-

2s-Xda 4’С' 49“52-

1982^ 27?” Лифшиц ЕЛ. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука,
2б.рвй "* с.

? “ ДАН СССР’ 1982«т- 261, № 1,с. 86-90.

J~ Порошковая металлургия, 1982, № 2, с. 32-37.

29 к $2’№ 1 с 88 g2°MUHa 2‘^‘< ^вечков АБ. и др. — Порошковая металлургия,
Р- Справочник по математике для научных работников и инжене-
гНаука’1977. - 831 с.

^2. • • — J. Electroanal. Chern, and Interfac. Electrochem., 1972, v. 37, p. 337—
31 .Патон Б.Е., Лебедев BJC. Электрооборудование для электроконтактной свар-
ки. - М.: Машиностроение, 1969. - 440 с.

32 .Рябинина ОЛ., Райченко АЛ., Буренков ГЛ. » Порошковая металлургия
1976,№ 11,с. 16-21.

ЗЗ .ЗарубаИЛ. - Автоматическая сварка, 1974, № 8, с. 71,

34 .Рябинина О.Н„ Райченко АЛ., Верхотуров АД. и др. - Порошковая металлур-
гия, 1976, № 9, с. 53-56.

35 .Кольчинский М.З., Райченко АЛ. - Порошковая металлургия, 1977,№ 8, с. 15-
18.

36 Ал. 725815 (СССР) 1Райченко АЛ., Лещинский ВЛ., Буренков ГЛ. и др. ~
Опубл, в Б Л., 1980, № 13, с. 60.

ЗТАкесМ К., Hara Z. * J. Japan. Soc. Powder and Powder Met., 1978, v. 25, №6,
p. 193-197.

38 .A.C. 565776 (СССР) )Райченко АЛ., Федорченко И.М., Карюк ГЛ. и др,
Опубл, в Б.И., 1977,№ 27, с. 35.

34 .Hara Z., AkechiK. - J. Japan. Soc. Powder and Powder Met, 1977, v. 24, №2, p, 48-
54.

40 .Углов AA., Скотников CA. — Физика и химия обработки материалов, 1976,
№6, с. 3-7.

41 .Слиозберг С.К., Чулошников ПЛ. Электроды для контактной сварки. - Л.; Ма-
шиностроение, 1972. - 96 с.

42 Ментель Ю. — В кн.: Теория электрической дуги в условиях вынужденного теп-
лообмена. Новосибрск: Наука, СО, 1977, с. 182-205.

43 . Чернецкий АЛ., Лычников Д.С. - В кил Теория электрической дуги в условиях
вынужденного теплообмена. Новосибирск: Наука, СО, 1977, с. 211-227.

44 .Лазаренкд Б Л., Гитлевич А.Е., Фурсов СЛ. и др. — Электронная обработка ма-
териалов, 1971,№ 4, с. 20—21.

45-Ледник А.Г., Иванисенко Б.В., Бирюкова Н.Б. Укр. физ. журнал, 1973, т. 18,
№ 12; с. 2077-20У9.

46. Watanabe Т.к Nakazono К. - J, Japan Soc. Powder and Powder Met., 1978, v. 25,
№2, p. 44-48.

47. Weissler G.A - Int, J. Powder Met. and Technol., 1981, v. 17, № 2, p. 107-118.

4S.Raitschenko A.I., Ryabinina O.N., Baidenko AA. e.a. (Райченко АЛ., Ряби-
нина ОЛ, Байденко А А. и др.) - Sintering Science and Technology, Beograd,
1977, p. 199-201.

49.Омельченко B.T., Долинский ЮМ, Глебова Е.Г. — В кн.: Электрические контак-
ты и электроды - Киев: Наукова думка, 1977, с. 19-23.

50.Криштал МА,, Захаров ПЛ., Кокора АЛ. — Физика и химия обработки мате- .
риалов, 1976,№ 4, с. 24-28.

51.Харин С.Н., Новиченко АЛ., Кудрявцев И.В. — В кн.: Электрические контакты
и электроды. — Киев: Наукова думка, 1977, с. 16-19.

52.Sakai Т., ItabashiМ., Hara Z, —.Monthly J. Inst Industr. Sci. Univ. Tokyo, 1971, v. 23,
N»l,p. 19-22.

53.Raitschenko A.I., Burenkov G.L., Lechinskij Y.I., (Райченко АЛ., Буренков ГЛ.,
Лещинский ВЛ.) - Physics of Sintering, 1973, v. 5, №2/2, p. 215 -224.

54. Буренков Г.Л., Райченко АЛ. - Укр. физ. журнал, 1980, т. 25, № 12, с. 2037-

55.Sakai Т. - Met. and Metal Form., 1974, v. 41, № 10, p. 310-312.

56.Raitschenko A.I., Fedorchenko I.M., Burenkov G.L. e.a. (Райченко А Л., Федорчен-
ко ИМ., Буренков Г.Л. и др.) — In: Sintering — New Developments. — Amsterdam-
Oxford — New York. Elsevier, 1979, p. 76—81.

57.Saito S., SavmokaA. — Powder Met. Int., 1973, v. 5, № 2, p. 70—75.

ЗЗ.Кадыров B.X., Карпинос ДМ., Максимович Г.Г. и др. — Физика и химия обра-
ботки материалов, 1976, № 1, с. 124-128,
McechiK., Hara Z. - J. Japan. Soc. Powder and Powder Met., 1977, v. 24, №5, p.142-
.Л^йченко AM. Математическая теория диффузии в приложениях, - Киев: Нау-
мова думка, 1981. — 396 с,
Кутузов АМ., Минаковский ВМ. Обобщенные переменные теории переноса. -
киев' Ваша школа, 1970. — 100 с.

ч Рвбинина ОН., Тучинский ЛМ., Вишняков Л.Р. и др. - Порошковая металлур-
«я. 1980, №9, с. 39-41.

кт wZmabeT. - J. Amer. Ceram. Soc., 1977, v. 60, №3-4, p. 176-177,
IdtfvamaM. - Mechanical Design, 1976, v. 20, № 6, p. 93-100.

« Watanabe T. - Reports of the Goverment Industrial Research Institute Kyushu, 1978,
6 J 21, September, p. 1238-1245,

(£Man Z., Akechi K., Itabashi M. ~ J. Japan, Soc. Powder and Powder Met., 1975,
т 22. № 3, p. 101-106.

Hara Z. Akechi K. - In: VI1. Internationale Pulvermallurgische Tagung in der DDR,
Dresden, 1977, Vorabdruck, S. 59-1 - 59-15.

6&.Гусак AM., Гуров KM. - Физцка металлов и металловедение, 1982, т. 53, № 5,
с. 848-851.

69 Андреев ВЛ., Бондаренко В.П., Барановский АМ. и др. - Порошковая метал-
лургия, 1983, № 3, с. 43—45.

ЮУайченко АМ. Диффузионные расчеты для порошковых смесей. - Киев: Науко-
ва думка, 1969. - 104 с.

71. Лещинский ВМ., Моцак Я.Ф., Лавриненко ИА. и др. - Алмазы и сверхтвердые
материалы, 1978, вып. 6, с. 2-4.-

71 Watanabe Т., Ishibai К. - J. Japan. Soc, Powder Met., 1978, v. 25, № 8, p. 277-282.
ПРайченко AM., Карюк Г.Г., Лещинский ВМ. ъ- Порошковая металлургия, 1977,
№ 8, с. 92-94.

ИГаргин В.Г. - Сверхтвердые материалы, 1983, № 4, с. 27-30.

15.Гаргин BJT. - Сверхтвердые материалы, 1980, № 6, с. 23—25.

lf>. Андреев ВЛ„ Манжелеев И.В., Малик В.Р. -* Сверхтвердые материалы, 1983,
№1,с. 10-12.

11.Бакуль В.Н., Цыпин Н.В., Гаргин В.Г. - В кн.: Физико-химические проблемы
7Я““теза «ерхтвердых материалов. - Киев: ИСМ АН УССР, 1978, о. 141-144.

аиченко А.И., Заболотный Л.В., Рябинина О.Н. и др. — Порошковая металлур-
пц. 1980, №9, с. 6-8.

ИМ,, Гайдученко AJC., Пушкарев В.В. и др. — Порошковая метал-
1977, №4. с. 65-69.

»15S^r'J',yK₽*физ' жУРнал, 1984, т. 29, № 8, с. 1221-1225.

иойЗп ж °айченко А.И., Попов В.П. и др. — В кн. Доклады 7-й международ-
c. 161-1б8₽еНЦИИ П° П°Р°ШКОВОЙ металлургии. - Дрезден: ЦФВ, 1981, вып. 2,
Z., Akechi К. - J. Japan. Soc. Powder and Powder Met., 1977, v. 24, №3, p. 71-

y " PowdeI Met- Int., 1975, v. 7, № 1, p. 33-38.

gj 19И.вып 45 с 75 81НГОвИЧ Женни-Майская Л.О. и др. — Металлофизика,
, *^844° БУРенкоа Г-Л., Райченко АМ. и др. - ДАН СССР, 1976,т. 227,

НМ., Гринюк СМ. —Физика и химия обработки ма-
а 74,»№ 1’с> 1б»-170.

и L°W^r Met Int’ 1979«v-11. №3, р. 112-114.

89*Э>с- S85-588 ’ Буренков ГЛ> Рай>*енко АМ. и др, - ДАН СССР, 1977, т. 236,
*' 127-1з4FrommR-, Sperlich В. - Planseeber. Pulvermet., 1980,.Bd. 28, №3,
9дЛдомысельский ИЛ, Рыморов ЕЕ. - Порошковая металлургия, 1976, № 10,
91^^йбАЛ., Мешков ВЛ, Мышкин НЛ. и др.- ДАН СССР, 1981, т. 265, № 5,
92jn/il^1i2AМышкин НЛ, Свириденок АЛ - Порошковая металлургия,
9ЗЛ^ИЛ^ков ВЛ - Инж.-физ. журнал, 1980, т. 39, № 2, с. 353-354,
94^SA^I£^rx,oSi8JjM'., Радомысельский ИЛ ~ Порошковая металлургия,
1974, № 7, с. 84-87.

95jy««roxoe КЛ, Пархоменко ИЛ - В кн.: Электрические контакты и электро-
ды.-Киев: Наукова думка, 1977, с. 50-54.

убОед, М.Ф., Базилевич ВЛ, Кохановскии С.П и др.-В кн.: Электрические кон-
такты и электроды. - Киев: Наукова думка, 1977, с. 102-104.

97 АкеМ К., Han Z., Salad Т., Itabashi М. - J. Japan Soc. Powder, and Powder Met,
1978, v. 25, № 7, p. 219-222.

9SAkechi K., Hara Z. - J. Japan, Soc. Powder and Powder Met., 1978, v. 25, № 6,
p. 198-201.

99.Сериков МЛ, Слетков AA., Умрихин BM. - Порошковая металлургия, 1978,
№12, с. 13-17.

100 . Физические основы электротермического упрочнения стали /Гриднев ВЛ,
Мешков ЮА., Ошкадеров CJL, Трефилов ВЛ - Киев: Наукова думка, 1973. -
335 с.

ЮЪМедведекко М.ФЧ Кольч1нський М.З., Скороход В.В. - ДАН УРСР, 1977, сер. А,
№6, с. 562-566.

101Летрдлик М. Загрязнения и примеси в спеченных металлах. — М.: Металлургия,
1971.-176 с.

\Q3.Saito S., Ishiyama Т., SawaokaA. - Bull. Tokyo Inst. Technol., 1974, № 120, p. 137—
140.

lW,.Leheup ЕЛ, Moon J. R. - Powder Met., 1978, v. 21, №4, p. 195-198.

105 .Скороход BE. Солонин CM. Физико-металлургические основы спекания порош-
ков. - М.: Металлургия, 1984. - 158 с.

МЛГегузин Я.Е., Кривоглаз МА. Движение макроскопических включений в твер-
дых телах, - М.: Металлургия, 1971. — 344 с.

107 .Ковальченко М.С. — В кн.: Теория и технология -спекания. — Киев: Наукова
Думка, 1974, с: 71-79.

108 .Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых материа-
лов давлением. — Киев: Наукова думка, 1980. — 107 с,

109 .Кузьменко П.П. Электроперенос, термоперенос и диффузия в металлах. — Ки-
ев: Вища школа, 19831. - 151 с.

И’, “Порошковая металлургия, 1985, № 1, с. 29-33.

AUHa^sani S TS- Davies T.J. - Powder Met., Int„ 1979, v. 11, № 3,
p. 120-124.

tad*’1979»v- 46.№551, p. 809-816.

гия^1976 №&'25^30 в 1'Л* Хриенко А‘ф' u дР- ~ Порошковая металлур-
Левина ДА. — Порошковая металлургия,
116 Але^шBJLA К^«ЫСШеЙ м"ема™ки. Т. 2. - М.: Наука, 1974. - 655 с.

117 о-"?11-Иг3 АЛ' “ дР‘ " ФИЗИКа И ХИММ Р*

П&дКХю A r°!lns2n W- ” tot- L Mech' Sci-, 1976> v- 18> P- 37-44'

«!*• tp. ni “ *p- - В кн.: Горячее прессова-

ИПМ АН УССР, 1977 КОНФ-’ Новочеркасск, июнь 1976. — Киев:

126 '
1 о Райченко АЛ. - Порошковая металлургия, 1979, № 8, с. 27-31.

ЮГ., Богданченко АЛ. - Порошковая металлургия, 1984, № 2, с. 60-
64

1 £0гданченко АЛ. - В кн.: Горячее прессование в порошковой металлургии:
IV Всесоюзн. научно.-техн. конф. Новочеркасск, июнь 1979. Новочеркасск:
ИЛИ. 1981, с. 26-32.

SStf Е/. - Metallurgy italiana, 1974, v. 66, № 11, р. 636-644.

DJ., ayens S. - Met. and Metal Form., 1977, v. 44, № 3, p. 125-127.

C. - В кн.: Прогрессивные технологические процессы в порошко-
вой металлургии: Доки. Всесоюзн. науч. конф. (Минск, май 1981), Минск:
Вьппэйшая школа, 1982,л. 83-91.

Кипарисов С.С., Левинский ЮЛ. Внутреннее окисление и азотирование спла-
вов. - М.; Металлургия, 1979. — 199 с.

126ЛЬбеясоя ГА. Основы порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1975.-
200 Са

127 Болонкин СА., Башлыков С.С., Горбачев Л.П, и др. - Физика и химия обра-
ботки материалов, 1984, № 2, с. 124-129.

ШЛаланкин СА., Горбачев Л.П., Григорьев ЕГ. и др. - Журнал прикл. механики
и техн, физ., 1980, № 4, с. 132-136.

129.Буренков ГЛ, Левина ДА., Райченко Л.Я.-Электромеханическаяцромышлен-
ность. Электротермия, реферативный научн.-техн. сб. № 7 (191). - М.: ВНИИ
информации и тех.-эконом. исследований в электротехнике, 1978, с. 4—5.

ШРайченко АЛ. Введение в фотометрию металлических порошков. - Кию: Нау-
ков а думка, 1973. — 174 с.

131 Райченко АЛ., Скорик ЛЛ., Буренков ГЛ. и др. — Порошковая металлургах,
1973, №3, с. 102-105.

IH.CriveUi V.I., Esposito Е„ Mele G. е.а. - Metdlurgia italiana, 1973, V. 65, №11,
р. 611-618.

133Butcher В.М., Carroll M.M., Holt AC. - J. Appl. Phys., 1974, v. 45, № 9, p. 3864-
3875.

134 .Ройченко АЛ., Левина ДА., Буренков ГЛ. и др. — В кн.: Порошковая метал-
лургия,- Рига: Лат. ИНТИ, 1975, с. 124-126.

135 .Истомина Т.И., Байденко АА., Райченко АЛ. и др. — Порошковая металлур-
гия, 1983, №11, с. 99—101.

^.Федорченко ИМ., Белобородов ИЛ., Афанасьев В.Ф. и др. — Порошковая мо-
^Мургия, 1970, № 3, с. 39-42.

сйши**0 А‘^‘> К°льчинский М.З., Левина ДА. — В кн.: Спеченные конструкци-
_~Ые ^3®Риалы: Тр. III Всесоюзн. семинара по спеч. конструкц. матер. Киев*,
138 КиеВ: ВДМ АН УССР, 1976, с. 43-44.

Ргпл.. Marchi V.S. - In: Modem Developments in Powder Metallurgy

139 Иепит 1971, v. 4, p. 127-150.

вып1, * %<., Быков ИЛ.. Григорьев Е.Г. и др. - Письма в ЖТФ, 1983, т. 9,
140.Ce С'76 - 7^-

1978*мГИванов ВЛ., Емельянов ЮА. и др. - Порошковая металлургия,
141/у* °*

Ромаювский М.В., Пупынин ВЛ. - В кн.: Спеченные конструк-
. аиретп. 1сгтс1Т?Иа11Ы' ТР- Всесоюзн. семинара по спеч. конструкц. матер. Киев,
142•*Й29135-ХИвв: “ПМ АН УССР, 1976, с. 45-50.

, N* 11 в чя’А A-Hassani S.T.S. — Metallurgia and Metal Form., 1976, v. 43,

l*3.Goe/ i ,5OZ~3“-

C'aL’ deMtKM KS. - Powder Met. Int., 1971, v. 3, №3, p. 134-136.

nA 19 ~ to: Titanium-SO, Sd and Techno! Proc. 4 Int Conf. (Kyoto,

*^геГсг П N'Y" 1980> v* 3> P- 2265-2274.

& Marchi V.S. - Powder Met. Int, 1971, v. 3, №2, p. 80-87.
. «х: п. гл — Пооопп<,г>яая металлургия, 1971,№ 12, р. 85 91.

U7 /SX И, Дунькин Л.Х. - Порошковая металлургия, 1973, № 7, с. 63-67.
№ А^ ДВ-, Рыморов Е.В., Поляченко АМ. ~ Порошковая металлургия, 1981,
149 'гл. Райченко А.И., Хриенко А.Ф. - Электронная обработка матери-

Ch.. TunikA.T. е. а. (Кольчинский М.З., Техвер Я.Х.,
Т идо) - Materialy proszkowe w maszynach elektrycznych, Prace Nauk.
EXioJ Politechn. Wrod, 1976, № 23, Konf. №.J, S. 35-41.

141 Райченко AM., Левина ДА., Кольчинский М.З. и др.— В кн.: Горячее прессова-
ние сб докл. Ш Всесоюзн. науч. техн. конф. (Новочеркасск, 15—17 июня 1976),
Киев: ЙПМ АН УССР, 1977, с. 85-90.

152.Тарасов Ю.С., Смирнягин ГФ. - В кн.: Повышение надежности деталей машин,
восстанавливаемых механизированными способами наплавки. - Уфа: МСХ
СССР, 1973, с. 132-133.

153Рябинина О.Н., Райченко А.И., Фушич ОМ. и др. — Порошковая металлургия,

1977, №3, с. 37-41.

] 54.Boesel R.W. - Metall Progr., 1971, v. 99, №4, p. 74-77.

155.Карпович ИМ., Чураев H.B., Панченко M.C., й др: — Коллоида, журнал, 1982,
т. 44, №6, с. 1044-1050.

156-Мельников ЛА., Рыморов Е.В.. Гапонов В.С. и др. - Сварочное производство,

1972, №4, с. 17-19.

151.Райченко АМ. - Порошковая металлургия, 1981, № 4, с. 5-9.

15&.Гнатуш Ф.П., Гутман Ф.Г., Васьковский В.С. ~ В кн.: Структура и свойства но-
вых материалов и покрытий. — Киев: ИПМ АН УССР, 1978, с. 57—61.

Wi.BoeielR.W., GoetzelC.G. -PowderMet.Int, 1971, v. 3, № 1, p. 38-40.

160. Ac. 621474 (СССР) /Рябинина O.H., Райченко AM.- Опубл, в Б.И., 1978, № 32,
с. 32.

161.Рябинина О.Н., Райченко А.И., Пушкарев В.В. — Порошковая металлургия,
1982, №3, с. 26-28.

16 2. Роли ное ДМ. Электро контактный нагрев металлов: 2-е изд., М.; Машиностро-
ение, 1981. - 166 с.

163.Электрофизические методы получения покрытий из металлических порошков
/Дорожкин Н.Н., Миронов ВА., Верещагин В.А., Кот АА. — Рига: Зинатне,
1985.- 131 с.

W‘ ~ Naturforsch, 1956, Bd Ila, H. 3, S. 238-243.

. ременко B.H., Найдич Ю.В., Лавриненко ИА. Спекание в присутствии жидкой
166 Зо^о^к и>Й Ф?зы-“ Киев: Науковадумка, 1963. - 123 с.

167 Hurls пт г • “Электроискровая обработка металлов, 1957, вып. 1, с. 38-69.

16 YS J:B:^ Е-К- - ™1- Mag, 1964, v. 9, № 99 р. 423-434.

16 9.5^2/ т г J' 19S5> v- 71N81. Р- 158-167.

40. '' tabasMM- Hara z- - Monthly J. Inst. Industr. Sd, 1966, v. 18, № 2, p. 35-

170 .Рыкавиц H H — n . -r

АН СССР 1969~c ,кн':,Геш10ВЫе процессы при контактной сварке. - М.: Изд-во

171 .Рзйчекко А и * л. , *

т. 9,№б, с. 815-877°₽ЧеИТО И’М' ~ Физика металлов и металловедение, 1960,
172.0™^ а п Ял *

ПЗ-Селеное С НвМ‘ " М” ИЛ’ 1961. - 207 с.

. N* 7, с. 108-1Ц. Семенов РА. — Порошковая металлургия, 1965,

176 Срочно' bldU’tr" Sci*’ 1966’ v> 18»№2> Р- 35-40-

177 Спи^ W W' Легкая р г 1962, №11; с. 13-15.

С«“Чын Л.я., Троиикий ’ЛР?1' Phys,< 1963’ v> 34« №2« Р- 323-329.

аука, 1985. — 159 с ’ Электропластическая деформация металлов.
7S Ремонт и совершенствование конструкций тракторов, автомобилей и двигате-
17>'лей. - Науч. тр. /Челябинск: Челяб. ин-т механиз. и электрифик. с.х., 1965,
вып. 24.

.таТЪстолелвский В.С., Крупнова Л.В. - Физика и химия обработ. материалов,
1985, № 4, с. 82—87.

Е.В., Амелин ДМ. - Порошковая металлургия, 1984, № 11, с. 102-
106.

181_5ел<и<ерковский АМ, Титарев Н.Н. - Цветные металлы, 1974, № 12, с. 50-51.

П2^айченко А.И., Морозов А.С., Томчак И.Н. и др. - Технология и организация
производства, 1986, №3. F

^.Райченко А.И., Попов В.П., Морозов А.С. - Автомобильное производство
1985.-№10, с. 7-9. '

ЦАУайченко А.И., Морозов А.С., Попов В.П. ~ Порошковая металлургия. 1986
№2,с.41-44. *

185-&идин А.С. Электробрикетирование металлической стружки на прессах сис-
темы инж. М.Т. Васильева. — М.; Наркомат средн, машиностр., ТТПТ 1941.

43 с. ’

186f^б^’KpUTUHД'И’’^Р6**™* НТ- и др.- Сталь, 1966, № 10,
тГермелъ В., Зигель С., Ошкадеров С.П., Андрущик Л.О., Швитай ВЛ. Япем-
чук В.В. - Порошковая металлургия, 1986, № 1, с. 23—25, *’