ВВЕДЕНИЕ

Производство материалов и изделий возможно расплавлением и литьем или формованием (чаще прессованием) гранулированных (сыпучих) тел и их спеканием (отжигом).

В прошлом выбор способа производства керамики, бронзы и железа зависел прежде всего от максимальных температур, развиваемых в имеющихся устройствах. Так, керамические материалы, состоявшие в исходном состоянии из зернистых компонентов — оксидов и силикатов — с присущей им высокой температурой плавления, обрабатывали исключительно отжигом. В современных агрегатах достижимы весьма высокие температуры при производстве керамики, однако наиболее широко применяются методы порошковой технологии, гарантирующей определенные свойства материалов или оправданные соотношения затрат и пользы. Метод плавления применяют лишь для некоторых специальных производств.

Многие столетия железо добывали прямым восстановлением руд, получая ошлакованные крицы. Их дальнейшая переработка в изделия заключалась в горячей кузнечной (горновой) обработке, при которой одновременно удалялась большая часть шлака.

Лишь в средние века с развитием печной техники в Европе были созданы предпосылки для применения методов плавления. Но изделия из меди и бронзы, насколько можно проследить, всегда получали плавлением и литьем, так как требуемые для этого сравнительно низкие температуры этих процессов были легко достижимы.

Лишь в начале 30-х годов нашего столетия наряду с продолжающимся преобладанием плавильных методов в особых случаях стали применять порошковую металлургию.

В промышленности порошковую металлургию стали применять с 1900 г. в связи с производством тугоплавких металлов: вольфрама (tпл = 3410°С) и молибдена (tпл = 2630°С), для которых не было в то время соответствующих плавильных устройств. Это развитие было обусловлено производством ламп накаливания, сопряженном с большим расходом проволоки, листов и лент из этих металлов и их сплавов. Появление вакуумных дуговых и электроннолучевых печей, в которых можно было получать крупные слитки молибдена и вольфрама, оказало лишь кратковременное влияние на производство порошковых вольфрама и молибдена, так как в первом случае не достигалась мелкозернистость и пластичность этих металлов. В конце 20-х годов наряду с порошковыми вольфрамом и молибденом после решения проблемы высоковакуумного спекания стали изготавливать химически стойкий тантал с tпл = 3000°С. Высокая растворимость в нем газов, благодаря чему его применяют в электронике, представляет дополнительные трудности для получения пластичного тантала.

Более важным и актуальным является получение, минуя стадию плавления, тугоплавких соединений. Это карбиды, бориды, силициды, нитриды и особые оксиды, а также их сочетания, которые, к примеру, находят применение в изготовлении режущих инструментов и в ядерной технике. Разрабатываются новые области применения, в которых используют такие свойства этих материалов, как химическая и термическая устойчивость, а также прочность на сжатие и сопротивление износу.

Следует учесть, что хрупкие и особотвердые материалы и изделия с трудом обрабатываются, а нужные упрочняющие элементы можно ввести при прессовании и спекании.

На рубеже XIX—XX вв. была разработана технология производства первых порошковых композиционных изделий, сочетающих высокую электропроводность меди с хорошим скольжением графита. Это было обусловлено развитием электротехники, созданием динамомашин и электромоторов. Все это дало начало новым представлениям, которые два десятилетия спустя стали основополагающими. Методами порошковой металлургии можно соединять различные компоненты, зачастую обладающие разными критериями совместимости. Составляющие могут иметь существенно различные температуры плавления и плотности, почти или вовсе не растворяться в жидкой фазе, а также по-разному вести себя при инфильтрации твердых сплавов жидким металлом. В этих случаях средствами плавления невозможно получить технически пригодные материалы.

Известные высокоизносостойкие инструменты для резания или деформации из твердых сплавов WC, WC—TiC или WC—TiC—ТаС с кобальтовой связкой применяются очень широко; то же можно отнести и к композициям Ag—Ni, Ag—CdO, W—Ag, W—Cu и W—Cu—Ni, а также алмазосодержащим материалам, представляющим смесь алмазного порошка и металлической матрицы. Особое значение получило возникшее после второй мировой войны производство износостойких материалов и подшипников скольжения на железной или соответственно медной основе с неметаллическими добавками. При создании инструмента для высокоскоростного резания к твердым сплавам добавилась оксидно-карбидная режущая керамика (например, Аl2О3—Мо2С—WC— TiC). Некоторые оксидно-металлические материалы применяют при высоких температурах (например, из композиции ZrO2—Mo изготавливают чехлы термопар для расплавов стали). Так как исходные порошкообразные смеси для производства композитов часто трудно прессуются, введено изостатическое прессование; поэтому стало возможным получение порошковых изделий значительных размеров. Несомненно полезно дальнейшее использование композитов в машиностроении.

Далее в качестве композитов следует упомянуть порошковые материалы с пористой или капиллярной структурой. Их усиленное развитие началось в 30-х годах с начала производства самосмазывающихся подшипников из материалов на базе железа и меди; такие подшипники особенно необходимы при их разцещении в недоступных для осмотра местах. Объем пор в материале, чаще всего пропитанных маслом, достигает 25%. Эффект самосмазывания достигается за счет капиллярных сил при вооприятии подшипником нагрузки. Возможность изменять в широких пределах количество пор и их средние размеры надежно обеспечила применение порошковых материалов при изготовлении фитилей, диафрагм и фильтров. Фильтры из этих материалов могут быть коррозионностойкими и пластичными.

Процессы изготовления порошковых деталей легко механизируются и автоматизируются; при прессовании изделий определенной плотности используют точно рассчитанное количество порошка, избавляясь от значительных отходов, неизбежных при резании. В этом заключается преимущество порошковой металлургии, весьма ощутимое при массовом выпуске деталей Развитие порошковой металлургии началось в 1935-1940 гг. с производства порошкового железа и стали. Особенно оно интенсифицировалось в 60-х годах в результате разработки экономичных способов получения легированных и высоколегированных порошков стали распылением расплавов сжатым воздухом или в среде инертных газов. Технология порошковой металлургии стали применима для производства высокопрочной (σв = 700÷800 МПа) стали. Было оптимизировано производство порошковой быстрорежущей стали. Заметно улучшилось качество материалов в результате применения таких методов уплотнения и формования порошков, как экструзия, прокатка и особенно ковка; при этом существенно повысилась производительность труда. Массовое производство в конце 60-х годов порошка алюминия с хорошей текучестью, сравнительно слабо окисленного (0,5 % О2) и не приваривающегося к стенкам матрицы прессующего инструмента, расширило область применения порошковой металлургии за счет выпуска деталей из алюминия и его сплавов.

Порошковая металлургия с самого начала развивалась постепенно. Ее распространение на новые области и связанный с этим промышленный интерес выражаются особенно ясно, когда возникает проблема экономии материалов или их замены. Подобно тому как при «соревновании» способов прецизионного яитья и обработки резанием изменялась степень их распространения порошковая металлургия не во всех случаях удерживала однажды занятые ею позиции. Так, например, для ванадия и ниобия технология порошковой металлургии имеет лишь исторический интерес, а для титана она сохранилась лишь в производстве небольших количеств фильтрующих материалов. То же относится и к производству САП (спеченного алюминиевого порошка), на который вначале возлагали большие надежды как на перспективный дисперсноупрочненный материал. В экономическом соревновании с другими способами формования и обработки давлением — при одинаковых свойствах конечного продукта — методы порошковой металлургии вследствие высокой стоимости исходного порошка алюминия и устройств, необходимых для его прессования и спекания, стали проигрывать.

Наиболее дешевы порошки, получаемые методом восстановления руды или окалины. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды. При отсутствии подходящих руд или достаточных количеств окалины постоянного состава применяют диспергирование расплавов распылением; этим способом можно получать легированные порошки. В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, электролизом, науглероживанием и другими способами.

Высокопористые фильтры изготовляют спеканием засыпанного в формы порошка. Для деформации порошкообразной массы применяют внешнее давление. Не слишком большие детали прессуют в матрицах с использованием верхнего и нижнего пуансонов. Для уменьшения трения между частицами порошка и о стенки пресс-формы добавляют смазки (чаще всего стеарин), которые улетучиваются в процессе спекания. Часовая производительность прессования деталей средних размеров может достигать ~300, а малых деталей ~20 000 штук. Трудно уплотняющиеся порошки подвергают горячему прессованию, при котором одновременно происходит и спекание (спекание под давлением).

Из новых методов формования наиболее широко применяются (уже в промышленных масштабах) изостатическое прессование и горячая ковка. Изостатическое прессование можно применять как при комнатной температуре, так и при нагреве, обеспечивая равномерное всестороннее уплотнение порошка. Это позволяет формовать детали и инструмент больших размеров из трудно прессуемого порошка (например, прокатные валки из твердых сплавов). Применение такого существенно более стойкого деформирующего инструмента улучшает поверхность обрабатываемых полуфабрикатов. При спекании в штампах, нагреваемых, как правило, до температуры ковки, заготовки уплотняются почти до теоретической плотности. Этот метод обработки можно широко автоматизировать. На высокопроизводительных установках можно получать ежечасно до 900 изделий массой до 1 кг. При правильных размерах заготовок отходы в таком производстве не велики и требуется меньшая доводка, чем при штамповке компактных материалов. Пористые заготовки легче деформируются, чем компактные, вследствие чего этим способом можно получать детали сложной формы, требующие в дальнейшем минимальной доводки.

Следующей за прессованием операции спекания подвергают однокомпонентные системы при температуре, составляющей (2/34/5) Tпл соответствующего компонента; многокомпонентные системы спекают несколько выше температуры плавления наибо­лее легкоплавкого компонента. При спекании спрессованная заготовка уплотняется в основном за счет диффузии или процесса течения. При спекании кристаллических заготовок без применения внешнего давления (сжатия) преобладает диффузия, с внешним давлением — пластическое течение. Основным процессом при спекании аморфных материалов (стекла, высокополимерных мате» риалов) является вязкое течение. В многокомпонентных материалах эпизодически или на протяжении всего процесса спекания может образовываться расплавленная составляющая; она удерживается капиллярными силами в твердом более тугоплавком компоненте и может ускорять спекание.

Имеются промышленные установки для спекания при любых требуемых температурах в различных защитных атмосферах, а также в вакууме. Роль спекания в конечной стадии изготовления порошковых материалов и изделий различна. При невысоких требованиях к материалу спекание может быть конечной операцией. В противном случае необходимы повторное прессование (допрессовка) и спекание, повышающие плотность, удлинение при растяжении и прочность, а также калибрование для снижения размеров допусков. Конечное уплотнение может быть достигнуто инфильтрацией предварительно спеченного каркаса более легкоплавким компонентом. Наконец, твердость и прочность можно повысить поверхностной или объемной термической обработкой (старением).

Годовой выпуск порошковых материалов и изделий составляет незначительную долю от общего производства. В ряде развитых стран он колеблется в пределах 104—105 т в год. И в ближайшем будущем порошковая металлургия не сможет занять по объему производства первое место. Несмотря на ее стабильное развитие, основанное прежде всего на использовании композитов, а также определенное преимущество по сравнению с плавлением при массовом производстве деталей или изделий, порошковые материалы применяются еще ограниченно. Весьма актуально дальнейшее развитие производства порошковых контактов, инструментов из неметаллических композитов или порошковых высоколегированных стареющих сталей и сплавов, а также усовершенствование способов уплотнения, химико-термической обработки поверхности деталей (прежде всего из порошкового железа и стали) и расширение сортамента деталей и полуфабрикатов из порошков. Так как в порошковой металлургии часто наряду с материалами получают готовые изделия, ее применимость во многом зависит от одновременного решения задач технологами и конструкторами. Значительная часть порошковых материалов характеризуется большей или меньшей остаточной пористостью. Поэтому необходимо придерживаться определенных правил при разработке формы деталей с учетом их предназначаемой нагрузки. Во многих случаях такие помехи могут в дальнейшем отпасть. Следует полнее учитывать возможности порошковой металлургии (экономию материалов, сокращение сроков изготовления изделий). Необходима совместная работа инженеров-материаловедов, технологов и конструкторов, в ходе которой должны учитываться особенности изготовления и своеобразие порошковых материалов.

Назад, на страницу описания