Кіріспе
Материалды жылумен немесе қысыммен қалыптастыру және біріктіру процесі. Синтеринг немесе фриттедж – материалды сұйылу нүктесіне дейін балқытпай, қысым немесе жылу арқылы қатты массаға тығыздау және пішімдеу процесі. Синтеринг металл, керамика, пластик және басқа материалдарды өңдеу процесінің бір бөлігі ретінде қолданылады. Синтерленген материалдағы нанобөлшектер бөлшектер шекаралары арқылы диффузияланып, оларды біріктіріп, тұтас нысанды құрайды. Синтеринг температурасы материалдың балқу нүктесіне жете алмайтындықтан, вольфрам және молибден сияқты өте жоғары балқу нүктесі бар материалдарды пішімдеу үшін жиі қолданылады. Металлургиялық ұнтақ процестеріндегі синтерингті зерттеу ұнтақ металлургиясы деп аталады. Мысалы, суға салынған мұз кесектерінің бір-біріне жабысуын, су мен мұз арасындағы температура айырмасының салдарынан байқауға болады. Қысыммен жүзеге асырылатын синтеринг мысалдары – қардың мұздыққа тығыздалуы немесе бос қарды қысып, қатты қар шарларын жасау. Синтеринг арқылы алынған материал синтер деп аталады. "Синтер" сөзі орта және жоғарғы неміс тіліндегі "sinter" сөзінен, ал ағылшын тіліндегі "cinder" сөзімен этимологиялық байланысты.
Sintering or frittage is the process of compacting and forming a solid mass of material by pressure or heat without melting it to the point of liquefaction. Sintering happens as part of a manufacturing process used with metals, ceramics, plastics, and other materials. The nanoparticles in the sintered material diffuse across the boundaries of the particles, fusing the particles together and creating a solid piece. Since the sintering temperature does not have to reach the melting point of the material, sintering is often chosen as the shaping process for materials with extremely high melting points, such as tungsten and molybdenum. The study of sintering in metallurgical powder related processes is known as powder metallurgy. An example of sintering can be observed when ice cubes in a glass of water adhere to each other, which is driven by the temperature difference between the water and the ice. Examples of pressure driven sintering are the compacting of snowfall to a glacier, or the formation of a hard snowball by pressing loose snow together. The material produced by sintering is called sinter. The word sinter comes from the Middle High German sinter, a cognate of English cinder.
Жалпы синтездеу
Синтеринг процесінің кезінде кеуектілікті азайту және беріктік, электр өткізгіштігі, мөлдірлік және жылу өткізгіштігі сияқты қасиеттерді жақсарту арқасында сәтті деп есептеледі. Кейбір ерекше жағдайларда, материалдың беріктігін арттыру үшін, сонымен бірге кеуектілігін сақтап қалу мақсатында (мысалы, газ сіңіруге басымдық берілетін сүзгілерде немесе катализаторларда) синтеринг мұқият қолданылады. Қыздыру процесінде атомдық диффузия әртүрлі кезеңдерде ұнтақ бетін жоюға ықпал етеді, яғни ұнтақтар арасында мойынның пайда болуынан бастап, процестің соңында кішкентай кеуектердің толық жойылуына дейін. Тығызданудың қозғаушы күші – беттік ауданының азаюынан және қатты-бу арасындағы байланысты қатты-қатты байланысқа алмастыру арқылы беттік еркін энергияны төмендетуден туындайтын еркін энергияның өзгеруі болып табылады. Бұл жаңа, бірақ төмен энергиялы қатты-қатты интерфейстерді құрайды, нәтижесінде жалпы еркін энергия азаяды. Микроскопиялық деңгейде материалдың тасымалдануы қысымның өзгеруімен және қисық беттегі еркін энергияның айырмашылығымен байланысты. Бөлшектің мөлшері кішкентай болса (және қисықтығы жоғары болса), бұл әсерлер айтарлықтай күшейеді. Энергияның өзгеруі қисықтық радиусы бірнеше микрометрден кем болғанда едәуір жоғары болады, бұл керамикалық технологияның көп бөлігі ұсақ бөлшекті материалдарға негізделгенінің басты себебінің бірі.
Металл ұнтақтарын синтездеу
Металдардың көпшілігі, тіпті барлығы да, синтезделуі мүмкін. Бұл әсіресе вакуумда өндірілген, беті ластанбаған таза металдарға қатысты. Атмосфералық қысымда синтездеу үшін қорғаныш газы қолдану қажет, көбінесе эндотермиялық газ. Синтерлеу, содан кейін қайта өңдеу арқылы материалдың кең ауқымындағы қасиеттерін алуға болады. Тығыздық, қорытпа құрамы және ыстықпен өңдеу әртүрлі өнімдердің физикалық сипаттамаларын өзгерте алады. Мысалы, синтезделген темір ұнтағының Юнг модулі En төмен температурада синтездеу уақытына, қорытпасына немесе бастапқы ұнтақтағы бөлшек мөлшеріне онша сезімтал болмайды, бірақ түпкілікті өнімнің тығыздығына байланысты: мұнда D – тығыздық, E – Юнг модулі және d – темірдің максималды тығыздығы. Синтерлеу статикалық болып саналады, егер металл ұнтағы белгілі бір сыртқы жағдайларда бірігуге бейімделсе, бірақ осы жағдайлар алынғанда қалыпты күйіне оралса. Көп жағдайларда, дәндердің жиынтығының тығыздығы материалдың бос кеңістіктерге ағуы нәтижесінде артады, бұл жалпы көлемнің азаюына әкеледі. Синтерлеу кезінде болатын массалық қозғалыстарға қайта оралу арқылы жалпы кеуектіліктің азаюы және булану мен конденсациядан туындаған материалдың тасымалдануы жатады. Соңғы сатыларда металл атомдары кристалдық шекаралар бойымен ішкі тесіктердің қабырғаларына қарай жылжып, массаны нысананың ішкі бөлігінен қайта бөледі және тесік қабырғаларын тегістейді. Беттік кернеу осы қозғалыстың қозғаушы күші болып табылады. Ұнтақ металлургиясының бір түрі – сұйық фазадағы синтездеу, онда кемінде бір, бірақ барлық элементтер емес, сұйық күйде болады. Цементтелген карбид және вольфрам карбидін жасау үшін сұйық фазадағы синтездеу қажет. Синтерленген қола, әсіресе, подшипниктер үшін материал ретінде жиі қолданылады, өйткені оның кеуектілігі майлау материалдарының одан өтуіне немесе оның ішінде сақталуына мүмкіндік береді. Синтерленген мыс, кейбір жылу құбырларының құрылысында сору құрылымы ретінде қолданылуы мүмкін, онда кеуектілік капиллярлық әрекет арқылы сұйық агенттің кеуекті материал арқылы қозғалуына мүмкіндік береді. Молибден, вольфрам, рений, тантал, осмий және көміртек сияқты жоғары балқу температурасы бар материалдар үшін синтездеу – өндірістің негізгі процестерінің бірі болып табылады. Мұндай жағдайларда өте төмен кеуектілік қажет және көбінесе оған қол жеткізіледі. Синтерленген металл ұнтағын әскери және SWAT командалары құлыпталған бөлмеге жылдам кіру үшін қолданылатын сынғыш мылтық оқтарын жасауға қолданады. Бұл оқтар есіктің құлыптарын, құлыптарын және ілмектерін бұзуға арналған, сонымен бірге оқтың кері соққысынан немесе есіктен өте жылдам ұшып өтуден туындаған қауіптің алдын алады. Олар соққан нысанды жойып, кейін зиянсыз ұнтаққа айналады. Жоғары температураға төзімділікті сақтай отырып, сүзгіш материалдар ретінде синтезделген қола және тот баспайтын болат қолданылады, сонымен бірге сүзгіш элементтің қалпына келтіру қабілетін сақтайды. Мысалы, тамақ және фармацевтикалық өндірісте буды сүзгілеу үшін синтезделген тот баспайтын болат элементтері, ал авиациялық гидравликалық жүйелерде синтезделген қола қолданылады. Күміс және алтын сияқты қымбат металдардан жасалған ұнтақтарды кішкентай зергерлік бұйымдар жасау үшін синтездеуге қолданады. Клоидты күміс нанокубтарының суперкристалдарға буланып өздігінен құралуы 200°C-тен төмен температурада электрлік қосылыстарды қосуға мүмкіндік береді.
where D is the density, E is Young's modulus and d is the maximum density of iron. Sintering is static when a metal powder under certain external conditions may exhibit coalescence, and yet reverts to its normal behavior when such conditions are removed. In most cases, the density of a collection of grains increases as material flows into voids, causing a decrease in overall volume. Mass movements that occur during sintering consist of the reduction of total porosity by repacking, followed by material transport due to evaporation and condensation from diffusion. In the final stages, metal atoms move along crystal boundaries to the walls of internal pores, redistributing mass from the internal bulk of the object and smoothing pore walls. Surface tension is the driving force for this movement. A special form of sintering (which is still considered part of powder metallurgy) is liquid state sintering in which at least one but not all elements are in a liquid state. Liquid state sintering is required for making cemented carbide and tungsten carbide. Sintered bronze in particular is frequently used as a material for bearings, since its porosity allows lubricants to flow through it or remain captured within it. Sintered copper may be used as a wicking structure in certain types of heat pipe construction, where the porosity allows a liquid agent to move through the porous material via capillary action. For materials that have high melting points such as molybdenum, tungsten, rhenium, tantalum, osmium and carbon, sintering is one of the few viable manufacturing processes. In these cases, very low porosity is desirable and can often be achieved. Sintered metal powder is used to make frangible shotgun shells called breaching rounds, as used by military and SWAT teams to quickly force entry into a locked room. These shotgun shells are designed to destroy door deadbolts, locks and hinges without risking lives by ricocheting or by flying on at lethal speed through the door. They work by destroying the object they hit and then dispersing into a relatively harmless powder. Sintered bronze and stainless steel are used as filter materials in applications requiring high temperature resistance while retaining the ability to regenerate the filter element. For example, sintered stainless steel elements are employed for filtering steam in food and pharmaceutical applications, and sintered bronze in aircraft hydraulic systems. Sintering of powders containing precious metals such as silver and gold is used to make small jewelry items. Evaporative self assembly of colloidal silver nanocubes into supercrystals has been shown to allow the sintering of electrical joints at temperatures lower than 200°C.
Пластмассаны ыстықтай ыстықтандыру
Пластикалық материалдар белгілі бір мөлшердегі кеуектілігі қажетті қолданыстар үшін күйдіру арқылы жасалады. Күйдірілген пластикалық кеуекті компоненттер сүзу және сұйықтар мен газдар ағынын бақылау үшін қолданылады. Күйдірілген пластиктер, мысалы, ақ тақта маркерлерінің ұштарында, ингалятор сүзгілерінде және қаптама материалдарының қақпақтары мен төсемдерінің желдеткіштерінде сияқты, коррозиялық сұйықтықтарды бөлу процестерін қажет ететін қолданыстарда қолданылады. Күйдірілген жоғары молекулалық салмақты полиэтилен материалдары шаңғы мен сноуборд табандары ретінде қолданылады. Кеуекті құрылымы балауыздың табан материалының ішінде ұсталып қалуына мүмкіндік береді, осылайша балауыз жабынының беріктігі артады.
Сұйық фазалы синтездеу
Сінтеруге қиын материалдар үшін сұйық фазалы синтеринг деп аталатын процесс жиі қолданылады. Сұйық фазалы синтерингке жиі қолданылатын материалдар: Si3N4, WC, SiC және басқалар. Сұйық фазалы синтеринг – бұл ұнтаққа қоспа қосу процесі, ол матрицалық фазадан бұрын еруге тиіс. Сұйық фазалы синтеринг процесі үш кезеңнен тұрады:
қайта орналасу – Сұйық еріген кезде капиллярлық әрекет сұйықтықтың тесіктерге сіңуіне және дәндердің тиімді жинақталу орналасуына ықпал етеді. ерітіндінің тұнуы – Капиллярлық қысым жоғары аймақтарда (бөлшектер жақын болғанда) атомдар басымдықпен ерітіндіге өтеді, содан кейін бөлшектердің жақын немесе жанасқан болмаған, төмен химиялық потенциалы бар аймақтарында тұнады. Бұл контактілік беттерді тегістеу деп аталады. Бұл жүйе қатты күйдегі астық шекаралық диффузияға ұқсас әдіспен тығыздалады. Оствальд пісіп-жетілуі де жүреді, онда кіші бөлшектер басымдықпен ерітіндіге өтіп, ірі бөлшектерге тұнады, бұл тығыздануға әкеледі. соңғы тығыздану – қатты скелеттік желінің тығыздануы, сұйықтың тиімді жинақталған аймақтардан тесіктерге қозғалуы. Сұйық фазалы синтерингтің тиімді болуы үшін негізгі фаза сұйық фазада кем дегенде сәл ерітілуі керек және қоспа қатты бөлшектер желісінің маңызды синтерингінен бұрын еруі керек, әйтпесе дәндердің қайта орналасуы болмайды. Сұйық фазалы синтеринг нанобөлшектерден жасалған прекурсорлық қабаттардан жұқа жартылай өткізгіш қабаттардың дәндерінің өсуін жақсарту үшін сәтті қолданылды.
Электр тогымен ассистентті ақтару
Бұл әдістер электр тогын пайдаланып ақтау процесін жүзеге асыруға немесе күшейтуге арналған. Ағылшын инженері А. Г. Блоксэм 1906 жылы вакуумде тұрақты ток арқылы ұнтақтарды ақтауға қатысты алғашқы патентті тіркеді. Оның өнертабыстарының негізгі мақсаты – вольфрам немесе молибден бөлшектерін ығыстыру арқылы шамдардың жіптерін өнеркәсіптік көлемде өндіру болды. Қолданылған ток, әсіресе, жіптердің сәуле шығару қабілетін арттыратын беткі оксидтерді азайтуда тиімді болды. Осы технологиялардың ең белгілілері – кедергілік ақтау (сондай-ақ, ыстық престеу деп те аталады) және ұшқынды плазмалық ақтау, ал электросинтерлік қалыптау – бұл саладағы соңғы жетістік.
Шұғыл плазмамен ыстықтай балқыту
Шам-плазмалық ыдырату (SPS) кезінде металл/керамикалық ұнтақ тізілімдерінің тығыздалуын арттыру үшін сыртқы қысым мен электр өрісі бір мезгілде қолданылады. Алайда, коммерциялық қолданысқа енгізілгеннен кейін плазманың жоқтығы анықталды, сондықтан Ленель ұсынғандай, дұрыс атауы – жарық ыдырату. Электр өрісімен басқарылатын тығыздау, ыстық престеудің бір түрімен ыдыратуды толықтырады, бұл температураны төмендетуге және әдеттегі ыдыратудан аз уақыт жұмсауға мүмкіндік береді. Бірнеше жыл бойы бөлшектер арасындағы ұшқындар немесе плазманың болуы ыдыратуға көмектеседі деп болжанды; алайда, Хулберт және әріптестері жүйелі түрде, жарық плазмалық ыдырату кезінде қолданылатын электр параметрлері оны (өте) екіталай ететінін дәлездеді. Осыған байланысты "жарық плазмалық ыдырату" атауы қолданыстан шықты. Ыдырату қауымдастығы өріс көмегімен ыдырату техникасы (FAST), электр өрісі көмегімен ыдырату (EFAS) және тұрақты ток ыдырату (DCS) сияқты терминдерді қолданады. Электр тогы ретінде тұрақты ток (DC) импульсін пайдалану арқылы жарық плазмасы, жарық соққысының қысымы, джоульдық қыздыру және электр өрісінің диффузиялық әсері туындайды. Графит қалып дизайнын және оның құрастырылуын өзгерту арқылы жарық плазмалық ыдырату қондырғысында қысымсыз ыдырату жүргізуге болады. Бұл өзгертілген қалып конструкциясының орнатылуы дәстүрлі қысымсыз ыдырату мен жарық плазмалық ыдырату техникаларының артықшылықтарын үйлестіреді.
Электросинтерлік қалау
Электросинтерлік қазбалау – конденсаторлық разрядтан пайда болған электр тогымен көмектесетін ысыту (ECAS) технологиясы. Ол алмаз металл матрицалық композиттерін жасау үшін қолданылады және қатты металдар, нитинол және басқа металдар мен қорытпаларды өндіру мүмкіндігі зерттелуде. Бұл технология өте қысқа ысыту уақытымен ерекшеленеді, соның арқасында машиналар материалды ығыстыру пресінің жылдамдығымен ысыта алады.
Қысымсыз ыдырау
Қысымсыз ыдырау – бұл ұнтақталған материалдың (кейде ұнтақтың түріне қарай өте жоғары температурада) сыртқы қысым қолданбастан ыдырауы. Бұл соңғы компонентте тығыздық айырмашылықтарының пайда болуын болдырмайды, бұл дәстүрлі ыстық престеу әдістерінде кездеседі. Ұнтақталған материалдан жасалған бұйым (егер керамика болса) құю, инъекциялық қалыптау және суық изостатикалық престеу арқылы жасалуы мүмкін. Алдын ала ыдыратудан кейін, соңғы жасыл бұйымды ыдырату алдында қажетті пішінге келтіруге болады. Қысымсыз ыдырату кезінде үш түрлі жылу беру режимі қолданылуы мүмкін: тұрақты жылу беру жылдамдығы (CRH), жылдамдықпен бақыланатын ыдырату (RCS) және екі кезеңді ыдырату (TSS). Керамиканың микроқұрылымы мен түйіршік өлшемі қолданылатын материалға және әдіске байланысты өзгеруі мүмкін. Циркониймен жүргізілген тәжірибелер CRH әдісі үшін ыдырату температурасын және жылдамдығын оңтайландыруға бағытталған. Нәтижелер көрсеткендей, сынамалардың тығыздығы бірдей болғанда түйіршік өлшемдері де бірдей болды, бұл түйіршік өлшемінің CRH температура режиміне емес, сынаманың тығыздығына байланысты екенін дәлелдейді. Жылдамдықпен бақыланатын ыдыратуда (RCS) ашық кеуекті фазадағы тығыздану жылдамдығы CRH әдісіне қарағанда төмен. Микротолқынды ыдыратудың кемшілігі – әдетте бір уақытта тек бір ғана бұйымды ыдыратуға мүмкіндік береді, сондықтан жалпы өнімділік, суретшілерге арналған сияқты, бірегей ыдыратуды қажет ететін жағдайларды қоспағанда, төмен болады. Микротолқындар жоғары өткізгіштігі және магниттік өткізгіштігі бар материалдарға аз ғана тереңдікке ғана енетіндіктен, микротолқынды ыдырату үшін сынама ұнтақталған күйде, микротолқындардың ену тереңдігіне сәйкес бөлшек өлшемдерімен жеткізілуі керек. Ыдырату процесі мен қосалқы реакциялар микротолқынды ыдырату кезінде бірдей температурада бірнеше есе жылдам жүреді, бұл ыдыратылған өнімнің әртүрлі қасиеттеріне әкеледі.
Тығыздану, шынылау және дәндердің өсуі
Синтерлеу практикада тығыздану мен дән өсуін бақылауды қамтиды. Тығыздану – үлгідегі кеуектілікті азайту арқылы оны тығыздау процесі. Дән өсуі – дән шекараларының жылжуы және орташа дән мөлшерін арттыру мақсатымен Оствальд пісіп-жетілуі. Көптеген қасиеттер (механикалық беріктік, электрлік түйреу беріктігі және т.б.) жоғары салыстырмалы тығыздық пен кішкентай дән мөлшерінен пайда көреді. Сондықтан, өңдеу кезінде осы қасиеттерді басқару жоғары техникалық маңызға ие. Ұнтақтарды тығыздау үшін жоғары температура талап етілетіндіктен, дән өсуі синтрлеу кезінде табиғи түрде жүзеге асады. Осы процесті азайту көптеген инженерлік керамика үшін маңызды. Белгілі бір химиялық және бағдарлау жағдайларында, кейбір дәншелер синтрлеу кезінде көршілерінің есебінен тез өсуі мүмкін. Бұл құбылыс аномальды дән өсуі (АДӨ) деп аталады және ол синтрленген материалдың механикалық, диэлектрлік және жылулық сипаттамаларына әсер ететін екі модальды дән мөлшері таралуына әкеледі. Тығызданудың жылдам жүруі үшін (1) үлкен көлемдегі сұйық фаза, (2) сұйықта қатты заттың жақын толық ерігіштігі және (3) сұйықтың қатты затты ылғалдандыруы қажет. Тығыздану күші ұсақ қатты бөлшектер арасында орналасқан сұйық фазаның капиллярлық қысымынан туындайды. Сұйық фаза қатты бөлшектерді ылғалдандырғанда, бөлшектер арасындағы әрбір кеңістік капиллярға айналады, онда маңызды капиллярлық қысым пайда болады. Микрометрден кішкентай бөлшектер үшін 0,1-ден 1 микрометрге дейінгі диаметрдегі капиллярлар силикатты сұйықтықтар үшін шамамен 10-ден 10 мм-ге дейін, ал сұйық кобальт сияқты металл үшін 10-нан 10 мм-ге дейін қысымды дамытады. Энергияны азайтуға ұмтылу микроқұрылымның ірілеуіне және үлгідегі метастабильді күйге жетуге әкеледі. Бұл дән шекарасының (ДШ) ауданын азайту және энергияны азайту үшін топологиялық құрылымын өзгертуді қамтиды. Дән өсуі қалыпты немесе аномальды болуы мүмкін. Қалыпты дән өсуі үлгідегі барлық дәншелердің біркелкі өсуімен және мөлшерімен сипатталады. Аномальды дән өсуі – қалған дәншелердің көпшілігінен әлдеқайда үлкен болатын бірнеше дәншелердің өсуі.
Ерітінді иондар
Егер материалға допант қосылса (мысалы: Nd BaTiO3-те), бұл қоспа дән шекарына жабысуға бейім болады. Дән шекары қозғалуға тырысқанда (атомдар дөңгелек беттен ойыс бетке секіргенде) дән шекарындағы допанттың концентрациясының өзгеруі шекарға қарсылық тудырады. Көп жағдайда дән шекарындағы ерітіндінің бастапқы концентрациясы асимметриялық болады. Дән шекары қозғалуға тырысқанда, қозғалысқа қарама-қарсы жақтағы концентрация жоғары болады, демек химиялық потенциалы да жоғарылайды. Бұл жоғарылаған химиялық потенциал дән шекарының қозғалысына себеп болатын бастапқы химиялық потенциал градиентіне кері күш ретінде әрекет етеді. Химиялық потенциалдың таза мөлшерінің төмендеуі дән шекарының жылдамдығын және осымен дәннің өсуін баяулатады.
Катализаторларды синтездеу
Синтеринг, әсіресе тағылған металл катализаторларда катализдік белсенділіктің төмендеуіне маңызды себеп болады. Ол катализатордың бетін кішірейтеді және беттік құрылымын өзгертеді. Кеуекті катализдік бет үшін, порлар синтерлену салдарынан құлап, беттік ауданының жоғалуына әкелуі мүмкін. Синтеринг, әдетте, қайтымсыз процесс болып табылады. Шағын катализатор бөлшектерінде ең жоғары салыстырмалы беттік аудан және жоғары реакция температурасы болады, бұл екі фактор да катализатордың реакциялық қабілетін арттырады. Дегенмен, осы факторлар синтерленудің пайда болатын жағдайлары болып табылады. Кейбір материалдар синтерлену жылдамдығын арттыруы мүмкін. Ал, катализаторларды басқа материалдармен қорыту арқылы синтерленуді азайтуға болады. Атап айтқанда, сирек кездесетін металдар қорытпа құрамында металл катализаторларының синтерленуін азайтады. Көптеген тағылған металл катализаторлары үшін 500 °C (932 °F) жоғары температурадан бастап синтерлену маңызды әсер ете бастайды.