Порошковая металургия (ПМ). Роль ПМ в НТР.

ПРЕДИСЛОВИЕ

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. 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 — вюртцитопо- добного 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.

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 техникоэкономической 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. Основными направ­лениями экономического и социального разви­тия СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года, утвержденными XXVI съездом КПСС, для получения изделий с повышенной износостой­костью, долговечностью, коррозионной стой­костью, а также для снижения трудоемкости и металлоемкости машин и механизмов предусмот­рено увеличение производства металлического порошка в 3 раза.

Используя некоторые порошковые материалы в качестве катализаторов или прямых реагентов, можно будет наиболее эффективно проводить химическое аккумулирование солнечной энергии в продуктах парогазовой конверсии в смесях водорода с оксидом углерода или чистого водо­рода. Это тем более важно, что уже в настоящее время перед человечеством встает глобальная проблема постепенного исчерпания энергетичес­ких и материальных ресурсов Земли, а зна­чит — острая необходимость их экономичного

расходования или замены. Предстоит большой объем научных разработок в области изыскания материалов порошковой металлургии для атом­ных реакторов на быстрых нейтронах и для бу­дущих энергетических установок термоядер­ного синтеза, где эти материалы будут, ви­димо, особенно перспективными.

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.