Szinterezés - Sintering

A szinterezés vagy frittázs az a folyamat, amikor tömörítjük és szilárd anyagtömeget alakítunk ki hő vagy nyomás hatására, anélkül, hogy elolvasztanánk a cseppfolyósításig .

A szinterezés a fémekkel , kerámiákkal , műanyagokkal és más anyagokkal végzett gyártási folyamat részeként történik . Az anyagok atomjai diffundálnak a részecskék határain, összeolvasztják a részecskéket és egy szilárd darabot hoznak létre. Mivel a szinterelési hőmérsékletnek nem kell elérnie az anyag olvadáspontját , gyakran a szinterezést választják alakítási eljárásnak olyan anyagoknál, amelyek rendkívül magas olvadáspontúak, mint például a volfrám és a molibdén . A tanulmány a szinterelés a kohászat por kapcsolatos folyamatok ismert porkohászati . Példa a szinterezésre akkor figyelhető meg, amikor egy pohár vízben lévő jégkockák egymáshoz tapadnak, amit a víz és a jég közötti hőmérsékletkülönbség vezérel. A nyomásvezérelt szinterezésre példa a hóesés gleccserré tömörítése, vagy kemény hógolyó kialakítása a laza hó összepréselésével.

A „zsugorodás” származik a Közel-Magas német zsugorodás , a rokon az angol „ salak ”.

Általános szinterelés

A szinterezés akkor hatékony, ha az eljárás csökkenti a porozitást, és javítja az olyan tulajdonságokat, mint a szilárdság, az elektromos vezetőképesség , az áttetszőség és a hővezető képesség ; más esetekben azonban hasznos lehet erősségének növelése, de gázelnyelő képessége állandó marad, mint a szűrőknél vagy katalizátoroknál. Az égetési folyamat során az atomdiffúzió a porfelület eltávolítását különböző szakaszokban hajtja végre, kezdve a porok közötti nyakképződéstől a kis pórusok végső eltávolításáig a folyamat végén.

A sűrűség mozgatórugója a szabad energia változása a felület csökkenéséből és a felületi szabad energia csökkentéséből a szilárd-gőz felületek cseréjével. Új, de alacsonyabb energiájú szilárd-szilárd interfészeket képez a szabad energia előfordulásának teljes csökkenésével. Mikroszkópos skálán az anyagátvitelt befolyásolja a nyomás változása és a görbült felületen lévő szabad energia különbségei. Ha a részecske mérete kicsi (és görbülete nagy), ezek a hatások nagyon nagyok lesznek. Az energiaváltozás sokkal nagyobb, ha a görbületi sugár kisebb, mint néhány mikrométer, ami az egyik fő oka annak, hogy a kerámiatechnológia nagy része finomszemcsés anyagok használatán alapul.

Az olyan tulajdonságoknál, mint a szilárdság és a vezetőképesség, a kötésterület a részecskemérethez viszonyítva a meghatározó. Az adott anyagra szabályozható változók a hőmérséklet és a kezdeti szemcseméret, mivel a gőznyomás a hőmérséklettől függ. Idővel a részecskék sugara és a gőznyomás arányos (p ₀ ) ^2/3, illetve (p ₀ ) ^1/3 arányával .

A szilárdtest-folyamatok energiaforrása a szabad vagy kémiai potenciális energia változása a nyak és a részecske felszíne között. Ez az energia a lehető leggyorsabb eszközökkel anyagátadást hoz létre; ha az átvitel a részecsketérfogatból vagy a szemcsék közötti szemcsehatárból történne, akkor részecskecsökkenés és póruspusztulás következne be. A pórusok eltávolítása gyorsabban megy végbe olyan kísérletek során, amelyekben sok egyforma méretű és nagyobb porozitású pórus van, ahol a határdiffúziós távolság kisebb. A folyamat utóbbi részein a határ és a rács diffúziója válik fontossá.

A hőmérsékletszabályozás nagyon fontos a szinterelési folyamat szempontjából, mivel a szemcsék határon történő diffúziója és térfogatdiffúziója nagymértékben függ a hőmérséklettől, az anyagrészecskék méretétől és eloszlásától, az anyag összetételétől és gyakran a szabályozandó szinterezési környezettől.

Kerámia szinterezés

A szinterezés a fazekasság és más kerámiatárgyak gyártásánál alkalmazott égetési folyamat része . Ezek az objektumok készült anyagok, mint például üveg , alumínium-oxid , cirkónium-oxid , szilícium-dioxid , magnézium-oxid , mész , berillium-oxid , és a vas-oxid . Egyes kerámia nyersanyagok kisebb affinitással rendelkeznek a vízhez és alacsonyabb plaszticitási mutatóval, mint az agyag , ezért szerves adalékanyagokat igényelnek a szinterelés előtti szakaszokban. A kerámia tárgyak porkeveréssel történő előállításának általános eljárása a következőket tartalmazza:

• keverő víz, kötőanyag , diszpergálószer , és a kiégetetlen kerámiaport alkotnak egy zagyot
• a zagy porlasztva szárítása
• a porlasztva szárított port egy formába öntjük, és zöld színű testet préselünk (nem integrált kerámia elem)
• a zöld test melegítése alacsony hőmérsékleten, hogy leégjen a kötőanyag
• szinterezés magas hőmérsékleten, hogy a kerámia részecskék összeolvadjanak.

A fázisátalakulással, az üvegátmenetekkel és az olvadáspontokkal kapcsolatos jellemző hőmérsékletek, amelyek egy adott kerámia készítmény (azaz farok és fritt) szinterezési ciklusa során fordulnak elő, könnyen elérhetők az optikai dilatométer hőelemzése során a tágulási hőmérséklet görbéinek megfigyelésével . Valójában a szinterezés az anyag jelentős zsugorodásával jár, mivel az üvegfázisok átfolyási hőmérsékletük elérésekor folynak, és elkezdik megszilárdítani a por alakú szerkezetet, és jelentősen csökkentik az anyag porozitását.

A szinterezést magas hőmérsékleten végezzük. Ezenkívül egy második és/vagy harmadik külső erő (például nyomás, elektromos áram) is alkalmazható. Általában használt második külső erő a nyomás. Tehát a szinterelést, amelyet csak hőmérsékleten végeznek, általában "nyomásmentes szinterezésnek" nevezik. Nyomásmentes szinterezés lehetséges osztályozott fém-kerámia kompozitokkal, nanorészecske szinterelési segédanyaggal és ömlesztett öntési technológiával. A 3D formákhoz használt változatot forró izosztatikus préselésnek nevezik .

Annak érdekében, hogy a termék hatékonyan egymásra halmozható legyen a kemencében, és megakadályozzák az alkatrészek összeragadását, sok gyártó kerámia porleválasztó lapokkal választja el az edényeket. Ezek a lapok különböző anyagokból állnak rendelkezésre, mint például alumínium -oxid, cirkónium -dioxid és magnézium. Ezenkívül finom, közepes és durva szemcseméret szerint kategorizálják őket. Ha az anyagot és a szemcseméretet összehangolják a zsugorodó edényekkel, csökkenthetők a felületi sérülések és szennyeződések, miközben maximalizálják a kemence terhelését.

Fémporok szinterezése

A legtöbb, ha nem az összes fém szinterezhető. Ez különösen vonatkozik a vákuumban előállított tiszta fémekre, amelyek nem szenvednek felületi szennyeződést. A légköri nyomáson történő szinterezéshez védőgáz, gyakran endoterm gáz szükséges . A szinterezés utólagos feldolgozással az anyagtulajdonságok széles skáláját képes előállítani. A sűrűség, az ötvözés és a hőkezelések változása megváltoztathatja a különböző termékek fizikai jellemzőit. Például, a Young-féle modulusa E _n szinterezett vas porok maradványait némiképp érzéketlen a szinterezés ideje, ötvöző, illetve a részecskeméret az eredeti por alacsonyabb szinterelési hőmérsékletek, de függ a sűrűsége a végtermék:

ahol D a sűrűség, E Young modulusa és d a vas maximális sűrűsége.

A szinterezés akkor statikus, ha egy fémpor bizonyos külső körülmények között összeolvadhat, és az ilyen körülmények megszűnésekor visszatér a szokásos viselkedéséhez. A legtöbb esetben a szemcsék sűrűsége növekszik, amikor az anyag az üregekbe áramlik, ami a teljes térfogat csökkenését okozza. A szinterezés során fellépő tömegmozgások a teljes porozitás csökkentését foglalják magukba újracsomagolással, majd az anyagszállítást követik a párolgás és a diffúzióból származó kondenzáció következtében . A végső szakaszban a fém atomok a kristályhatárok mentén a belső pórusok falaihoz mozognak, újraelosztják a tömeget a tárgy belső tömege felől, és kisimítják a pórusfalakat. Ennek a mozgásnak a felületi feszültsége a hajtóereje.

A szinterezés speciális formája (amelyet még mindig a porkohászat részének tekintünk) a folyékony halmazállapotú szinterezés, amelyben legalább egy, de nem minden elem folyékony állapotban van. A cementált karbid és a volfrám-karbid előállításához folyékony halmazállapotú szinterezésre van szükség .

Szinterezve bronz különösen gyakran használják mint anyag a csapágyak , mivel porozitás kenőanyagok átfolyik, vagy maradnak elfogott belül. A szinterezett réz felhasználható elszívó szerkezetként bizonyos típusú hőcső -konstrukciókban, ahol a porozitás lehetővé teszi, hogy a folyékony szer kapillárisan keresztül mozogjon a porózus anyagon . A magas olvadáspontú anyagok, például molibdén , volfrám , rénium , tantál , ozmium és szén esetében a szinterelés a kevés életképes gyártási folyamat egyike. Ezekben az esetekben nagyon alacsony porozitás kívánatos, és gyakran el is érhető.

Szinterezett fémport használnak törhető lövöldözős puskák készítéséhez, amelyeket törési köröknek neveznek , a katonai és a SWAT csapatok pedig arra, hogy gyorsan kényszerítsék a belépést egy zárt helyiségbe. Ezeket a vadászpuskákat úgy tervezték, hogy rikoccsolás vagy életveszélyes továbbrepülés révén megsemmisítsék az ajtókulcsokat, zárakat és zsanérokat anélkül, hogy életet kockáztatnának. Úgy dolgoznak, hogy megsemmisítik az eltalált tárgyat, majd viszonylag ártalmatlan porrá szétszórják.

A szinterezett bronzot és a rozsdamentes acélt szűrőanyagként használják olyan alkalmazásokban, amelyek magas hőállóságot igényelnek, miközben megtartják a szűrőelem regenerálásának képességét. Például szinterezett rozsdamentes acél elemeket használnak a gőz szűrésére az élelmiszer- és gyógyszeripari alkalmazásokban, valamint a szinterezett bronzt a repülőgépek hidraulikus rendszereiben.

A nemesfémeket, például ezüstöt és aranyat tartalmazó porok szinterezését kis ékszerek készítésére használják.

Előnyök

A por technológia különleges előnyei:

1. Nagyon nagy tisztaság és egyenletesség a kiindulási anyagokban
2. A tisztaság megőrzése az egyszerűbb későbbi gyártási folyamat (kevesebb lépés) miatt, amelyet lehetővé tesz
3. Az ismétlődő műveletek részleteinek stabilizálása a szemcseméret szabályozásával a beviteli szakaszokban
4. A kötőérintkezés hiánya az elkülönített porrészecskék között - vagy "zárványok" (ún. Húzás) - ahogy az olvadási folyamatokban gyakran előfordul
5. Nincs szükség deformációra a szemek irányított megnyúlásának előidézéséhez
6. Képesség szabályozott, egyenletes porozitású anyagok előállítására.
7. Képesség majdnem háló alakú tárgyak előállítására.
8. Képesség olyan anyagok előállítására, amelyeket más technológia nem tud előállítani.
9. Képesség nagy szilárdságú anyagok, például turbinalapátok gyártására.
10. A szinterezést követően a mechanikai ellenálló képesség nagyobb lesz.

A szakirodalom számos hivatkozást tartalmaz az eltérő anyagok szinterezésére szilárd/szilárd fázisú vegyületek vagy szilárd/olvadék keverékek előállítására a feldolgozási szakaszban. Szinte minden anyag por formájában nyerhető, akár kémiai, akár mechanikai, akár fizikai eljárásokkal, tehát szinte bármilyen anyag szinterezéssel nyerhető. Amikor tiszta elemeket szintereznek, a maradék por még tiszta, így újrahasznosítható.

Hátrányok

A por technológia különleges hátrányai a következők:

1. 100% -ban szinterezett (vasérc) nem tölthető fel a kohóban
2. a szinterezés nem hozhat létre egységes méreteket
3. a szinterezés előtt előállított mikro- és nanoszerkezetek gyakran megsemmisülnek.

Műanyag szinterezés

A műanyagokat szinterezéssel alakítják ki olyan alkalmazásokhoz, amelyek különleges porozitású anyagokat igényelnek. Szinterezett műanyag porózus alkatrészeket használnak a szűréshez, valamint a folyadék- és gázáramlás szabályozásához. A szinterezett műanyagokat olyan alkalmazásokban használják, amelyek maró folyadék -elválasztási folyamatokat igényelnek, mint például a fehérek a tábla jelölőiben, az inhalátor szűrők, valamint a csomagolóanyagok kupakjainak és béléseinek szellőzőnyílásai. A szinterezett ultra -nagy molekulatömegű polietilén anyagokat sí és snowboard alapanyagként használják. A porózus textúra lehetővé teszi a viasz megtartását az alapanyag szerkezetében, így tartósabb viaszbevonatot biztosít.

Folyékony fázisú szinterezés

A nehezen szinterezhető anyagoknál általában folyékony fázisú szinterezésnek nevezett eljárást használnak. A folyékony fázisú szinterezés gyakori anyaga a Si ₃ N ₄ , WC , SiC és így tovább. A folyékony fázisú szinterezés az a folyamat, amikor adalékot adnak a porhoz, amely a mátrixfázis előtt megolvad. A folyékony fázisú szinterezés három szakaszból áll:

• átrendeződés - Mivel a folyadék elolvad, a kapilláris hatások a pórusokba húzzák a folyadékot, és a szemcsék is kedvezőbb csomagolási elrendezésbe kerülnek.
• oldat-csapadék- Olyan területeken, ahol a kapilláris nyomás magas (a részecskék közel vannak egymáshoz), az atomok előnyösen az oldatba kerülnek, majd kicsapódnak az alacsonyabb kémiai potenciállal rendelkező területeken, ahol a részecskék nincsenek közel vagy érintkeznek. Ezt nevezzük érintkezési lapításnak. Ez sűríti a rendszert, hasonlóan a szemcsés határ diffúzióhoz szilárd halmazállapotú szinterezéskor. Az Ostwald -érés akkor is előfordul, ha a kisebb részecskék előnyösen az oldatba kerülnek, és nagyobb részecskékre csapódnak ki, ami sűrűsödéshez vezet.
• végső sűrűsödés - a szilárd csontváz -hálózat sűrűsége, folyadékmozgás a hatékonyan csomagolt régiókból a pórusokba.

Ahhoz, hogy a folyékony fázisú szinterezés praktikus legyen, a fő fázisnak legalább enyhén oldhatónak kell lennie a folyékony fázisban, és az adalékanyagnak meg kell olvadnia, mielőtt a szilárd részecskék hálózatának bármilyen nagyobb szinterezése megtörténik, különben a szemcsék átrendeződése nem következik be. A folyékony fázisú szinterezést sikeresen alkalmazták a nanorészecskék prekurzor filmjeiből származó vékony félvezető rétegek szemcsés növekedésének javítására .

Az elektromos áram segíti a szinterelést

Ezek a technikák elektromos áramokat alkalmaznak a szinterelés meghajtására vagy fokozására. Angol mérnök AG Bloxam regisztrált 1906 első szabadalom szinterezéssel porok segítségével egyenáram a vákuum . Találmányainak elsődleges célja az izzólámpák szálainak ipari méretű gyártása volt, volfrám- vagy molibdénrészecskék tömörítésével . Az alkalmazott aktuális volt különösen hatékonyan csökkenti a felületi oxidok , hogy növelte a emissziós a szálak.

1913 -ban Weintraub és Rush szabadalmaztattak egy módosított szinterezési módszert, amely egyesítette az elektromos áramot a nyomással . Ennek a módszernek az előnyeit bebizonyították a tűzálló fémek , valamint a vezetőképes karbid- vagy nitridporok szinterezéséhez . A kiindulási bór - szén vagy szilícium - szén porokat elektromosan szigetelő csőbe helyeztük, és két rúd összenyomta, amelyek az áram elektródái is voltak. A becsült szinterelési hőmérséklet 2000 ° C volt.

Az Egyesült Államokban a szinterelést először Duval d'Adrian szabadalmaztatta 1922- ben . Háromlépcsős eljárása hőálló tömbök előállítását célozta meg olyan oxid anyagokból, mint a cirkónium - oxid, a thoria vagy a tantalia . A lépések a következők voltak: (i) a por formázása ; (ii) a hőkezelés azt körülbelül 2500 ° C-on annak érdekében, hogy vezető; (iii) az áramnyomású szinterezést a Weintraub és a Rush módszere szerint végezzük.

A szinterezést, amely kapacitáskisülésen keresztül előállított ív segítségével távolítja el az oxidokat az egyenáramú fűtés előtt, GF Taylor szabadalmaztatta 1932 -ben. Ez a szinterelési módszer impulzusos vagy váltakozó áramot alkalmazó , végül egyenáramra helyezett szabadalmazás . Ezeket a technikákat sok évtized alatt fejlesztették ki, és több mint 640 szabadalomban foglaltak össze.

Ezen technológiák közül a legismertebb az ellenállási szinterezés (más néven forró préselés ) és a szikra plazma szinterezés , míg az elektro -szinterezés a legújabb fejlesztés ezen a területen.

Szikra plazma szinterezés

A szikra plazma szinterezésben (SPS) külső nyomást és elektromos mezőt alkalmaznak egyidejűleg, hogy fokozzák a fém/kerámia por tömörítésének sűrűségét. A kereskedelmi forgalomba hozatal után azonban megállapították, hogy nincs plazma, így a megfelelő név a szikraszinterezés, amelyet Lenel talált ki. Az elektromos mező által hajtott sűrítés kiegészíti a szinterezést egy forró préseléssel, hogy lehetővé tegye az alacsonyabb hőmérsékletet és kevesebb időt vesz igénybe, mint a tipikus szinterezés. Sok éven keresztül azt feltételezték, hogy a szikrák vagy a plazma létezése a részecskék között elősegítheti a szinterelést; azonban Hulbert és munkatársai szisztematikusan bebizonyították, hogy a szikra plazma szinterezés során használt elektromos paraméterek miatt (nagyon) valószínűtlen. Ennek fényében a "szikra plazma szinterezés" elnevezést elavulttá tették. Az olyan kifejezéseket, mint a "Field Assisted Sintering Technique" (FAST), "Electric Field Assisted Sintering" (EFAS) és az Direct Current Sintering (DCS), a szinterező közösség valósította meg. Ha egyenáramú impulzust használnak elektromos áramként, akkor szikra plazma, szikra ütközési nyomás, joule fűtés és elektromos tér diffúziós hatása jön létre. A grafit szerszám kialakításának és összeszerelésének módosításával bebizonyosodott, hogy nyomásmentes szinterezési körülményeket teremt a szikra plazma szinterező berendezésben. Ez a módosított szerszám kialakítás a jelentések szerint szinergizálja mind a hagyományos nyomásmentes szinterezési, mind a szikra plazma szinterelési technikák előnyeit.

Elektromos szinterező kovácsolás

Az elektro -szinterező kovácsolás egy elektromos árammal segített szinterezési (ECAS) technológia, amely a kondenzátor kisülési szinterezéséből származik . Gyémánt fém mátrix kompozitok gyártására használják, és értékelés alatt áll a keményfémek, a nitinol és más fémek, valamint az intermetallikus anyagok gyártásához. Nagyon alacsony szinterelési idő jellemzi, lehetővé téve a gépek számára, hogy ugyanolyan sebességgel zsugorodjanak, mint a tömörítő prés.

Nyomásmentes szinterezés

A nyomásmentes szinterezés a porkompakt szinterezése (néha nagyon magas hőmérsékleten, a portól függően) nyomás nélkül. Ezzel elkerülhető a végső komponens sűrűségváltozása, ami a hagyományos, forró sajtolási módszereknél fordul elő.

A por kompakt (ha kerámia) csúszásos öntéssel , fröccsöntéssel és hideg izosztatikus préseléssel hozható létre . Az előszinterezést követően a végső zöld kompakt megmunkálható a végső formájára, mielőtt szinterezik.

Három különböző fűtési ütemterv hajtható végre nyomásmentes szinterezéssel: állandó fűtési sebesség (CRH), sebességvezérelt szinterelés (RCS) és kétlépcsős szinterezés (TSS). A kerámia mikrostruktúrája és szemcsemérete az alkalmazott anyagtól és módszertől függően változhat.

Az állandó fűtési sebesség (CRH), más néven hőmérséklet-szabályozott szinterezés, a zöld kompakt állandó hevítéséből áll, a szinterelési hőmérsékletig. Kísérleteket végeztek cirkónium -dioxiddal a szinterelési hőmérséklet és szinterelési sebesség optimalizálása érdekében a CRH módszerhez. Az eredmények azt mutatták, hogy a szemcseméretek azonosak voltak, amikor a mintákat azonos sűrűségűre zsugorították, ami azt bizonyítja, hogy a szemcseméret a minta sűrűségének függvénye, nem pedig a CRH hőmérséklet mód.

A sebességvezérelt szinterezés (RCS) esetében a sűrűsödési sebesség a nyílt porozitású fázisban alacsonyabb, mint a CRH módszerben. A definíció szerint a relatív sűrűség, ρ _rel , a nyitott porozitású fázisban 90%alatt van. Bár ennek meg kell akadályoznia a pórusok elválását a szemcsék határaitól, statisztikailag bebizonyosodott, hogy az RCS alumínium -oxid, cirkónium -dioxid és ceria minták esetében nem eredményezett kisebb szemcseméretet, mint a CRH.

A kétlépcsős szinterezés (TSS) két különböző szinterelési hőmérsékletet használ. Az első szinterelési hőmérsékletnek garantálnia kell az elméleti mintasűrűség 75% -ánál nagyobb relatív sűrűséget. Ez eltávolítja a szuperkritikus pórusokat a testből. A mintát ezután lehűtjük, és a második szinterelési hőmérsékleten tartjuk, amíg a sűrítés befejeződik. A köbös cirkónium -dioxid és a köbös stroncium -titanát szemcséit a TSS jelentősen finomította a CRH -hoz képest. Más kerámiaanyagok szemcseméret -változásai, például tetragonális cirkónium -dioxid és hatszögletű alumínium -oxid, azonban nem voltak statisztikailag szignifikánsak.

Mikrohullámú szinterezés

A mikrohullámú szinterezés során a hő néha az anyag belsejében keletkezik, nem pedig külső hőforrásból származó felületi sugárzó hőátadás révén. Egyes anyagok nem párosulnak, mások pedig elfutó viselkedést mutatnak, ezért korlátozott a hasznosságuk. A mikrohullámú szinterezés előnye a gyorsabb felmelegedés kis terheléseknél, vagyis kevesebb idő szükséges a szinterelési hőmérséklet eléréséhez, kevesebb fűtési energia szükséges, és javulnak a termék tulajdonságai.

A mikrohullámú szinterezés kudarca, hogy általában csak egy kompaktot zsugorít egyszerre, így az összteljesítmény gyenge, kivéve az egyedülálló szinterezéssel járó helyzeteket, például a művészeket. Mivel a mikrohullámok csak rövid távolságon tudnak behatolni nagy vezetőképességű és nagy áteresztőképességű anyagokban, a mikrohullámú szinterezés megköveteli, hogy a mintát porokban szállítsák, amelyek szemcsemérete az adott anyag mikrohullámainak behatolási mélysége körül van. A szinterelési folyamat és a mellékreakciók többször gyorsabban futnak a mikrohullámú szinterezés során ugyanazon a hőmérsékleten, ami különböző tulajdonságokat eredményez a szinterezett termék számára.

Ez a technika elismerten hatékony a finom szemcsék/nano méretű szemcsék szinterezett biokerámiában való megőrzésében . A mikrohullámú szinterezési technikával feldolgozott példák a magnézium -foszfátok és a kalcium -foszfátok.

Sűrűsödés, üvegesedés és szemnövekedés

Szinterezés a gyakorlatban a szabályozást mind tömörítésére és gabona növekedését . A sűrítés a minta porozitásának csökkentése, ezáltal sűrűbbé téve azt. A szemnövekedés a gabonahatár mozgásának és az Ostwald érésének folyamata, hogy növelje az átlagos szemcseméretet. Számos tulajdonság ( mechanikai szilárdság , elektromos törési szilárdság stb.) Egyaránt előnyös a magas relatív sűrűség és a kis szemcseméret miatt. Ezért technikai szempontból rendkívül fontos, hogy ezeket a tulajdonságokat a feldolgozás során ellenőrizni lehessen. Mivel a porok sűrítése magas hőmérsékletet igényel, a szemcsésedés természetesen a szinterezés során következik be. Ennek a folyamatnak a csökkentése kulcsfontosságú számos mérnöki kerámia számára. Bizonyos kémiai és orientációs feltételek mellett egyes szemek gyorsan növekedhetnek szomszédaik rovására a szinterezés során. Ez a jelenség, amelyet abnormális szemnövekedésnek (AGG) neveznek, bimodális szemcseméret -eloszlást eredményez, ami hatással van a szinterelt tárgy mechanikai teljesítményére.

A gyors sűrűsödés érdekében elengedhetetlen, hogy (1) nagy mennyiségű folyékony fázis legyen, (2) a szilárd anyag szinte teljes mértékben oldódjon a folyadékban, és (3) a szilárd anyagot nedvesítse a folyadékot. A sűrítés mögött rejlő erő a finom szilárd részecskék között elhelyezkedő folyékony fázis kapilláris nyomásából származik. Amikor a folyékony fázis megnedvesíti a szilárd részecskéket, a részecskék közötti minden tér kapilláris lesz, amelyben jelentős kapilláris nyomás alakul ki. A szubmikrométeres részecskeméreteknél a 0,1–1 mikrométer átmérőjű kapillárisok nyomásai 175 kiló / négyzethüvelyk (1210 kPa) és 1750 font / négyzethüvelyk (12 100 kPa) között alakulnak ki szilikát folyadékok esetén és 975 tartományban. font / négyzethüvelyk (6720 kPa) és 9 750 font / négyzethüvelyk (67 200 kPa) esetén egy fém, például folyékony kobalt esetében.

A sűrítés állandó kapilláris nyomást igényel, ahol az oldat-kicsapódó anyagátvitel nem eredményez sűrűséget. A további sűrűsödés érdekében további részecskemozgás következik be, miközben a részecske szemcsés növekedésen és szemcse alakváltozáson megy keresztül. Zsugorodás következhet be, ha a folyadék a részecskék közé csúszik, és növeli a nyomást az érintkezési helyeken, ami miatt az anyag elmozdul az érintkezési felületektől, és arra kényszeríti a részecskék középpontjait, hogy közelebb húzódjanak egymáshoz.

A folyékony fázisú anyagok szinterezése finomszemcsés szilárd fázist foglal magában, hogy az átmérőjével arányos szükséges kapilláris nyomást hozzon létre, és a folyadékkoncentrációnak is meg kell teremtenie a kívánt kapilláris nyomást a tartományon belül, különben a folyamat leáll. Az üvegesedési sebesség függ a pórusok méretétől, a viszkozitástól és a jelen lévő folyékony fázis mennyiségétől, ami a teljes készítmény viszkozitásához vezet, és a felületi feszültségtől. A sűrítés hőmérsékletfüggése szabályozza a folyamatot, mert magasabb hőmérsékleten a viszkozitás csökken és növeli a folyadéktartalmat. Ezért az összetétel és a feldolgozás módosításakor ez hatással lesz az üvegesítési folyamatra.

Szinterezési mechanizmusok

A szinterezés az atomok mikrostruktúrán keresztüli diffúziójával történik. Ezt a diffúziót a kémiai potenciál gradiens okozza - az atomok a nagyobb kémiai potenciállal rendelkező területről a kisebb kémiai potenciállal rendelkező területre mozognak. A különböző utak, amelyeket az atomok egy helyről a másikra jutnak, a szinterelési mechanizmusok. A hat közös mechanizmus a következő:

• felületi diffúzió - az atomok diffúziója egy részecske felszíne mentén
• gőzszállítás - az atomok párolgása, amelyek különböző felületen kondenzálódnak
• rács diffúzió a felszínről - atomok a felszínről diffundálnak a rácson
• rácsdiffúzió a szemcse határától - atom a szemcse határától diffundál a rácson keresztül
• szemcsés határ diffúzió - atomok diffundálnak szemcsehatár mentén
• plasztikus deformáció - a diszlokációs mozgás anyagáramlást okoz.

Ezenkívül meg kell különböztetni a sűrítő és nem sűrítő mechanizmusokat. A fenti 1-3. Ábrák nem sűrűsödnek-atomokat vesznek a felszínről, és átrendezik őket egy másik felületre vagy ugyanazon felület egy részére. Ezek a mechanizmusok egyszerűen átrendezik az anyagot a porozitás belsejében, és nem okozzák a pórusok zsugorodását. A 4–6 mechanizmusok sűrítő mechanizmusok - az atomok a tömegről a pórusok felszínére kerülnek, ezáltal megszűnik a porozitás és nő a minta sűrűsége.

Gabona növekedés

A szemcsehatár (GB) az azonos kémiai és rácsösszetételű szomszédos kristályok (vagy szemcsék) közötti átmeneti terület vagy határfelület , nem tévesztendő össze a fázishatárral . A szomszédos szemcsék nem azonos orientációjúak a rácson, így az atomokat GB eltolt helyzetben adják a kristályok rácsához képest . Az GB -ban lévő atomok eltolódott pozícionálása miatt magasabb energiaállapotúak, mint a szemek kristályrácsának atomjai. Ez a tökéletlenség teszi lehetővé a GB -k szelektív maratását, amikor azt akarja, hogy a mikrostruktúra látható legyen.

Az energia minimalizálására való törekvés a mikrostruktúra elnagyolódásához vezet, hogy elérje a minta metastabil állapotát. Ez magában foglalja a GB területének minimalizálását és a topológiai szerkezetének megváltoztatását az energia minimalizálása érdekében. Ez a szemnövekedés lehet normális vagy rendellenes , a normál szemnövekedést a minta összes szemének egyenletes növekedése és mérete jellemzi. Rendellenes szemnövekedés az, amikor néhány szem sokkal nagyobbra nő, mint a fennmaradó többség.

Gabonahatár energia/feszültség

A GB -ban lévő atomok rendszerint magasabb energiaállapotban vannak, mint az ömlesztett anyagban lévő megfelelőik. Ez a feszesebb kötéseiknek köszönhető, ami GB feszültséget okoz . Ezt a többletenergiát, amelyet az atomok birtokolnak, szemcsehatár -energiának nevezzük . A gabona minimalizálni akarja ezt az extra energiát, így törekszik arra, hogy kisebb legyen a gabonahatár, és ez a változás energiát igényel. ${\ displaystyle \ sigma _ {GB}}$${\ displaystyle \ gamma _ {GB}}$

„Vagy, más szóval, erőt kell kifejteni a szemcsehatár síkjában, és a szemcsehatárban lévő vonal mentén hatni, hogy a szemcsehatár kiterjedjen az erő irányába. Az egységhosszonkénti erő, azaz feszültség/feszültség az említett vonal mentén σGB. Ezen érvelés alapján a következőket kell megállapítani:

a dA a szemcsehatár területének növekedése egységnyi hosszonként a vonal mentén a figyelembe vett gabonahatárterületen. ” ^{[478. oldal]}

A GB feszültség úgy is felfogható, mint a felszíni atomok közötti vonzóerő és az ezen atomok közötti feszültség annak a ténynek köszönhető, hogy a felületen nagyobb az atomközi távolság a felszínen, mint a tömeg (pl. Felületi feszültség ) . Amikor a felület nagyobb lesz, a kötések tovább nyúlnak, és a GB feszültsége nő. Ennek a feszültségnövekedésnek az ellensúlyozására atomok szállítására van szükség a felszínen, amely állandóan tartja a GB feszültségét. Ez az atomok diffúziója a folyadékok állandó felületi feszültségének köszönhető. Aztán az érv,

igaz. A szilárd anyagok esetében viszont az atomok felszínre történő diffúziója nem elegendő, és a felületi feszültség a felület növekedésével változhat.

Szilárd anyag esetén kifejezést adhatunk a Gibbs szabad energia dG változására, a GB terület, dA változásakor. dG -t adja

amely ad

${\ displaystyle \ sigma _ {GB}}$normál esetben egységben fejeződik ki, míg normál esetben egységben fejeződik ki, mivel ezek különböző fizikai tulajdonságok. ${\ displaystyle {\ frac {N} {m}}}$${\ displaystyle \ gamma _ {GB}}$${\ displaystyle {\ frac {J} {m^{2}}}}$ ${\ displaystyle (J = Nm)}$

Mechanikai egyensúly

Kétdimenziós izotróp anyag esetén a szemcsék határfeszültsége azonos lenne a szemcséknél. Ez 120 ° -os szöget eredményezne a GB csomópontban, ahol három szem találkozik. Ez hatszögletű mintázatot adna a szerkezetnek, amely a 2D minta metastabil állapota (vagy mechanikai egyensúlya ). Ennek az a következménye, hogy annak érdekében, hogy továbbra is a lehető legközelebb legyenek az egyensúlyhoz, a hatnál kevesebb oldalú szemek meg fogják hajlítani a GB -ot, hogy megtartsák a 120 ° -os szöget egymás között. Ez ívelt határt eredményez annak görbületével maga felé. A hat oldalas szemcséknek, mint említettük, egyenes határai lesznek, míg a hat oldalnál több oldalanak ívelt határai lesznek, görbülete önmagától távol. A hathatárú szemcsék (azaz hatszögletű szerkezet) metastabil állapotban (azaz helyi egyensúlyban) vannak a 2D szerkezeten belül. Három dimenzióban a szerkezeti részletek hasonlóak, de sokkal összetettebbek, és a gabona metastabil szerkezete nem szabályos, 14 oldalas poliéder , kétszer ívelt felülettel. A gyakorlatban minden szemcseméret mindig instabil, és így mindig növekszik, amíg az ellenerő meg nem akadályozza.

A szemek arra törekednek, hogy minimalizálják energiájukat, és az ívelt határ nagyobb energiával rendelkezik, mint az egyenes határ. Ez azt jelenti, hogy a szemcsehatár a görbület felé vándorol. Ennek az a következménye, hogy a 6 oldalnál kisebb szemek mérete csökken, míg a 6 oldalnál nagyobb szemek mérete megnő.

A szemek növekedése az atomok szemcsehatáron keresztüli mozgása miatt következik be. A domború felületek nagyobb kémiai potenciállal rendelkeznek, mint a homorú felületek, ezért a szemcsék határai görbületi középpontjuk felé mozdulnak el. Mivel a kisebb részecskék hajlamosak a nagyobb görbületi sugárra, és ez azt eredményezi, hogy a kisebb szemcsék atomokat veszítenek a nagyobb szemcséktől és zsugorodnak. Ezt Ostwald érlelésnek nevezik. A nagy szemek a kis szemek rovására nőnek.

A szemnövekedés egy egyszerű modellben a következő:

Itt G a végső átlagos szemcseméret, G ₀ a kezdeti átlagos szemcseméret, t az idő, m 2 és 4 közötti tényező, K pedig a következő tényező által megadott tényező:

Itt Q a moláris aktiválási energia, R az ideális gázállandó, T az abszolút hőmérséklet, és K ₀ anyagfüggő tényező. A legtöbb anyagban a szinterezett szemcseméret arányos a frakcionált porozitás fordított négyzetgyökével, ami azt jelenti, hogy a pórusok a leghatékonyabb késleltetők a szemcsés növekedéshez a szinterezés során.

A gabona növekedésének csökkentése

Oldott ionok

Ha adalékanyagot adnak az anyaghoz (példa: Nd a BaTiO _{3 -ban} ), a szennyeződés hajlamos ragaszkodni a szemcsehatárokhoz. Ahogy a szemcsehatár megpróbál mozogni (amikor az atomok a domborúról a homorú felületre ugrálnak), az adalékanyag koncentrációjának változása a szemcse határán ellenállást von maga után. Az eredeti oldott anyag koncentrációja a szemcsehatár körül a legtöbb esetben aszimmetrikus lesz. Ahogy a szemcsehatár megpróbál mozogni, a mozgással ellentétes oldalon lévő koncentráció magasabb lesz, és ezért nagyobb kémiai potenciállal rendelkezik. Ez a megnövekedett kémiai potenciál háttérként szolgál az eredeti kémiai potenciál gradienshez, ami a szemcsehatár elmozdulásának oka. Ez a nettó kémiai potenciál csökkenése csökkenti a szemek határsebességét és ezáltal a szemnövekedést.

Finom második fázisú részecskék

Ha egy második fázis részecskéit, amelyek nem oldódnak a mátrix fázisban, sokkal finomabb por formájában adják a porhoz, akkor ez csökkenti a szemcsehatár mozgását. Amikor a szemcsehatár megpróbál elhaladni az atomok zárványdiffúziója között az egyik szemcsétől a másikig, ezt az oldhatatlan részecske akadályozza. Ez azért van így, mert előnyös, ha a részecskék a szemcsehatárokban tartózkodnak, és a szemcsehatár -migrációhoz képest ellenkező irányú erőt fejtenek ki. Ezt a hatást Zener -effektusnak nevezik az ember után, aki ezt a húzóerőt becsülte

ahol r a részecske sugara és λ a határ határfelületi energiája, ha térfogat egységben N részecske van, térfogatrészük f

feltételezve, hogy véletlenszerűen vannak elosztva. Az egységterület határa metszi a 2r térfogatú részecskéket, amelyek 2Nr részecskék. Tehát a szemcsehatár egységnyi területét metsző n részecskék száma:

Most, ha feltételezzük, hogy a szemek csak a görbület hatására nőnek, a növekedés hajtóereje az, ahol (homogén szemcseszerkezet esetén) R megközelíti a szemek átlagos átmérőjét. Ezzel a kritikus átmérőt el kell érni, mielőtt a szemek megszűnnek: ${\ displaystyle {\ frac {2 \ lambda} {R}}}$

Ezt le lehet csökkenteni

tehát a szemcsék kritikus átmérője a szemcsék határán lévő részecskék méretétől és térfogatrészétől függ.

Azt is kimutatták, hogy a kis buborékok vagy üregek zárványként működhetnek

A bonyolultabb kölcsönhatások, amelyek lassítják a szemek határmozgását, magukban foglalják a két szem felszíni energiájának kölcsönhatásait és a befogadást, és ezeket részletesen tárgyalja CS Smith.

Katalizátorok szinterezése

A szinterezés fontos oka a katalizátor aktivitás elvesztésének , különösen a hordozott fém katalizátorok esetében. Csökkenti a katalizátor felületét és megváltoztatja a felületi szerkezetet. Porózus katalitikus felület esetén a pórusok összeomlanak a szinterezés miatt, ami a felület elvesztéséhez vezethet. A szinterezés általában visszafordíthatatlan folyamat.

A kis katalizátorrészecskék a lehető legnagyobb relatív felülettel és magas reakcióhőmérséklettel rendelkeznek, mindkettő általában növeli a katalizátor reakcióképességét. Azonban ezek a tényezők is azok a körülmények, amelyek mellett a szinterelés előfordul. Bizonyos anyagok szintén növelhetik a szinterelési sebességet. Másrészt, a ötvöző katalizátorok más anyagokkal, szinterezés lehet csökkenteni. Különösen a ritkaföldfémekről kimutatták, hogy ötvözve csökkentik a fémkatalizátorok szinterelését.

Sok hordozható fémkatalizátor esetében a szinterelés jelentős hatást fejt ki 500 ° C (932 ° F) feletti hőmérsékleten. A magasabb hőmérsékleten működő katalizátorok, például az autókatalizátor , szerkezeti fejlesztéseket alkalmaznak a szinterelés csökkentésére vagy megelőzésére. Ezek a fejlesztések általában inert és termikusan stabil anyagból, például szilícium -dioxidból , szénből vagy alumínium -oxidból készült hordozó formájában vannak .

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

• Csiang, Még-Ming; Birnie, Dunbar P .; Kingery, W. David (1996. május). Fizikai kerámia: A kerámiatudomány és a mérnöki alapelvek . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-59873-9.
• Green, DJ; Hannink, R .; Swain, MV (1989). A kerámia átalakulási keményítése . Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
• German, RM (1996). Szinterezési elmélet és gyakorlat . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-05786-X.
• Kang, Suk-Joong L. (2005). Szinterezés (1. kiadás). Oxford: Elsevier , Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-6385-5.

Külső linkek

• Részecske-részecske-szinterezés-3D rács kinetikus Monte Carlo szimuláció
• Sphere-Plate-Sintering-3D rács kinetikus Monte Carlo szimuláció