擴散燒結

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,擴散燒結及其機理,鋼表面擴散燒結金屬陶瓷覆層的組織及性能,覆層的微觀組織,覆層和鋼基底間的界面組織,H13鋼與金屬陶瓷覆層材料的耐磨性能,

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圖1 燒結初期物質的遷移路線
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,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
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℃)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圖4 H13鋼與金屬陶瓷覆層材料磨損試驗曲線

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