Порошковая металургия (ПМ). Роль ПМ в НТР и станкостроении

ПРЕДИСЛОВИЕ

Порошковая металургия в значительной мере определяет развитие современного станкостроения как в части обеспечения новыми иструментальными материалами, так и части изготовления конструктивных элементов станков из материалов с особыми механическими свойствами и комплексами новых функциональных возможностей.

Порошковая металлургия зародилась в нача­ле прошлого века. В 1827 г. П. Г. Соболевский и В. В. Любарский разработали и реализовали в промышленных масштабах метод производ­ства платиновых порошков и компактных плати­новых изделий на их основе; в этом же году П. Г. Соболевский опубликовал первую в мире научную работу по порошковой металлургии. (Пётр Григорьевич Соболевский (1781 — 24 окт. 1841) — полковник Корпуса горных инженеров, металлург, изобретатель, профессор, член-корреспондент Академии наук). Однако только в 50-х годах XX в. были выпол­нены первые фундаментальные исследования, по­священные теоретическим аспектам порошковой металлургии, и в первую очередь теории процес­сов твердофазного спекания и спекания в при­сутствии жидкой фазы. В это же время появи­лись первые многочисленные исследования по теоретическим основам технологических схем производства металлических и неметаллических порошков, а также формования из них пресс- заготовок, предназначенных для последующего спекания.

Развитие порошковой металлургии обуслови­ло коренные прогрессивные сдвиги в промыш­ленном производстве и производительности тру­да, открыло пути к созданию объектов новой тех­ники, предназначенной для использования в экс­тремальных условиях (при высоких и сверхвысо­ких температурах, давлениях и скоростях, в условиях радиационного воздействия) и в раз­личных устройствах микроминиатюризованных систем управления, контроля, связи и других систем.

В последние годы в порошковой металлургии получило развитие принципиально новое на­правление, связанное с производством практиче­ски беспористых изделий, малодефектных и не содержащих примесей. Широко развиваются так­же работы по созданию антифрикционных, фрик­ционных, фильтровых, уплотнительных и изно­состойких материалов и изделий, предназначен­ных для работы при очень высоких нагрузках и в широком интервале температур, при воздей­ствии высокоагрессивных сред и в сверхвысоком вакууме. Существенное развитие (в том числе и в принципиально новых научных направлениях) получили работы в области изыскания и промыш­ленного освоения твердых и сверхтвердых мате­риалов.

Наряду с работами по совершенствованию тех­нологий производства традиционных твердых сплавов ведутся фундаментальные научные ис­следования и осуществляется комплекс научно- технических и научно-организационных меро­приятий, направленных на промышленное ос­воение совершенно новых инструментальных ма­териалов на основе синтетических алмазов, алмазоподобного нитрида бора в порошках и но­вого сверхтвердого материала — вюртцитоподобного нитрида бора. С помощью различных технологических схем производства получены по­рошки сложнолегированных сталей, сплавов на основе никеля, меди, алюминия, магния, титана и тугоплавких металлов, из которых методами изостатического горячего прессования, горяче­го штампования, экструзии, прокатки и пропит­ки жидкими металлами изготовляются беспорис­тые изделия конструкционного назначения с уровнем прочности и пластичности, эквивалент­ным этим характеристикам для лучших образцов изделий, получаемых по традиционной техно­логии.

Рационально управляя технологическими про­цессами получения материалов из порошков, удается реализовать не только желаемый хими­ческий состав, но и заданную структуру мате­риала, оптимизирующую комплекс свойств, по­тенциально заложенных в нем химическим со­ставом. Достаточно назвать для примера порош­ковые быстрорежущие стали, жаропрочные спла­вы, сверхтвердые ударостойкие инструменталь­ные материалы, кованые стали и сплавы кон­струкционного назначения, прокат. Благодаря управляемому процессу структурообразования можно получить порошковые изделия из малоде- формирующихся материалов, обладающие сверх­пластичностью, высоким коэффициентом вязкого разрушения и другими необходимыми свойства­ми. Это пластичные мартенситно-стареющие ста­ли с пределом прочности выше 2000 МПа (200 кгс/мм2), тяжелые сплавы на основе воль­фрама с пределом прочности выше 1500 МПа (150 кгс/мм2) при удлинении более 12%, а также ряд дисперсионно-твердеющих и дисперсно- упрочненных сплавов на основе черных и цветных металлов.

С помощью методов порошковой металлургии создан класс новых материалов — композицион­ные: электротехнического назначения, магнит­но-твердые с уникальными магнитными характе­ристиками, дисперсно-упрочненные на основе алюминия (САП) и никеля (ТД-никель), фрик­ционные и антифрикционные, с металлической или неметаллической матрицей и дисперсной фа­зой в виде упрочняющих частиц, нитевидных кристаллов, волокон и армирующих тканей из высокомодульных материалов (также являющих­ся продукцией порошковой металлургии). На основе композиционных материалов выпускают изделия с особыми характеристиками: псевдо­сплавные электроконтакты, уплотнения, фильт­ры и др.

Многие материалы порошковой металлургии обладают такими свойствами, которые принци­пиально не могут быть достигнуты с помощью традиционной технологии металлургического производства, например твердые сплавы (карбидовольфрамовый и карбидотитановольфрамовый на кобальтовой связке, которые литьем получить невозможно, и др.). Внедрение инструменталь­ных твердых сплавов в машиностроение, в горнодобывающую и другие отрасли промышлен­ности обеспечило революционные сдвиги в прак­тике производства. Развитие промышленного про­изводства порошков обусловило существенный прогресс в электросварочной технике, в техно­логиях гетерогенного катализа, в производстве смесевых топлив для ракетной техники.

В инструментальном производстве для нужд станкостроения наиболее интенсивно развивается направление, ориентированное на сверхтвердые материалы (С.М.). Сверхтвердые материалы – это материалы, твердость которых соизмерима с твердостью алмаза. Сверхтвердыми материалами кроме алмаза являются материалы на основе кубического нитрида бора. Синтетические алмазы производят в виде порошков, материалов типа баллас, дисмит, карбонадо – плотных кристаллических образований с однородной мелкозернистой структурой. Кубический нитрид бора также получают в виде порошков. Это соединение несколько уступает алмазу по твердости, но значительно превосходит по по теплостойкости. На основе кубического нитрида бора созданы такие С.М. как белбор, гексанит, исмит, кубонит, чернобор, эльбор. Композиционным С.М. является материал, известный под названием славутич, существенно превосходящий алмаз по прочности[17].

Основные преимущества методов порошковой металлургии перед традиционной технологией металлургического производства состоят в мини­мальных потерях материалов (экономия до 1,5—2 тыс. т на 1 тыс. т изделий), упрощении и сокращении числа технологических операций, которые могут быть сосредоточены в рамках од­ного производства, существенном уменьшении требуемого парка станочного оборудования (до 300—350 единиц на 1 тыс. т изделий), возможнос­тях максимальной автоматизации технологиче­ских процессов и повышения производительности труда, а также в значительной экономии энергии и более широких перспективах решения про­блем окружающей среды. Поэтому при переходе от традиционных технологий металлургического производства к методам порошковой металлур­гии практически по любому виду промышлен­ной продукции обеспечивается эффект экономии исходных материалов в соотношении примерно 1: 2, 1: 3. Однако этот эффект в народном хозяй­стве ощутимо проявится только тогда, когда мас­штабы выпуска материалов и изделий теми и другими методами станут соизмеримыми.

Порошковая металлургия пока не располагает технологиями производства, которые с технико-экономической точки зрения были бы приемле­мыми для выпуска материалов и изделий в масштабах миллионов тонн. Эта проблема еще ожи­дает своего решения. Вместе с тем косвенно дос­тижению подобного по масштабности эффекта экономии металла в стране может способство­вать расширение объема выпуска порошковых материалов для защитных покрытий, в два-три раза продлевающих срок службы металлоизде­лий и металлоконструкций. Неуклонно развивающаяся порошковая ме­таллургия вовлекает в свою орбиту широкие кру­ги ученых, инженерно-технических работников, рабочих производства различных отраслей тех­ники, в которых используются материалы и из­делия порошковой металлургии. К теоретической разработке проблем порошковой металлургии все шире и шире привлекаются специалисты смежных областей точных наук и материаловедения. Про­гресс в порошковой металлургии и ее потенциал органически связаны с развитием физики твер­дого тела и физической химии, механики матери­алов и конструкций. Эти фундаментальные на­уки являются основой изучения процессов и ра­ционального построения технологических схем производства материалов и изделий порошко­вой металлургии.

Успешное развитие любой отрасли науки, а особенно стыковой, возможно только при четко установленной терминологии, без которой всег­да затруднены необходимый обмен информацией, понимание научно-технической литературы, фор­мулировка понятий и т. п. В порошковой метал­лургии такая единая терминология пока не выра­ботана.