Порошковая металлургия

Это огромная уже сегодня и стремительно развивающаяся область металлургии.

Правда, в настоящее время всего лишь около 0,1 процента – тысячная часть от мирового производства металла – проходит стадию порошковой металлургии, но это еще не характеризует ее места в промышленности. Ведь каждый килограмм изделий методами порошковой металлургии эквивалентен нескольким килограммам металлических изделий, изготовленных резанием: в порошковой металлургии почти нет отходов, а при резании огромное количество металла идет в стружку. С другой стороны, один килограмм металлокерамических твердых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии, заменяет десятки килограммов высоколегированной инструментальной стали.

Порошковая металлургия применяется в тех случаях, когда никакими другими способами нельзя приготовить из соответствующих материалов изделие с требующимися высокими свойствами.

Как, например, изготовить из сверхтвердого вольфрама, да к тому же еще имеющего температуру плавления в 3400 градусов, тончайший волосок электрической лампочки? Ни обработки резанием, ни волочения, ни прокатки здесь не применишь.

Как приготовить сплав двух металлов, имеющих резко различные температуры плавления – например меди (она плавится при 1083 градусах) и того же вольфрама?

Как изготовить материал, содержащий наряду с металлическими и неметаллические включения, например частицы корунда или алмазной пыли?

Как изготовить металлический вкладыш подшипника таким, чтобы всю его толщу пронизывали поры и чтобы общее количество их было (в процентном отношении) строго соответствующим заданному?

Из каких сплавов будут созданы они, межзвездные корабли послезавтрашнего дня?!

Все эти технологические задачи позволяет решить порошковая металлургия. Но это еще не все. Порошковая металлургия может конкурировать по экономичности и с другими видами обработки металлов. Так, для изготовления обычным методом железной шестерни требуется затратить 30 часов труда квалифицированного рабочего. На изготовление такой шестерни методом порошковой металлургии требуется 10 часов труда малоквалифицированного труженика.

Методом порошковой металлургии можно получать изделия, столь точно выполненные, что они не потребуют никакой дополнительной обработки. Потери металла при порошковой металлургии крайне невелики, а чистота получаемых материалов может быть очень высокой.

Не надо, однако, считать, что порошковая металлургия способна заменить собой все другие виды обработки металлов. И у нее есть целый ряд существенных недостатков. Изготовленные этим методом изделия вследствие большой пористости обладают повышенной способностью к окислению, тем более что оно может происходить по всей толще металла. Они обладают низкими пластическими свойствами. Дорого стоят и пресс‑формы, в которых прессуются из металлического порошка изделия, поэтому порошковая металлургия рентабельна только в массовом производстве. Ограничены пока размеры и форма получаемых изделий.

Но самым главным недостатком порошковой металлургии является высокая стоимость порошков металлов – исходного сырья для изготовления изделий этим методом.

Много способов предложили, испробовали и применяют инженеры для получения металлических порошков требующейся тонины разлома.

Самый простой и распространенный – это размол в шаровых мельницах. Удары чугунных шаров дробят хрупкий металл, дуновение льющегося сквозь барабан мельницы воздуха уносит с собой наиболее мелкие частицы, сепаратор отделяет только те из них, которые достигли требующихся размеров, и возвращает более крупные на домол в мельницу. Во всяком случае в настоящее время инженеры знают целый ряд способов получения порошков из разнообразнейших материалов, разнообразнейшей тонины помола, с разнообразной формой частиц. Ибо и форма частиц играет роль в порошковой металлургии.

Но это отнюдь не значит, что найдены все самые лучшие и выгодные способы. Наоборот, по всей вероятности, самые лучшие и экономичные ждут своих открывателей.

Но вот требующиеся порошки получены. Их смешивают. Это тоже сложный процесс: ведь от равномерности смеси в значительной степени зависит качество будущего изделия. Затем смесь закладывают в форму и прессуют.

Возьмите в руки кусок металла. Это сплошное тело, в котором любая частица плотно соприкасается со всеми окружающими частицами. Существуют в технике вещества и другого состояния – так называемые коллоиды. Они представляют собой крохотные частицы величиной в сотые и тысячные доли микрона, взвешенные в какой‑либо жидкости. Частицы коллоида совсем не касаются друг друга. Порошки металлов представляют собой нечто среднее между этими двумя крайними состояниями вещества, расквалифицированного по сцепляемости, соприкасаемости частиц, ибо из общей их поверхности лишь незначительная часть находится в состоянии соприкосновения друг с другом.

Но эти участки контакта являются важнейшими в физической картине порошковой металлургии. Именно через эти участки проходит основной поток тепловой и электрической энергии, они испытывают максимальные напряжения при прессовании, в них проходит процесс спекания частиц в один сплошной монолит.

В процессе прессования частицы сближаются друг с другом, поверхность соприкосновения частиц растет, они переплетаются друг с другом своими выступами и неровностями. Но, конечно, из‑под холодного пресса выходит еще не готовое изделие. Прессование обеспечило только получение формы будущего изделия для его дальнейшей обработки. А она заключается в спекании.

Спекание производится при более низкой температуре, чем температура плавления главного компонента порошковой смеси, однако оно вызывает целый ряд существенных изменений физического состояния прессованного изделия. В смеси происходят сложные процессы диффузии атомов, сцепления частиц друг с другом, взаимного растворения веществ. В результате после охлаждения получается готовое изделие, обладающее заданными свойствами.

Конечно, это только общая технологическая линия производства изделий методом порошковой металлургии. В каждом конкретном случае, для каждой группы материалов существуют свои варианты этой технологии. Нередко прессование осуществляют одновременно с нагревом. Случается, что спекание приходится осуществлять в атмосфере инертных газов. Бывает, что прессование осуществляется всесторонним давлением сжатой жидкости, а не односторонним нажимом пуансона пресса. Можно встретить установки, в которых осуществляется и не прессование, а прокатка порошков. И так далее и так далее.

Мы, конечно, не исчерпали всех применений порошковой металлургии!

Порошковая металлургия тесно связана с электротехникой. Нити накала электрических ламп, радиоламп, рентгеновских трубок должны работать при температуре 2–3 тысячи градусов и иметь достаточную механическую прочность. Из вольфрама, молибдена и тантала методом порошковой металлургии и готовят эти детали.

Металлокерамические резцы, появившиеся в последние годы, произвели подлинную революцию в обработке металлов резанием. Еще бы, они позволили увеличить скорость резания в десятки раз! Проникнув в горное дело, они и там позволили значительно ускорить проходку скважин. А ведь в их состав входят карбиды – соединения с углеродом самых тугоплавких металлов. Так, карбид титана, обычный компонент таких резцов, плавится при температуре лишь в 3140 градусов, карбиды циркония и ниобия – при 3500 градусах, карбид тантала – при 3380 градусах. Конечно, только порошковая металлургия позволяет получить узкие, наплавляемые на державки резцов пластинки, в состав которых входят эти карбиды.

Твердые сплавы, изготовленные из порошков карбидов, позволили повысить скорость не только обработки металлов резанием. Из них делают штампы для прессов и фильеры для волочения стальной проволоки, сверла и резьбовые калибры и т. д.

И во всех этих случаях твердые сплавы с честью выдерживают испытание. Металлокерамический штамп для производства безопасных бритв выдерживает до 2 млрд. штамповок, когда обычный стальной штамп приходится менять после 15 млн. штамповок. Срок службы твердосплавных валков в 100 раз дольше, чем простых стальных. Стальная фильера до износа позволяет проволочить сквозь себя 80 кг железной проволоки, твердосплавная – до 50 тонн, в 600 раз больше!

Вот что такое твердые сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии. Материалом высоких скоростей можно было бы назвать их, ибо их применение очень часто связано с большими скоростями. А рост скоростей – одна из отличительнейших характерных черт сегодняшней техники.

Взять хотя бы двигатель современной скоростной авиации – реактивный двигатель. Его приход сразу позволил чуть ли не вдвое увеличить скорость полета самолета. Он позволил поднять и потолок самолета в те области атмосферы, где задыхался поршневой двигатель. А знаете ли вы, что реактивный двигатель не может развить и сейчас еще полной возможной мощности? Что в камеры сгорания его впускается больше, чем нужно, воздуха, а то и вбрызгивается вода, чтобы понизить температуру газов горения, хотя чем выше она, тем экономичнее работа двигателя? И делается это потому, что нет материалов, которые смогли бы продолжительное время работать в яростном потоке этих газов, имеющих температуру выше полутора‑двух тысяч градусов.

Да, современные литые металлические сплавы, включающие в себя добавки хрома, никеля, кобальта (мы говорили о них), не могут работать при температуре выше 850–900 градусов. При более высоких температурах следует применять тугоплавкие металлы, карбиды и нитриды их. И, конечно же, именно порошковая металлургия позволяет изготовить из них нужные детали аппаратуры.

Одним из наиболее перспективных таких материалов является карбид титана. Он хорошо противостоит тепловому удару – быстрому нагреву при пуске двигателя и быстрому охлаждению при его остановке. С добавкой 20 процентов кобальта при температуре около 900 градусов он почти вдвое превосходит по прочности лучшие жаропрочные металлические сплавы.

А сопло реактивного двигателя… Расширяющаяся труба, в которой раскаленные газы, все ускоряя свое движение, создают реактивную силу. Какие только усилия не прилагают конструкторы, чтобы понизить ее температуру! Ее охлаждают поступающим в камеру сгорания топливом, делают пористой и прокачивают сквозь эти поры часть топлива. Испаряясь на внутренней поверхности трубы, топливо охлаждает ее и создает у поверхности прослойку холодного газа.

Надо ли добавлять, что и такие пористые, способные «потеть» в жару трубы тоже можно изготовить только методом порошковой металлургии?

Этим же методом изготавливают удивительные пористые самосмазывающиеся подшипники. Поры в них заполняют маслом. Едва подшипник нагревается, масло, расширяясь, начинает выходить из пор и создавать смазывающую прослойку. При остывании масло впитывается назад, как вода в губку.

Методом порошковой металлургии готовят тончайшие фильтры и фрикционные накладки муфт сцепления, шестерни и кулачки, шайбы и сердечники электромагнитов, щетки динамомашин и электрические контакты точных приборов и так далее и так далее, ибо уже сегодня нельзя перечислить все, что делается этим методом, а завтра этот список удвоится и утроится…

Вот методами порошковой металлургии и можно изготовлять из блистательного бериллия, как и из многих других металлов, детали машин, аппаратов, приборов.

Как известно, пирамиды, в которых древние египтяне хоронили своих фараонов, были разграблены еще в древности. Были разграблены и скальные погребения египетских царей. И только случайно дошло до нашего времени потерянное еще в древности захоронение фараона Тутанхамона, жившего в XIV в. до н. э.

Много интересного нашли в его гробнице историки, когда в 1922 году впервые спустились по извилистым ходам, пробитым в скале, в посмертное жилище фараона. Видимо, Тутанхамон отличался особенной любовью к произведениям искусства – гробница была прямо нафарширована ими. И среди них были обнаружены кинжалы, украшенные порошковым золотом.

Вот, оказывается, где истоки порошковой металлургии!

Впрочем, не одни египтяне, а и древние обитатели Америки – инки умели получать изделия спеканием порошков драгоценных металлов. Но на многие столетия было забыто древнее искусство. Развитие металлургии пошло по другому пути.

Только в начале XIX века, когда впервые встал вопрос о методе изготовления предметов из тугоплавких металлов, вновь ненадолго воскресло забытое мастерство. Воскресил его выдающийся русский металлург Петр Григорьевич Соболевский.

Он применил метод порошковой металлургии для изготовления монет и медалей из платины. Расплавить ее было в те годы практически невозможно: ведь для этого нужна температура в 1773 градуса. Соболевский закладывал в форму очищенную губчатую платину, полученную химической обработкой природных минералов, подвергал ее прессованию, затем нагреванию и еще раз прессованию. Получились плотные металлические изделия. Это было в 1826 году.

Несколько десятков лет пользовались и у нас в стране и за рубежом методом русского металлурга. Затем платину научились плавить. И снова на много десятилетий умерла порошковая металлургия.

Она возродилась на рубеже XX века и теперь уже не сдаст завоеванных позиций. Даже наоборот: она будет захватывать все новые области применения.