Spiekanie: Różnice pomiędzy wersjami

'''Spiekanie proszków ceramicznych lub metalicznych''' jest zjawiskiem zachodzącym samorzutnie wraz z podniesieniem [[temperatura|temperatury]], którego kierunek jest ustalony przez spadek [[entalpia swobodna|entalpii swobodnej]], towarzyszący zmniejszeniu się [[rozwinięcie powierzchni|rozwinięcia powierzchni]] swobodnych układu. Dzięki temu zbiór stykających się ze sobą drobnych ziaren wiąże się wzajemnie po podgrzaniu do odpowiedniej temperatury niższej od potrzebnej do ich stopienia (0,4-0,85 bezwzględnej temperatury topnienia). Wiązaniu ziaren towarzyszy [[Skurcz odlewniczy|skurcz]] całego układu i przejście sypkiego lub słabo związanego proszku w lity, wytrzymały [[polikryształ]]. Zmiany te są wynikiem przenoszenia [[masa (fizyka)|masy]], które polega w pierwszym przypadku na przemieszczaniu się całych ziaren względem siebie, zaś w drugim przypadku na wędrówce pojedynczych [[atom]]ów i [[Cząsteczka|molekuł]] w [[Ciecz|fazie ciekłej]] oraz [[gaz]]owej. W każdym z tych przypadków zachodzi ukierunkowany [[transport masy]], co oznacza, że w układzie działają [[siła|siły]] i [[naprężenie|naprężenia]], które wywołują przemieszczanie się ziaren i atomów w określonym [[kierunek|kierunku]]. Każdy z tych mechanizmów dominuje w innym zakresie temperatur.

W przypadku [[dyfuzja powierzchniowa|dyfuzji powierzchniowej]] mamy do czynienia z chaotycznym ruchem pojedynczych atomów lub [[Defekty sieci krystalicznej|defektów]] znajdujących się na powierzchni ziaren. Zakres dyfuzji powierzchniowej i jej wpływ na przebieg spiekania zależy nie tylko od temperatury i znacznego [[rozwinięcie powierzchni|rozwinięcia powierzchni]] w [[układ]]zieukładzie. Decyduje o tym także chemiczny stan powierzchni ziaren. Rola tego [[Przemiana fizyczna|procesu]] jest szczególnie istotna w przypadku spiekania [[proszek|proszków]] [[substancja (fizyka)|substancji]] o [[wiązanie kowalencyjne|wiązaniach kowalencyjnych]], gdzie aż do bardzo wysokich temperatur jedynym znaczącym mechanizmem dyfuzji jest właśnie dyfuzja powierzchniowa. Dodatkowo, dyfuzja powierzchniowa powoduje przekształcenie się początkowych kontaktów punktowych w kontakty [[fazaFaza termodynamiczna|fazowe]] między ziarnami, to jest kontakty o większym rozwinięciu powierzchni. W wyniku tego w zbiorze ziaren wykształca się sieć mniej lub bardziej cylindrycznych [[porPorowatość|porów]]ów, co wywołuje stan równoważny poddaniu układu zewnętrznemu [[ciśnienie|ciśnieniu]] [[ciśnienie hydrostatyczne|hydrostatycznemu]].

Występowanie [[naprężenia ściskające|naprężeń ściskających]], w miejscach kontaktu ziaren, zarówno w nieobecności jak i obecności [[Ciecz|fazy ciekłej]], są przyczyną występowania kolejnego ze zjawisk, mianowicie transportu masy drogą przemieszczania się całych ziaren, które prowadzi do przegrupowania ich zbioru. Jest to możliwe, jeśli ziarna ulegną przegrupowaniu przyjmując bardziej gęste ułożenie. Wystąpienie tego procesu tłumaczy zatem racjonalnie znaczny przyrost [[skurczSkurcz odlewniczy|skurczu]]u obserwowany w pośrednich stadiach spiekania.

Jedynie ciecze charakteryzujące się małą wartością kąta dwuściennego i kąta zwilżania w stosunku do materiału fazy stałej mogą efektywnie wspomagać proces zagęszczania. W układach, w których ciecz wykazuje dużą wartość [[kąt dwuścienny|kąta dwuściennego]] (>60˚), tworzą się odizolowane wtrącenia, które mogą [[modyfikacja|modyfikować]] rozrost ziaren, lecz nie przyspieszają zagęszczania [[polikryształ]]u. Pojawienie się fazy ciekłej w spiekanych [[układ wieloskładnikowy|układach wieloskładnikowych]] może mieć wiele przyczyn, z których ważniejsze to stopienie się jednego, niskotopliwego, ze [[Dodawanie|składników]] oraz utworzenie niskotopliwej mieszaniny [[EutektykEutektyka|eutektycznej]]. W obecności fazy ciekłej zagęszczenie spiekających się układów do wysokich [[gęstość|gęstości]] jest z reguły szybsze niż przy spiekaniu w [[Ciało stałe|fazie stałej]]. Preferencyjne rozpuszczanie się w [[ciecz]]y ziaren o małych rozmiarach, sprawia, iż [[roztwór]] w stosunku do ziaren dużych staje się przesycony, co prowadzi do [[krystalizacja|krystalizacji]] materiału fazy stałej na ich powierzchniach z równoczesnym dopasowaniem [[Ciało krystaliczne|kryształów]] sąsiadujących ziaren. Tym sposobem przestrzeń pomiędzy dużymi ziarnami, początkowo wypełniona ziarnami małymi i cieczą, teraz zostaje zajęta nowo wykrystalizowanym litym materiałem fazy stałej. Dodatkowo, w przypadku [[Zwilżalność|zwilżania]] ziaren przez [[ciecz]] i gdy faza ciekła występuje w postaci warstewek rozdzielających stałe ziarna, a [[Krzywizna krzywej|promień krzywizny]] [[menisk]]u jest mały, na granicy rozdziału ciecz – gaz pojawiają się znaczne siły [[kapilara|kapilarne]].

W chwili obecnej nie można jednoznacznie stwierdzić, który z opisywanych wyżej dwóch mechanizmów spiekania z udziałem [[Ciecz|fazy ciekłej]], lepiej odzwierciedla rzeczywistość. Należy przyjąć, że oba procesy koegzystują ze sobą w [[proporcja]]chproporcjach zależnych od rozkładu wielkości ziaren fazy stałej.

Jeżeli spiekanie odbywa się w bardzo wysokich temperaturach, to w spiekających się układach występować mogą niepomijalne [[prężność|prężności]] lotnych produktów [[dysocjacjaDysocjacja termiczna|dysocjacji]] termicznej, [[sublimacja|sublimacji]], [[utlenianie|utleniania]] lub redukcji faz stałych i ciekłych. Umożliwia to przenoszenie masy poprzez [[Gaz|fazę gazową]]. Szczególnie tworzenie się lotnych niższych tlenków, może prowadzić do znacznego przenoszenia masy poprzez fazę gazową. Mniejsze znaczenie dla przenoszenia masy tą drogą ma natomiast tworzenie się niższych węglików, ponieważ są one mało lotne w temperaturach spiekania.

Doświadczenie wskazuje, że istotną rolę w eliminacji porów w toku spiekania odgrywa również proces [[Rekrystalizacja (metaloznawstwo)|rozrostu ziaren]]. Prowadzi on do powiększania [[udział objętościowy|udziału objętościowego]] [[porPorowatość|porów]]ów o [[liczba koordynacyjna|liczbie koordynacyjnej]] wystarczająco małej, aby wykazywały tendencję do samorzutnego zmniejszania swojej objętości podczas spiekania.