УДК 621.762.04 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОПУСКАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ПРИ СПАРК-ПЛАЗМЕННОМ СПЕКАНИИ © 2013 А.М. Ильина, магистрант, инженер лаборатории электромагнитных методов производства новых материалов Е.В. Александрова, магистрант, инженер лаборатории электромагнитных методов производства новых материалов Е.Г. Григорьев, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории электромагнитных методов производства новых материалов Е.А. Олевский, профессор, заведующий лабораторией электромагнитных методов производства новых материалов Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ», Москва (Россия) Ключевые слова: спарк-плазменное спекание; консолидация; порошковые материалы. Аннотация: Рассмотрено влияние электрического тока на процесс уплотнения сферического порошка меди (99,99 % чистоты) при спарк-плазменном спекании (СПС). Представлен новый подход к фундаментальным срав- нительным экспериментам по СПС с использованием оснастки, позволяющей включить и исключить присутствие электрического тока при одинаковом давлении и температуре (СПС-осадка). ВВЕДЕНИЕ Одними из основных факторов, влияющих на ре- зультаты спарк-плазменного спекания, являются пара- метры электрического тока. Электрический ток произ- водит джоулево тепло, активирующее диффузию и де- формацию в условиях СПС, что позволяет заметно со- кратить время достижения оптимальных плотностей различных материалов по сравнению с горячим прессо- ванием и, кроме того, получать изделия с хорошими физическими свойствами. В мире первое упоминание о методах спекания порошковых материалов с приме- нением электромагнитных полей датируется началом XX века [1, 2]. В СССР подобные эксперименты нача- лись в 30-х годах XX века [3] и получили активное раз- витие в середине 60-х годов [4, 5]. Множество работ в этой области проводилось также и за рубежом [6, 7]. Однако, влияние электромагнитного поля на ускорение процесса консолидации все еще остается открытым вопросом. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В настоящей работе в качестве исследуемого мате- риала использовали сферический порошок меди (99,99 % чистоты, Alfa Aesar, США) с размером частиц порядка 10 μм. Для проведения сравнительных экспериментов по влиянию электрического тока были использованы две цилиндрические заготовки диаметром 10 мм и вы- сотой 6–7 мм из медного порошка. Данные заготовки были подготовлены из медного порошка методом спарк-плазменного спекания в графитовой матрице на установке LABOX-625 (Sinter Land Inc., Япония) при температуре T=350 °С и при приложении давления P=25 МПа, время выдержки составляло 2 минуты. От- носительная плотность спеченных цилиндрических заготовок – 80 %. Полученные заготовки были использованы в даль- нейших экспериментах по влиянию тока с двумя типа- ми оснастки: «с током» и «без тока» (рис. 1). Электро- проводящая графитовая матрица выбрана таким обра- зом, что ее внутренний диаметр больше, чем диаметр медной заготовки – то есть заготовка не контактирует с матрицей; и, кроме того, такая схема позволяет кон- тролировать температуру непосредственно на поверх- ности заготовки через сквозное отверстие в матрице. В первом случае (рис. 1 а) разогрев порошковой заго- товки осуществлялся за счет прямого прохождения тока через медный порошок; во втором случае (рис. 1 б) медная заготовка изолирована от прохождения через нее тока с помощью дисков из Al 2 O 3 – таким образом, нагрев заготовки осуществлялся только за счет излуче- ния и теплопроводности от разогретой графитовой мат- рицы и пуансонов. Для обоих случаев был задан одинаковый режим спекания: нагрев осуществляли со скоростью 75 °С/мин до 625 °С, время изотермической выдержки составляло 2 минуты, давление 10 МПа. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ На рисунке 2 для обоих случаев СПС-осадки пока- заны температурные режимы (сплошные линии) и кри- вые смещения пуансона (пунктирные линии) в зависи- мости от времени. По кривым смещения пуансона видно, что в случае прямого прохождения тока через образец процесс усад- ки медной заготовки начинается примерно на 130 се- кунд раньше, чем в случае, когда электрический ток не идет через образец. На стадии охлаждения наблюдается некоторое раз- личие в скорости остывания образцов (сплошные кри- вые). Электрический ток, проходя напрямую через медную заготовку, равномерно разогревает ее. В случае же, когда электрический ток не идет через заготовку, возможно, имеет место некоторый градиент температу- ры от центра к краю таблетки, что объясняет более бы- строе остывание образца «без тока». Полученные таблетки были исследованы методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 3). Показа- но, что для обоих случаев пористость в центре (рис. 3 а, б) и на краю (рис. 3 в, г) образца заметно отличается. Вектор науки ТГУ. 2013. № 3 185