Лекция № 37.

Совершенствование технологических процессов в порошковой металлургии

Основные направления развития порошковой металлургии связаны прежде всего с преодолением затруднений в осуществлении процесса литья тугоплавких редких металлов (вольфрама, молибдена, тантала и др.) и с возможностями производства порошковых материалов и изделий со специфическими свойствами, недостижимыми другими технологическими способами (прежде всего литьем с последующей механической обработкой) типа композитов вольфрам-медь, твердых сплавов и сверхтвердых материалов, пористых подшипников, фильтров и пр.

Метод порошковой металлургии позволяет изготавливать многие типы изделий (например, детали машин и приборов) из обычных материалов и с обычным уровнем свойств, но с лучшими технико-экономическими показателями производства по сравнению с традиционной технологией. Многочисленные расчеты показывают, что при изготовлении 1000 т порошковых изделий взамен получаемых из литых металлов высвобождается до 2000-3000 т проката, а экономический эффект может составить 1-10 млн долл. в основном за счет сокращения потерь материалов до 5-7% (при металлообработке литья и даже проката в стружку теряется до 60-70%, а иногда и более) и увеличения коэффициента использования металла в 2-3 раза, высвобождения до 100 металлорежущих станков и 150-200 рабочих, снижения трудоемкости производства (вместо 30-40 производственных операций всего 4-6) и требуемого уровня квалификации рабочих при увеличении производительности их труда в 2-2,5 раза; существенно (до 50-90%) уменьшаются энергозатраты на выпуск единицы продукции.

В социальном аспекте порошковая металлургия способствует снижению загрязнения окружающей среды газами, вредными выбросами и шлаками, т. е. обеспечивает бóльшую экологическую чистоту производства. Она практически не имеет альтернативы при получении нового поколения керамических и композиционных материалов, с разработкой и промышленным применением которых все больше связывают дальнейший прогресс в области материаловедения XXI в.

Наконец, важной задачей, решаемой порошковой металлургией, является производство металлических порошков, предназначенных для непосредственного использования (краски, пиротехнические и взрывчатые смеси, катализаторы, сварочные материалы и др.), в том числе для упрочнения и защиты от коррозии деталей машин и приборов методами напыления (коррозия ежегодно «съедает» десятки млн т металла, принося убытков на сотни миллиардов долларов).

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: получения металлического порошка или смеси порошков разнородных материалов, формования, спекания (нагрев) и дополнительной обработки (механической обработки, калибрования, термической и химико-термической обработки и др.) порошковых заготовок и изделий. В производственной и исследовательской практике нередко встречаются отклонения от этой совокупности элементов технологии (например, процессы формования и спекания можно совместить в одной операции). Однако использование в качестве исходного порошкообразного вещества и применение нагрева при температуре ниже точки плавления его основного компонента остаются неизменными в любом из вариантов технологии порошкового материала или изделия.

На пути развития порошковой металлургии встречаются трудности, ограничивающие расширение ее применения в различных отраслях техники. Это прежде всего сравнительно высокая стоимость металлических порошков в сравнении с литым металлом (сплавом) и инструмента (оснастки) для формования заготовок из них. Последнее обстоятельство во многих случаях делает экономически выгодным лишь крупномасштабное производство порядка десятков и даже сотен тысяч изделий одного типоразмера. Весьма затруднено достижение узких размерных допусков и высокой чистоты поверхности порошковых деталей. Зачастую свойства металлических порошков не позволяют получать изделия из них с требуемым комплексом служебных характеристик. К тому же, до сих пор производимые порошковые материалы по составу, а детали по конфигурации в основной массе представляют собой копию того, что создается методами литья, прокатки и последующей обработки на станках. Это в значительной мере снижает эффективность перехода на метод порошковой металлургии, в связи с чем важнейшей остается задача научно обоснованного конструирования порошковых материалов и изделий и разработка рациональной технологии их изготовления, обеспечивающей высокие физические, механические и эксплуатационные свойства не только отдельных деталей, но и конструкций в целом.

Современный этап развития порошковой металлургии характеризуется процессом неразрывного обогащения ее новыми идеями, углублением теоретических основ процессов, составляющих ее сущность, расширением сферы применения порошковых материалов и изделий. Развитие порошковой металлургии продолжается как в области совершенствования существующих и разработки новых технологических процессов, так и в области создания новых материалов.

В настоящее время получено новое поколение керамических композитов – функциональных градиентных материалов.

Керамика – это наиболее древний материал, произведенный человечеством. Наличие естественного сырья (глины) предопределило более чем 7000-летнюю историю использования керамических изделий в быту и технике. С развитием общества требования к новым изделиям возрастают, что, в свою очередь, определяет требования к исходному сырью для них.

Постепенно улучшались технологии получения силикатных материалов, вводились процессы размола, классификации сырья. И пока запросы потребителей удовлетворялись свойствами силикатной керамики, не было необходимости синтезировать сырьевые материалы. С появлением керамических материалов на основе чистых оксидов такая необходимость возникла.

До настоящего времени все керамические материалы можно было классифицировать как «Классическая керамика» и «Специальная керамика». С классической керамикой мы ежедневно сталкиваемся в быту, специальная керамика приобретает в машиностроении и электротехнической промышленности.

Более чем 60% специальной керамики используется как магнитные и электротехнические материалы, 25-26% составляет машиностроительная (конструкционная) керамика и 6-7% материалы для биохимических применений.

Основу рынка электротехнических материалов составляют диэлектрические подложки для интегральных схем и микросборок – 31%, а также различные чувствительные элементы на базе резистивных композитов (датчики, сенсоры) и варисторы (нелинейные резистивные материалы) – 25%.

Рынок бескислородной функциональной керамики существенно меньше по сравнению с оксидной керамикой. Здесь наибольшее распространение получили изоляционные материалы на основе нитрида алюминия (теплопроводные диэлектрические подложки) и резистивные материалы на основе карбида кремния (варисторы, балластные резисторы, нагреватели).

Это и определяет структуру рынка сырья для технологии специальной керамики. Большой объем производства карбида вольфрама связан с его использованием как электротехнического (материал мишеней)Ю так и конструкционного материала.

Уже ко второй половине 80-х годов реализуемая совокупность свойств керамических материалов не могла удовлетворять возросшие требования разработчиков новой техники. В это время была сформулирована новая концепция керамических материалов, свойства или функции которых не могли быть обеспечены при использовании традиционных методов. Они получили название функциональных градиентных материалов (ФГМ).

Принципиальное отличие новых материалов от традиционной специальной керамики определил тот факт, что функциональное свойство постепенно изменялось внутри тела керамического изделия при движении от одной поверхности к другой. Фирма STA (Japan) разработала новые ФГМ (для их использования в сверхзвуковых аппаратах), которые выдерживают перепад температур в 300-1000⁰ С (на одной стороне композита 700⁰ С, на другой – от 1000 до 1700⁰ С). Считается, что особый интерес представляет применение ФГМ для получения биоматериалов, для создания высокоэффективных энергоконверсионных систем, в частности для получения термоэлектрических материалов, которые при нагреве генерируют электрический ток или, пропуская электрический ток, генерируют тепло. К областям применения ФГМ относятся: химические и ядерные энергетические установки, оптика, электроника, бытовая и спортивная техника. Особую группу составляют ФГМ для релаксации напряжений в высокотемпературных узлах летательных аппаратов и ракет, а также для высокоэффективных преобразователей энергии (эмиттеров, термоэлектронных электродов). Материалы изготавливают в компьютеризированном технологическом процессе, где методами инжекционного формования, прессования, литься формируются слои из различных материалов, которые накладываются друг на друга на этапах получения заготовки.

1 Конвертер Калдо назван по имени его автора проф. Каллинга и родины этого процесса- г. Домнарвета (Швеция)

2 В сером чугуне углерод содержится в виде графита, в белом - в виде цементита, в половинчатом - в виде графита и цементита.

3 В - высокопрочные алюминиевые сплавы