Объяснение спекания:определение, процесс, типы и практическое применение

Спекание — это обширное семейство методов, позволяющих формировать цельные и потенциально очень сложные детали из широкого спектра материалов путем сжатия, а затем плавления порошков и связующих веществ. Деталь проходит два этапа. На первом этапе требуемая форма превращается в слабый и плохо интегрированный компонент увеличенного размера. На втором этапе этот компонент подвергается обжигу для удаления связующего материала, а оставшиеся частицы сливаются и объединяются в полнопрочную деталь. Этот подход становится широко распространенным в металлургии и керамике как способ производства деталей сложной сетчатой ​​формы с отличными механическими свойствами с помощью процесса с низкой себестоимостью детали и высокой повторяемостью. В этой статье будет дано определение спеканию, тому, как оно работает, типам спекания и различным процессам.

Что такое спекание?

Спекание — это процесс первого соединения порошковых форм в цельные твердые тела путем уплотнения. Затем форму нагревают до температуры ниже точки плавления одного из порошков, чтобы обеспечить термическое сплавление для соединения частиц. При этом выгорает любой промежуточный связующий агент, который ранее служил для скрепления формы, и связывает оставшиеся «зеленые» (т. е. неспеченные) материалы. Этот процесс формирует твердые объекты из порошкообразного металла, керамики или композитных материалов.

Когда детали из прессованного порошка нагреваются, в результате чего частицы слипаются, процесс консолидирует любые пустоты. Это приводит к плотности, близкой к 100%, приближающейся к свойствам основного материала. Температуры обработки точно контролируются. Для плавления точка контакта должна едва плавиться, чтобы полностью сохранить форму до сварки при соединении в одно тело. На рисунке 1 показаны примеры спеченных деталей:

Как по-другому называется спекание?

Для описания процессов, которые по существу представляют собой спекание, обычно используются различные термины. К ним относятся порошковая металлургия, MIM (литье металлов под давлением), консолидация, спекание и обжиг. Порошковая металлургия — это процесс прессования или впрыскивания металлических порошков в твердые объекты. MIM, с другой стороны, впрыскивает суспензию металлического порошка с расплавленным полимером в инструмент для изготовления пластиковой формы. Затем полимер сжигается и температура повышается для сплавления частиц.

Консолидация широко используется в керамической промышленности для описания аналогичного процесса прессования керамических порошков с образованием твердых веществ, которые затем отверждаются в печи. Слеживание используется для описания образования различных частиц порошка, которые соединяются вместе, образуя твердый «торт». Наконец, обжиг описывает тепловую интеграцию форм на основе частиц в керамической промышленности.

Каково происхождение спекания?

Истоки спекания лежат в доисторической эпохе, поскольку вся обожженная керамика по сути представляет собой спеченные частицы глины. Влажное сплавление частиц глины образует «зеленую» форму с последующим обжигом, в результате которого отдельные капли влажной глины объединяются в единое прочное изделие. Кроме того, некоторые украшения металлическим порошком и глазурь керамики представляют собой примитивные методы спекания, при которых стекло и металлы плавятся из порошков в твердые вещества под действием тепла.

Современное спекание началось как научная/коммерческая область с работы Уильяма Кулиджа. В 1909 году он получил пластичную вольфрамовую проволоку путем горячей экструзии/вытяжки порошковых заготовок, чтобы сделать нити накаливания ламп более прочными, чем раньше.

Как работает процесс спекания?

Спекание происходит в три этапа:

1. Порошковой смеси первичной части со связующим веществом придается желаемая форма. Связующий агент склеивает порошок, придавая форму детали. Этим связующим агентом может быть вода, но чаще всего это воск или полимер.
2. При обжиге зеленой детали связующий агент испаряется или сгорает. 
3. Температура тогда поднимается настолько, что происходит один из двух процессов, которые по сути идентичны. Либо первичные частицы нагреваются достаточно, чтобы только начать плавиться, вызывая сплавление отдельных частиц на их поверхностях, или промежуточный связующий агент, такой как бронза, плавится и образует пары между частицами, оставляя мощность основного компонента в неизмененном состоянии.

В чем важность процесса спекания?

Процессы спекания важны во многих областях применения, в том числе:

1. Используется для производства компонентов высокой твердости, прочности и точности.
2. Используется для изготовления сложных форм и геометрических фигур, которые трудно получить с помощью обычных методов производства.
3. Объединяет свойства нескольких материалов, обеспечивая прочность одного компонента и устойчивость к истиранию другого.
4. Недорогие инструменты для изготовления деталей сложной формы. Сложность должна быть изготовлена один раз в первичном прессе или пресс-форме и точно воспроизведена в связанных порошках.
5. Обеспечьте быстрое массовое производство компонентов, сохраняя при этом точность и повторяемость.

Каковы различные типы спекания?

Под общее название спекания подпадают различные подходы, в том числе:

1. Спекание в твердом состоянии: Порошкообразный материал нагревают до температуры чуть ниже точки плавления. Это связывает частицы вместе за счет атомной диффузии на границах зерен.
2. Спекание в жидкой фазе: Использует добавление небольшого количества жидкого растворителя к порошку для обеспечения низкой пористости и сцепления. Затем эта жидкость удаляется, как правило, путем нагревания, образуя единое твердое вещество.
3. Реактивное спекание: Использует химическую реакцию хотя бы одной из фаз частиц порошка при нагревании. Это изменяет химический состав, что приводит к соединению частиц в химически измененной массе.
4. Спекание в микроволновой печи: Новый подход к керамике. Нагрев создается с помощью микроволн, и утверждается, что это приводит к более быстрой и полной интеграции структуры.
5. Искрово-плазменное спекание: Использует электрический ток и физическое сжатие порошка для объединения порошка в единое целое.
6. Горячее изостатическое прессование: Использует воздействие высокого давления и высокой температуры на порошок для придания ему необходимой формы и сплавления частиц.
7. Холодное спекание: Использует растворитель временного действия и давление для объединения полимерных порошков в твердую массу.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по типам спекания.

Какие материалы используются при спекании?

Как широкий спектр технологий, спекание находит применение в огромном диапазоне материалов. Они перечислены ниже:

1. Металлы

В процессах агломерации нескольких типов можно использовать широкий спектр металлов. Сюда входят железные, железо-медные, медные стали, никелевые стали, нержавеющие стали (серии 300 и 400), высокопрочные низколегированные стали (HSLA), средне- и высокоуглеродистые стали, а также диффузионно-закаливаемые стали, латунь и бронза, а также магнитомягкие железные сплавы. Все это можно изготовить в виде сырых деталей с помощью 3D-печати, а затем спекать в высококачественные детали с низкой пористостью и превосходными свойствами.  Металлы можно спекать методами прессования, литья и литья под давлением. Xometry предлагает мгновенное ценовое предложение по прямому лазерному спеканию металлов (DMLS), процессу лазерного спекания металлов.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по металлоидам.

2. Керамика

Большинство керамических процессов считаются либо спеканием, либо близкими к спеканию. К выборке обычно напечатанной на 3D-принтере (SLS или пастой) и затем спеченной керамики относятся:оксид алюминия, нитрид алюминия, цирконий, нитрид кремния, нитрид бора и карбид кремния. Керамику обычно спекают методом прессования или прессования.

3. Полимеры

Спеченные полимеры делятся на две категории:спекание крупных и мелких частиц. Спекание крупных частиц с высокой пористостью обычно применяется в качестве материалов для фильтрации и пневматических глушителей, а также в качестве регуляторов диффузии потока. К ним относятся полиэтилен, полипропилен и политетрафторэтилен. Спеченные полимеры с мелкими частицами используются в 3D-печати в таких процессах, как селективное лазерное спекание. Это используется для производства интегрированных и высокопрочных компонентов со свойствами материала, близкими к нативным, и почти нулевой пористостью. Примерами являются полиамиды, полистирол, термопластичные эластомеры и полиэфир-эфиркетоны. Самый популярный процесс Xometry — услуга селективного лазерного спекания. Вы можете получить мгновенное ценовое предложение в любое время.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по полимерам.

4. Композиты

Спекание композитов представляет собой более сложную группу процессов, при которой различные материалы обрабатываются по-разному. В карбиде вольфрама используются порошки вольфрама и углерода. Окисление под давлением превращает углерод в карбид. Это связывает металлический порошок, который остается неизменным. Стеклянные, углеродные и металлические волокна экспериментально включаются в агломераты металлических порошков для улучшения свойств. В некотором смысле обработка углеродного волокна представляет собой процесс спекания. Клеевая матрица сжимается и активируется нагреванием для склеивания углеродного компонента. Металлооксидную керамику экспериментально комбинируют с такими полимерами, как PEEK, для производства резистивных полупроводников. Спекание композитов весьма разнообразно и может быть достигнуто путем сжатия, формования и, в ограниченных случаях, литья под давлением.

5. Стекло

В процессах спекания используются различные стеклянные материалы, в том числе:керамические глазури, кварцевое стекло, свинцовое стекло, а также плиты спеченного стекла, изготовленные из порошка плавленого кварцевого стекла. Спекание стекла обычно осуществляется методом компрессионного формования.

Каковы этапы процесса спекания?

Спекание состоит из ряда этапов, каждый из которых прост, но требует большой точности контроля. Эти шаги включают в себя:

1. Состав: Добавьте и смешайте необходимые первичные материалы и первичные связующие агенты.
2. Сжатие: Придайте порошку (суспензию или сухой) необходимую форму.
3. Тепло: Нагревание направлено на удаление первичного связующего агента и сплавление первичного материала в единое целое с низкой пористостью.

Как долго длится процесс спекания?

Процесс спекания обычно занимает всего несколько секунд. Однако этап спекания после формования может занять несколько часов. Производство спеченных деталей является быстрым процессом для большинства методов. Порошки и первичные связующие прессуются, формуются или подвергаются литью под давлением до неотвержденного сырого состояния, на котором они становятся слишком крупными, пористыми и не полностью скрепленными. Затем детали подвергаются термической обработке, чтобы вызвать соединение частиц.

С какими материалами используется спекание?

Спекание – это производственный процесс, используемый для изготовления многих материалов, в том числе:

1. Полимеры: Для быстрого прототипирования, производства фильтров и глушителей, а также специальных композитных компонентов.
2. Металлы: Большинство небольших металлических компонентов, таких как шестерни и шкивы, можно изготовить путем спекания. Грубые металлические порошки также спекают для изготовления фильтров, глушителей и масляных подшипников.
3. Керамика: В некоторой степени большая часть керамики производится методом спекания. В частности, керамика из диоксида циркония и оксида алюминия появляется в качестве вариантов 3D-печати. Мелкие детали, такие как шестерни и подшипники, предназначенные для использования при высоких температурах, часто спекаются из керамики.

Какие компоненты производятся в процессе спекания?

Компоненты, полученные путем спекания, перечислены ниже:

1. Автомобильные детали, такие как шестерни и приводы.
2. Электрические компоненты, такие как распределительное устройство.
3. Режущие инструменты всех типов для фрезерования, сверления и развертывания.
4. Компоненты для аэрокосмической отрасли, такие как компоненты топливных клапанов, приводы и лопатки турбин.
5. Биомедицинские имплантаты, такие как протезы суставов.

Каковы преимущества процесса спекания?

Спекание дает множество преимуществ:

1. Этот процесс позволяет производить детали с высокой повторяемостью и точностью.
2. Затраты на создание производства легко амортизируются за счет крупного производства.
3. Детали позволяют добиться отличных косметических результатов и не требуют никакой обработки.
4. Легко получить необрабатываемую геометрию для массового производства.

Каковы риски процесса спекания?

Некоторые риски процесса спекания, в том числе:

1. Консистенция порошка может меняться, если ее не контролировать должным образом, что приводит к изменению усадки или общих свойств компонента.
2. Первоначальный контроль процесса формования должен быть точным, чтобы добиться стабильных и повторяемых результатов.
3. Процессы «отверждения» после формования разнообразны и требуют очень жесткого контроля для точного регулирования усадки и предотвращения деформации.
4. Затраты на создание производства высоки, поэтому, если продукт не продается, он может быть потрачен впустую.
5. Вариации производственного процесса могут привести к появлению слабых и нестабильных деталей.

Часто задаваемые вопросы об спекании

Опасен ли процесс спекания?

Это зависит. В группе спекания имеется широкий спектр материалов и процессов. В целом «зеленые» процессы неопасны, хотя сообщается, что металлические и керамические наночастицы имеют медицинские последствия для человеческого организма и требуют осторожного обращения. Часть процесса спекания, связанная с плавлением, представляет собой высокотемпературную стадию, которая часто включает в себя удаление или сжигание компонентов полимера/воска, которые могут быть токсичными и раздражающими. Требуется вентиляция, а также обычные меры безопасности при горячих и потенциально легковоспламеняющихся процессах испарения/горения.

Какие меры безопасности следует соблюдать в процессе спекания?

Меры предосторожности, которые следует учитывать при спекании, перечислены ниже:



1. Носите подходящее защитное снаряжение для защиты от жары и потенциальных опасностей, передающихся по воздуху.
2. Используйте хорошо проветриваемое помещение. Спекание может привести к образованию дыма и паров, с которыми следует обращаться как с вредными.
3. Соблюдайте безопасные процедуры обращения с материалами, поскольку спекающие порошки могут быть опасными.
4. Как и во всех горячих процессах, имейте под рукой огнетушитель и умейте им пользоваться.

Спекание — это то же самое, что плавление?

Нет, спекание — это не то же самое, что плавление. Спекание, в частности, не предполагает общего плавления детали, а применяет достаточное количество тепла, чтобы сплавить частицы, не превращая их в жидкость. Избыток тепла в случае полимерных или металлических деталей может привести к повреждению структуры или формы детали.

Спеченный металл прочнее?

Нет, спеченные металлические детали не прочнее, чем кованые или обработанные на станке детали. При правильном изготовлении спеченные детали могут достичь той же прочности, что и их эквиваленты, обработанные механической обработкой.

Правильно спеченные металлические детали обычно приобретают большую часть или все механические свойства основного компонента. Например, в случае нержавеющих сталей MIM-детали обычно достигают 80–90 % усталостной прочности кованых или литых деталей из-за большего размера кристаллического зерна и незначительной пористости, вызывающей слабость.

Спекание — это то же самое, что сварка?

Нет, спекание — это не то же самое, что сварка. Хотя сплавление гранул порошка в единое целое часто включает в себя сварку в точках контакта, спекание сильно отличается от любого процесса, подпадающего под определение «сварки», поскольку сварка включает в себя полное разжижение присадочного и самородного материала в точке сварки.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Объяснение 3D-печати поликарбонатом:определение, преимущества, применение и как это работает SLS против MJF:ключевые различия и их сравнение