Влияние «гравитационных» и остаточных напряжений на спекание

Обсуждая механизм и кинетику «самопроизвольного» спекания порошковых прессовок, мы предполагали, что единственной действующей силой является сила, обусловленная «лапласовским» давлением:

, (5.4)

где 1/ R – локальная кривизна участка поверхности.

Источники «лапласовского» давления (и напряжений, которые ими определяются) хаотически распределены во всем объеме заготовки, линейные размеры которой существенно превосходят средний размер частицы, поэтому воздействие этого давления в известном смысле эквивалентно действию давления всестороннего сжатия и обусловливает равномерное уплотнение в объеме заготовки. Между тем в реальной заготовке могут быть значительные напряжения иного происхождения, которые также должны оказывать влияние на изменение ее плотности. Такие напряжения могут возникнуть под действием силы тяжести («гравитационные» напряжения) и поддерживаться ею в процессе спекания. Они могут быть остаточными, возникшими в процессе прессования. Эти напряжения релаксируют на начальном этапе высокотемпературного обжига полуфабриката.

В отличие от напряжении, которые обусловлены силами поверхностного натяжения, гравитационные и остаточные напряжения распределены неравномерно, являются причиной неоднородного уплотнения заготовки и даже частичного искажения ее формы.

Возможным влиянием силы тяжести нельзя пренебрегать при условии, когда напряжения в приконтактной зоне, обусловленные этой силой, но пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями, обусловленными искривленностью контактного перешейка. Давление в области контактной площади, радиус которой х, при размере порошинок R и пористости прессовки θ определится соотношением

, (5.5)

где h – расстояние от верхнего торца заготовки до контакта;

d – плотность вещества заготовки;

g – ускорение силы тяжести.

Давление, обусловленное искривленностью контактного перешейка:

. (5.6)

Из (5.5) и (5.6) следует, что при значениях

(5.7)

влиянием силы тяжести нельзя пренебрегать.

Из приведенной оценки следует, что ; на начальной стадии это может иметь местодаже при П = 0,2 – 0,3. Подробному исследованию влияния напряжений гравитационного происхождения на спекание однокомпонентных порошковых прессовок и свободно насыпанных порошков посвящен ряд работ. В опытах с заготовками использовали цилиндрические блоки,полученные прессованием электролитического медного порошка, который предварительно отжигали в атмосфере водорода для удаления поверхностных оксидов. Свободно насыпанный порошок обжигали в графитовых стаканчиках. Для того чтобы действие сил тяжести отчетливо проявилось, заготовки и свободно насыпанные порошки укрепляли впечи так, как это схематически изображено на рис. 5.2 и 5.3. Схемы крепления б и в (рис. 5.3) при спекании свободно насыпанных порошков осуществляли тогда, когда во время спекания вследствие усадки порошок отходил от стенок и дна графитового стаканчика.

Рис. 5.2. Схемы закрепления прессовок при изучении влияния сил тяжести
на процесс спекания

Рис. 5.3. Схемы закрепления образцов свободно насыпаемого порошка

Данные, сведенные в табл. 5.1 и 5.2, свидетельствуют о том, что силы тяжести существенно влияют на уплотнение, делая его неравномерным по высоте. Особенно отчетливо влияние сил тяжести проявляется при спекании свободно насыпанных порошков, где в зависимости от типа крепления отношение радиальной и аксиальной усадки изменяется вдвое.

Очевидно, искажающее влияние сил тяжести на уплотнение пористой заготовки зависит от площади сечения прессовки (без площади пересекаемых пор) и от радиуса пор. Практически, когда пористость
П = 0,05 – 0,20 и реализуется в форме замкнутых пор радиуса
R = 10^-5 – 10^{-6 м, влияние сил тяжести становится пренебрежимо малым.}

Реальность остаточных напряжений, возникающих при прессовании, и их влияние на спекание порошковых прессовок следует из обширной технологической практики керамического производства. Релаксация этих напряжений является

Таблица 5.1