Powder Metallurgy

Порошковая металлургия — молодая, но чрезвычайно важная отрасль современной техники — занимается производством металлических порошков и различных изделий из них. Порошковую металлургию иногда называют металлокерамикой, потому что процессы, применяемые при изготовлении изделий из порошков, напоминают процессы керамического производства, однако это не означает, что металлокерамические материалы обязательно получают сочетанием металлов и керамики.

Сущность порошковой металлургии состоит в следующем: смесь, составленная из специально отобранных и подготовленных порошков, прессуют в пресс-формах под давлением 10–100 кг/мм². Полученный полуфабрикат (прессовка) имеет прочность, которая, хотя и недостаточна для использования изделия, позволяет транспортировать его к следующей технологической операции. Окончательная механическая прочность материала достигается только в результате высокотемпературной обработки — спекания, которое проводят при температуре ниже точки плавления основного металла, входящего в смесь (66–75 процентов от температуры плавления). Эта основная технологическая схема имеет ряд вариантов, которые рассматриваются в соответствующих главах.

Развитие порошковой металлургии обусловлено её большими преимуществами перед другими методами в некоторых областях применения. Порошково-металлургический процесс дал практическое решение задачи получения тугоплавких металлов, которые теперь стали основой для изготовления жаропрочных материалов и режущих инструментов чрезвычайной твёрдости. В промышленном масштабе невозможно плавить такие материалы и изготавливать из них изделия обычными методами, потому что трудно подобрать футеровку печи, которая не плавилась бы при высоких температурах (например, температура плавления вольфрама составляет 3400°C) и не вступала бы в реакцию с расплавленным металлом или соединением.

Только порошковая металлургия позволяет получать сплавы из взаимно нерастворимых металлов, которые из-за ликвации невозможно выплавить обычными методами. Так бывает, если температуры плавления металлов, составляющих сплав, сильно различаются, например у вольфрама и меди (3400°C и 1083°C), железа и свинца (1535°C и 327°C) и т. д.

Можно также получать материалы, содержащие наряду с металлическими неметаллические компоненты, а также материалы и изделия, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоёв различных металлов. Одно из интересных применений порошковой металлургии — введение неметаллических компонентов в металлическую основу, чего нельзя достичь другими способами. Особым преимуществом является возможность получать пористые материалы с регулируемой пористостью, что невозможно обеспечить плавлением и литьём.

Современная техника немыслима без продукции порошковой металлургии, разнообразные области применения которой расширяются с каждым годом (рис. 1). Так, металлические детали для электрических ламп и радиоламп изготавливают из порошков тугоплавких металлов — вольфрама, молибдена и тантала. Современные режущие инструменты из твёрдых сплавов, полученных методами порошковой металлургии, вызвали настоящую революцию в процессах резания металлов и в горном деле; скорость обработки металлов возросла в десять раз. В промышленности успешно применяются различные антифрикционные материалы, а также пористые подшипники, фильтры и многие другие изделия. Порошковая металлургия позволяет изготавливать изделия как из самых тяжёлых металлов (вольфрама, урана), так и из самых лёгких (бериллия, пористого алюминия). Из металлических порошков можно получать материалы с широким диапазоном свойств. Из порошкового железа, в зависимости от технологии, можно получать материалы с механическими свойствами, соответствующими чугуну, бронзе или даже свинцу.

Кроме того, порошковая металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты — не загрязнённые материалом футеровки печи или раскислителями, — в отличие от металлов, получаемых обычными процессами.

Ещё одно существенное преимущество порошковой металлургии — возможность получать готовые детали без механической обработки. Это превосходство особенно заметно в массовом производстве, потому что здесь достигается ряд экономических преимуществ: увеличение выпуска, снижение затрат труда, высвобождение значительного количества станков и отсутствие потерь металла в стружку при обработке, которые при других процессах составляют от 20 до 80 процентов массы металла. Например, при изготовлении зубчатых колёс методом порошковой металлургии технологический процесс состоит из простых и малотрудоёмких операций: получения порошковой прессовки, спекания и калибрования. При изготовлении такого колеса литьём и механической обработкой чугунные заготовки проходят операции сверления отверстия, точения по наружному и внутреннему диаметрам, обработки шпоночного паза и зубьев и чистовой обработки; при этом последние две операции чрезвычайно трудоёмки. На рис. 2 приведена схема, сравнивающая технологию изготовления зубчатого колеса обычным способом механической обработки и методом порошковой металлургии. Изготовление 1000 колёс обычным способом требует около 30 часов работы квалифицированного рабочего, тогда как изготовление методом порошковой металлургии занимает всего 10 часов работы рабочего средней квалификации.

Наряду с преимуществами следует упомянуть недостатки порошковой металлургии, которые затрудняют и ограничивают её применение. К основным недостаткам следует отнести высокую стоимость металлических порошков — особенно с учётом того, что при изготовлении изделий из металлических порошков содержащиеся в них примеси переходят в изделие, поэтому необходимо применять порошки наивысшей чистоты, — и отсутствие простых способов получения порошков сплавов: сталей, бронз, латуней и т. д. Изделия из металлических порошков вследствие своей пористости обладают повышенной склонностью к окислению; причём окисление может происходить не только на поверхности, но и по всему объёму изделия. Продукция порошковой металлургии обладает сравнительно низкими пластическими свойствами — ударной вязкостью и удлинением. Из-за высокой стоимости пресс-форм невыгодно изготавливать изделия малыми партиями. Вследствие специфических трудностей прессования порошков размеры и форма производимых изделий ограничены.

Роль порошковой металлургии в технике всё более расширяется. Объём выпуска порошково-металлургической продукции в настоящее время невелик — около 0,1 процента мирового производства металла, — но эта цифра не даёт правильного представления о значении порошковой металлургии в технике ни с точки зрения качества производимых материалов и изделий, ни с точки зрения расхода металла на единицу продукции. Так, 1 кг изделий из железного порошка эквивалентен 2–4 кг литого металла благодаря отсутствию потерь металла в стружку при обработке, меньшей удельной массе и т. д.; 1 кг твёрдых сплавов для режущего или прессового инструмента заменяет 10 кг высоколегированной инструментальной стали.