Припекание взаимно-растворимых твердых тел

Подобно тому, как это имеет место в случае одноименных тел, в рассматриваемом случае изменение площади контактного перешейка между двумя частицами взаимно-растворимых твердых тел, контактирующих в точке, при диффузионном механизме припекания должно также явиться следствием пересыщения вакансиями области вблизи вогнутой поверхности приконтактного перешейка и их направленного потока от этой поверхности.

В процессе припекания одноименных твердых тел навстречу потоку вакансий направлен поток атомов (ионов) одного сорта. При этом диффузионное перемещение осуществляется лишь под влиянием градиента химического потенциала, обусловленного градиентом концентрации вакансии. При припекании взаимно-растворимых тел диффузионное перемещение осуществляется в сложном поле распределения химического потенциала. Кинетика перемещения атомов (ионов) в приконтактной области осложняется еще и тем, что кроме процессов, происходящих в диффузионной зоне разноименных твердых тел, контактирующих вдоль плоской поверхности, в случае наличия поверхности «диффузионная пара – газовая среда» могут играть значительную роль диффузия по свободной поверхности компонентов, перенос вещества через газовую фазу и др.

Процессы взаимной диффузии и самодиффузии, одновременно осуществляющиеся с помощью вакансионного механизма, не могут быть независимыми; их взаимосвязь проявляет себя в опытах по припеканию разнородных тел. Эту взаимосвязь можно проследить, если качественно сравнить эффекты, наблюдающиеся в приконтактной зоне при припекании разноименных и одноименных частиц (шариков). На рис. 2.4 изображены возможные схемы изменения профиля контактного перешейка между двумя сферами из взаимно-растворимых веществ; пунктиром для сравнения нанесены контуры припекающихся одноименных сфер.

В предельном случае, когда парциальные коэффициенты взаимной диффузии близки ( ), контуры припекающихся частиц могут практически не искажаться, контактная область остается беспористой и лишь площадь контакта может возрастать медленнее, чем в случае одноименных крупинок (рис. 2.4, а). Замедление процесса припекания является следствием конкуренции процессов самодиффузии (перенос вещества в область приконтактного перешейка) и взаимной диффузии (гомогенизация в приконтактной области), которые осуществляются с помощью одного механизма. Равновесные вакансии, концентрация которых однозначно определяется температурой, в рассматриваемом случае, в отличие от случая одноименных частиц, «обслуживают» два потока.

Рис. 2.4. Схематическое изображение процессов при спекании частиц
из взаимно-растворимых веществ

При близких парциальных коэффициентах диффузии кинетика припекания может существенно отличаться от описанной, если поверхностные энергии веществ различны. Так, если вследствие поверхностной диффузии частица В может покрыться слоем вещества А, и в результате площадь фронта диффузии В в А будет пропорциональна х², а А в В – пропорциональна R₀².

В общем случае, когда D_A>D_B,в приконтактной области будут наблюдаться явления, принципиально несвойственные паре одноименных частиц. Одно из них – возникновение диффузионной пористости. Изучены образцы, составленные из проволочек, расположенных между двумя металлическими пластинками из другого металла, пористость диффузионного происхождения наблюдалась в приконтактной области в большом количестве систем; при этом поры располагались либо в теле проволоки, либо в пластинке в соответствии с термодинамическим критерием. Как это изображено на рис. 2.4, б и в, порообразованию в теле частицы А может сопутствовать появление наростов на веществе В и впадин на частице А, расположенных вблизи приконтактной области симметрично относительно линии, соединяющей их центры. Оба эти явления естественно объясняются неравенством встречных потоков атомов сорта А и сорта В, т. е. наличием преимущественного потока вакансий.

Преимущественный поток вакансий из вещества В в частицу вещества А имеет своим следствием нe только образование пористости. В связи с малостью линейных размеров частицы А значительная часть избыточных вакансий может конденсироваться не только на неоднородностях внутри частицы, но и на ее внешней поверхности, и в результате линейный размер частицы в приконтактной области уменьшается (рис. 2.4, в-д).

На далекой стадии припекания неравенство встречных потоков атомов (ионов) может привести к существенному изменению формы и размеров частиц А и В.
Рис. 2.5 отчетливо иллюстрирует изменение формы частиц. Платиновая проволока, расположенная между двумя медными пластинками и имевшая вначале круговое сечение, приобрела в сечении форму эллипса; при этом экваториальный размер остался непременным, а приконтактные участки утолщились в результате преимущественной диффузии меди в платину.

Выход вакансий на поверхность частицы А может приводить к образованию не только двух симметрично расположенных впадин, но и системы канавок (рис. 2.6), которые со временем сглаживаются с помощью механизма поверхностной диффузии*), вследствие чего и может наступить изменение формы частицы.

Описываемые явления приводят к тому, что, в отличие от наблюдающейся монотонной зависимости ширины контактного перешейка от времени в случае припекания двух одноименных крупинок, при припекании разноименных крупинок ширина контактного перешейка со временем изменяется не монотонно. Соответствующая зависимость x/R₀ = f(t) полученная в опытах по припеканию проволок Au – Ni, изображена на рис. 2.7.

а) б)

Рис. 2.5. Пористость в диффузионной зоне иизменение формы сечения проволок:
а – Сu-Рt (проволока); б – Со-Ni (проволока). Увеличение – 70^x

Рис. 2.6. Образование системы канавок в процессе припекания железных и никелевых проволок. Увеличение 300^x. Т = 1100° С, t = 10 ч

Рис. 2.7. Временная зависимость отношения полудлины контактной хорды к радиусу припекающихся проволок Au и Ni; Т = 900° С