» » Общие сведения о развитии порошковой металлургии
02.06.2015

Порошковая металлургия (металлокерамика) — отрасль техники, занимающаяся изготовлением металлических изделий из порошков.
Основной вариант технологии изготовления металлокерамических изделий — прессование смесей порошков соответствующего состава и последующая термическая обработка (спекание) спрессованных полуфабрикатов. Спекание производится при температуре ниже точки плавления большей части материала. Другие варианты технологии характеризуются дополнительной холодной или горячей обработкой изделий после спекания; выпадением одной из основных операций (прессования или спекания); совмещением их в одну операцию (спекание пол давлением или горячее прессование); заменой прессования другими методами формирования порошков (прокаткой, выдавливанием, гидростатическим прессованием) и др.
Методы порошковой металлургии имеют следующие преимущества:
1. Возможность получения таких материалов, которые трудно или даже невозможно получать другими методами. К этим материалам в настоящее время относятся некоторые тугоплавкие металлы (вольфрам. тантал); сплавы и композиции на основе тугоплавких соединений (твердые сплавы на основе карбида титана); композиции из металлов. не смешивающихся в расплавленном виде, в особенности при значительной разнице в температурах плавления (железо — свинец, вольфрам — медь); композиции из металлов и неметаллов (медь — графит, железо — пластмасса, алюминий — окись алюминия, хром — окись алюминия); пористые материалы (для подшипников, фильтров уплотнений, теплоизоляции) и др.
2. Возможность более экономного получения некоторых материалов и изделий. Так, например, методы порошковой металлургии позволяют получать готовые изделия точных размеров без обработки резанием и таким образом ликвидировать значительные потери металла в стружку и расходы, связанные с механической обработкой заготовок.
3. Обычные литые металлы загрязняются примесями, имеющимися в футеровке литейных форм, поэтому порошковые материалы в ряде случаев при применении чистых исходных порошков можно получить с меньшим содержанием примесей и. с более точным соответствием задан ному составу, чем обычные литые сплавы.
4. При одинаковом составе и плотности у порошковых металлов в связи с особенностями их структуры некоторые свойства выше, чем у плавленых. У порошковых металлов меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентировки (текстуры), у литых металлов предпочтительная ориентировка, вызываемая специфическими условиями затвердевания расплавленного металла и последующей обработки давлением, значительно более выражена. Величину и форму зерна порошковых металлов легче регулировать, а главное, можно получать другие типы взаимного расположения зерен, чем у плавленого металла. Отдельные зерна порошковых металлов могут входить в состав более крупных структурных комплексов (агрегатов, гранул). Блaгoдapя этим структурным особенностям порошковые металлы более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжений, а также ядерного облучения, чем плавленые, что является важным преимуществом для получения материалов новой техники (жаропрочных, для ядерных реакторов и др.).
Наряду с этими преимуществами методы порошковой металлургии имеют следующие недостатки:
1. Трудность получения некоторых материалов, в том числе наиболее распространенных, методами порошковой металлургии. Так. например. методами порошковой металлургии трудно получить обычный литейный чугун с 3% кремния и 3—4% углерода.
2. Меньшая экономичность получения методами порошковой металлургии ряда материалов, полуфабрикатов и изделий. Так, готовые изделия методами порошковой металлургии выгодно производить только при достаточно большом масштабе выпуска. Производство методами порошковой металлургии заготовок, требующих обработки резанием, как правило, менее выгодно, чем производство обычными методами. Необходимость спекания в защитной атмосфере также повышает стоимость порошковых металлов.
3. Невозможность получения в настоящее время методами порошковой металлургии изделий и заготовок больших размеров.
4. В отличие от литых металлов, у которых примеси при плавлении могут переходить в шлак, при спекании имеются гораздо более ограниченные возможности очищения от примесей, имеющихся в исходных порошках (в известной мере от газов и в очень ограниченном масштабе от элементов, находящихся в твердом или жидком состоянии, за счет испарения). Поэтому для получения чистых порошковых материалов необходимо применять чистые исходные порошки. Даже при этом условии порошковые металлы и сплавы имеют более высокое содержание кислорода и газов, чем аналогичные материалы, полученные дуговым плавлением или электроннолучевой плавкой.
5. Порошковые металлы, как правило, труднее довести до вполне компактного беспористого состояния, чем плавленые. Поэтому порошковые металлы содержат большее количество остаточных пор и других структурных дефектов, в связи с чем (а также из-за более высокого содержания газов) они в ряде случаев менее пластичны и имеют менее длительную жаропрочность чем соответствующие литые материалы.
Как преимущества, так и недостатки порошковой металлургии, приведенные в этом сопоставлении, нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы. В значительной степени эти преимущества и недостатки обусловлены состоянием и развитием техники как самой порошковой металлургии, так и других отраслей. В связи с этим по мере развития техники порошковая металлургия вытесняется из одних областей применения и, наоборот, завоевывает другие.
Так, например, до изобретения доменного процесса получали сыродутное железо способом, очень близким, к методам порошковой металлургии. В 1827 г. П.Г. Соболевским были разработаны современные методы порошковой металлургии в связи с необходимостью получения чистой платины (температура плавления 1769°). Однако уже в первой половине прошлого века в связи с развитием методов получения высоких температур прекратилось промышленное применение методов порошковой металлургии. Порошковая металлургия вновь возродилась на рубеже XX столетия в связи с необходимостью получения тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, тантала, осмия). Еще 10 лет назад считали, что тугоплавкие металлы можно получать только методами порошковой металлургии. Однако в настоящее время с развитием техники дугового плавления, позволяющей получать более крупные заготовки более чистого металла, порошковая металлургия постепенно вытесняется из этой области. Так, в США значительную часть молибдена производят методами дугового плавления. В первых работах по получению титана использовались преимущественно методы порошковой металлургии. В настоящее время подавляющая часть чистого титана и сплавов на его основе производится методами дугового плавления.
Еще недавно изготовление металлических пористых фильтров и охлаждаемых материалов считалось монопольной областью порошковой металлургии. Однако в настоящее время для этих целей в довольно значительных масштабах применяются металлические материалы с «организованной» пористостью (сетки, тканные и вязанные материалы из проволоки).
В настоящее время также ведутся работы по получению дуговым плавлением материалов на основе тугоплавких Соединений (например, карбида титана) и по получению тугоплавких металлов электроннолучевой плавкой.
В то же время имеются обратные примеры — завоевания ряда новых областей порошковыми материалами. Так. фрикционные металлокерамические и металлопластмассовые материалы все более вытесняют как чисто металлические, так и чисто органические тормозные материалы. Значительно выросло применение пористых подшипников. Увеличивается производство разнообразных деталей из металлических порошков.
С ростом новой техники увеличиваются области применения порошковых материалов для атомной энергетики, реактивных двигателей, электронных приборов и машин для автоматического управления различными процессами и др.
Таким образом, наблюдается постоянный рост продукции порошковой металлургии в результате увеличения областей применения новых материалов со специальными физическими и техническими свойствами (высокие фрикционные свойства, высокая жаропрочность и термостойкость, высокие магнитные характеристики и т. п.).
Наряду с этим в настоящее время в результате усовершенствования методов порошковой металлургии намечаются серьезные перспективы значительного количественного роста ее продукции за счет изготовления обычных материалов и изделий. Такие перспективы открываются прежде всего в связи с развитием новых методов проката металлических порошков. Прокат порошков позволяет легко получать тонкую фольгу (0,3—0,4 мм и меньше) за 1—2 прохода и открывает более широкие возможности получения материалов со специальными свойствами (биметалл, триметалл, пористый прокат, прокатка хрупких и тверды« материалов), чем обычный прокат литых металлов.
В области производства цветных металлов перспективы серьезного роста порошковой металлургии связаны не только с развитием техники проката, но и с развитием новых методов гидрометаллургии, позволяющих получать дешевые порошки цветных металлов непосредственной переработкой руд.
В области производства черных металлов перспективы значительного роста порошковой металлургии связаны с новыми методами бездоменного получения чугуна, в частности разработанного в Швеции процесса Стора. В этом процессе расплавленный передельный чугун очищают от кремния продуванием кислорода и распыляют в стальную дробь. Стальную дробь для обезуглероживания смешивают с небольшим количеством железной руды, шихту засыпают в плоские стальные коробки и отжигают при 100°. После отжига горячие коробки с обезуглероженной дробью прокатывают. Таким путем получается более дешевый стальной прокат.
Следует отметить, однако, что некоторые преимущества и недостатки в известной мере характерны Для методов порошковой металлургии при любом состоянии техники. Так, например, спекание при всех условиях позволяет производить материалы при более низкой температуре, чем плавление (хотя эта выгода может быть при высоком уровне техники нагревания несущественной). Вместе с тем при спекании нужно единовременно нагреть до высокой температуры более значительную, чем при дуговом плавлении, часть всего материала. Вероятно и при дальнейшем развитии техники плавлением можно будет получать заготовки и детали размеров более значительных, чем при спекании. Кроме того, расплавление всегда обеспечивает лучшую очистку от примесей, чем спекание. Методы порошковой металлургии обеспечивают получение таких композиций (например металл — пластмассы, керамика — металл), которые при любом уровне техники получить плавлением трудно или невозможно. По всей вероятности структурные особенности порошковых металлов, обеспечивающие их повышенную стойкость к циклическому воздействию тепла и напряжения (термостойкость) и к ядерному облучению, также будет трудно воспроизвести другими методами. Поэтому в дальнейшем порошковая металлургия будет прогрессировать и расширяться (что не исключает одновременного вытеснения ее продукции из некоторых областей применения).
Количественно выпуск изделий из порошковых металлов в настоящее время невелик — менее 0,1% от общего производства металлов. По оценке Ф. Айзенкольба, в 1956 г. мировое производство железных порошков для изготовления изделий составляло около 70 тыс. т, а порошков цветных металлов — около 20 тыс. т.
Несмотря на сравнительно небольшой объем производства, нельзя представить современную технику без порошковых металлов. Так, например, методами порошковой металлургии получены такие важные виды продукции, как вольфрамовые нити накала электрических ламп; детали радиоламп из вольфрама, молибдена, тантала; медно-графитовые щетки для генераторов и электродвигателей; пористые подшипники и фильтры; сердечники из ферромагнитных порошков, изолированных пластмассами; ряд материалов для атомных реакторов и т. п.