擴散燒結

擴散燒結是指在陶瓷燒結過程中，陶瓷顆粒的各個部位的缺陷濃度有一定差異，即其頸部、晶界、表面和晶粒內部存在一個空位濃度梯度。

基本介紹

• 中文名：擴散燒結
• 外文名：Diffusion sintering
• 描述：陶瓷顆粒缺陷濃度引起的燒結行為
• 套用：H13鋼
• 學科：陶瓷材料

概念

擴散燒結初期，結構基元的遷移路線如圖1所示。1和3擴散過程是物質從表面遷移到頸部，遷移與蒸發凝聚過程類似，在物質遷移的同時，顆粒中心間距沒有改變，這種傳至不引起坯體收縮。

圖1 燒結初期物質的遷移路線

在燒結過程中空位濃度梯度的存在促使結構基元定向遷移。一般結構基元由晶體內部通過表面與晶界像頸部遷移，而空位則進行反方向遷移。

擴散燒結及其機理

頸部表面為空位源、按體積擴散進行燒結時，按球體與平板組合的模型系統，同時將頸部表面過剩空位濃度以如下公式表示：

設平面上的空位濃度c₀等於平衡空位濃度e^-E/RT，頸部表面額空位濃度梯度近似地等於

則單位時間內在頸部表面積A增加的無質量可按費克公式表示：

D'表示空位擴散係數。D'與該物質體積擴散係數Dv關係為：Dv=D'e^-E/RT

以頸部表面為空位源、按體積擴散進行燒結時，對費克公式進行積分，則有擴散燒結速度公式：

當擴散路徑為晶粒表面和表面擴散時，其空位濃度梯度和體積增加分數也與上述體積擴散情況相同，而面積，因為是表面擴散則表示為：A≈2πxδ

仍對費克公式進行積分，按照表面擴散燒結時，頸部半徑x的增大與燒結時間的1/7次方成正比：

鋼表面擴散燒結金屬陶瓷覆層的組織及性能

H13鋼具有良好的淬透性、熱強性、耐磨性及較高的衝擊韌度、熱疲勞度，廣泛套用於製造熱作磨具。磨損是H13鋼熱作磨具的主要失效形式之一，提高H13鋼的表面耐磨性能是提高磨具壽命的有效方法。研究真空擴散燒結法在H13鋼表面製備硬度合金覆層的工藝參數及組織性能。研究表明，表面強化處理能夠有效地防止失效，可以大幅度提高磨具的使用壽命，生產中常用軟氮化和硫氮共滲等化學熱處理方法。

覆層的微觀組織

實驗表面L擴散燒結溫度低於1220℃時，覆層和鋼基底擴散結合較弱，覆層容易剝落。擴散燒結溫度高於1310℃時，覆層中晶界產生液相發生過燒，因此實驗選用的燒結溫度範圍為1220—1300℃。

圖2 覆層的微觀組織（1250℃）

燒結工藝如下：室溫加熱到650℃。升溫速度20℃/min，保溫15min；650—950℃，升溫速度15℃/min，保溫15min；950—1250℃，升溫速度10℃/min，保溫30min，燒結後覆層厚度為1—2mm，覆層顯微組織見圖2。

覆層和鋼基底間的界面組織

覆層和鋼基底間的界面組織及線成分分析如圖3所示。分析表面，在試樣近表層區Cr元素含量最高，由表及里，Cr元素含量逐漸降低，Ni的分布亦如此。表明在H13鋼表層形成了良好的Cr₃C₂/Ni覆層。覆層中Cr、Ni向鋼基底擴散且鋼基底中Fe、V、Mo向覆層中擴散，覆層和鋼基底之間形成擴散滲透層，使覆層和鋼基底間形成了較好的擴散結合。

圖3 界面線掃描能譜分析圖

H13鋼與金屬陶瓷覆層材料的耐磨性能

耐磨性試驗結果見圖4。磨損對照試樣為H13鋼，經熱處理後其硬度為HRC52。磨損初始階段，塗層試樣因噴塗後表面具有縮松層，使其磨損量和H13鋼磨損量相近且均較少。隨著磨損時間的進一步延長，其磨損量則明顯少於H13鋼，表面塗層試樣耐磨性高。高耐磨性得益於Cr₃C₂硬質相的作用，在摩擦磨損過程中，Cr₃C₂硬質相能有效抵禦外來磨粒的磨損，磨損時產生磨損微裂紋的裂紋源與裂紋擴展的路徑受到極大限制，並能夠將部分磨粒在塗層表面上的滑動摩擦與鑿削變為滾動，減輕了磨粒對塗層的磨損。

圖4 H13鋼與金屬陶瓷覆層材料磨損試驗曲線