Порошковая металлургия

Сб, 03/01/2014 - 20:36

Вольфрамовая нить крупным планом

Прочные высокоточные детали, изготовленные методом порошковой металлургии

Высокопрочное сверло — продукт порошковой металлургии



В далекие 60-е годы в нашей школе на уроках труда изучалось слесарное дело. Однажды, получив очередной циркуляр от министерства образования, преподаватель, учивший нас слесарить, поспешил, согласно инструкции, занять нас техническим творчеством. Мне с напарником «выпала честь» изготовить мощные ножницы для резки металла. Режущими деталями должны были стать рессоры от грузовика. Для этого нужно было по шаблону высверлить заготовки этих деталей. Перемычки разрубить зубилом. И начались наши мучения. Сверла, которые выдавал нам преподаватель, ломались после первого же отверстия. После того, как мы узнали, откуда у нас растут руки и кто мы вообще такие, сверла стали доживать до пятой дырки. В конце концов, так и не закончив высверливание первой выкройки, преподаватель был вынужден прекратить наши мучения. Запас сверл кончился.
Есть мудрая народная пословица: «скупой платит дважды»...

Металлургия стали как производство возникла примерно три с половиной тысячи лет назад в районе Суэцкого залива (Сирия, Египет). Железо в те времена получали так называемым сыродутным процессом. Температура, достигаемая в этом процессе, не позволяла получить расплавленный металл. Губчатая масса проковывалась, из нее «выжимались» примеси, отдельные кусочки чистого железа сваривались в единый монолитный слиток. Эти технологические приемы можно считать предшественниками порошковой металлургии. Шло время, металлургия совершенствовалась. На рубеже ХIII и ХIV вв. н. э. получило развитие получение стали путем рафинирования чугуна: началась эпоха ее массового производства. О сыродутном процессе забыли. 1855 г., 1864 г., 1877 г. (бессемеровский, мартеновский, томасовский) — один за другим изобретаются процессы, позволяющие производить просто ошеломляющее количество стали. Металлургические заводы превращаются в монстров, потребляющих бессчетное количество сырья, топлива, рабочей силы. И наконец — открытие электродугового процесса (1900), затем кислородно-конверторного (1952) привели к тому, что заводы стали выпускать миллионы тонн стали в год, а сами занимать площади, сравнимые с городскими. Ночью над этими монстрами полыхает огненное зарево, днем они окутываются дымом самых причудливых цветов: от ядовито-желтого до ржаво-бурого. Жить рядом с такими заводами становится вредно для здоровья.

«Пусть будет больше чугуна и стали на душу населения страны». Может быть, изобилие дешевой стали и породило самые кровавые войны, которые уносили миллионы этих душ в могилу.
Двухступенчатый процесс производства стали, когда сначала мы из руды получаем чугун, а потом из чугуна выплавляем сталь, при всех своих достоинствах обладает рядом серьезных недостатков. Ведь что мы делаем. Сначала, как и в сыродутном процессе, восстанавливаем из руды железо. И тут же в доменной печи начинаем нашпиговывать его нужными и ненужными примесями. Углерод, марганец, кремний и абсолютно нежелательные сера и фосфор. Затем в сталеплавильном цехе принимаемся все эти примеси выжигать кислородом. Опять же и нужные, и ненужные. Полупродукт, который льется из конвертера или мартеновской печи — это пока еще не сталь. В нем нет нужных элементов, зато в избытке растворенного в металле кислорода. Сталь, говорят сталевары, надо раскислить. Забрать из металла лишний кислород, а заодно и добавить необходимые легирующие элементы. И вот тут-то сталеплавильщикам и приходится считаться с недостатками традиционной металлургии. Некоторые легирующие элементы (марганец и кремний) хорошо усваиваются сталью, а другие, такие как титан или алюминий, почти полностью переходят в шлак. Третьи, хотя и не переходят полностью в шлак, зато в металле ведут себя не лучшим образом, например, образуют ликвационные области. Плюс ко всему, легирующие элементы, которые забрали у стали кислород и превратились в комочки шлака, не всегда успевают всплыть на поверхность и образуют в твердом металле так называемые «неметаллические включения», которые существенно ухудшают ее качество.

Традиционная металлургия оказалась зажата в тисках своих собственных технологических приемов. Многие металлы оказалось невозможным сплавить друг с другом в тех пропорциях, когда они наиболее эффективно объединяют свои свойства. А некоторые металлы традиционная металлургия соединить абсолютно не в силах.

Конечно, процессы и приемы совершенствовались, особенно в электрометаллургии, но со временем ясно обозначились пределы для всех этих мелких и малосущественных разработок.
Наличие мощной, но очень инертной отрасли, производящей гигантское количество недорогой, хотя зачастую и низкокачественной продукции, тормозило развитие очень перспективного направления, которое едва угадывалось в позабытом всеми сыродутном процессе.

Порошковая металлургия. Основоположником ее считается П.Г. Соболевский, который совместно с В.В. Лобарским в 1826 году разработали технологию получения изделий из порошка платины. В 1910 году было налажено промышленное производство вольфрамовых нитей накала для электрических ламп (Кулидж, США). А ведь температура плавления этого тугоплавкого металла составляет 3400° С! Несмотря на то, что современная техника (дуговое плавление, электроннолучевое плавление и др.) позволяет теперь расплавить любые металлы, тем не менее большая часть тугоплавких металлов и сейчас производится методами порошковой металлургии.

Конечно, молодой отрасли оказалось не так-то просто конкурировать с монстром, завалившим весь мир своей дешевой, хотя и низкокачественной продукцией. Не каждый сразу поймет, что лучше купить одно дорогое сверло, которое прослужит много лет, чем пачку дешевых, каждое из которых сломается максимум после пяти отверстий. Выглядят-то они все одинаково. И кто-то уже продолжил пословицу: «Скупой платит дважды, тупой платит трижды...»

И все же новая отрасль металлургии нашла нишу: изготовление новых, необычных материалов, которые можно получить только методами порошковой металлургии.

Важная группа материалов, которые можно получить исключительно методами порошковой металлургии — это пористые металлы, сплавы и композиции (на основе железа, железографита, бронзы и нержавеющей стали). Обычно эти спеченные материалы содержат около 15–30% (объемных) пор. Преимущество пористых спеченных материалов для подшипников — наличие аварийной смазки в порах («самосмазываемость») и хорошая прирабатываемость в эксплуатационных условиях за счёт деформации объема пор. Как обычно, новый материал для каких-то определенных нужд со временем начинает находить себе применение во все новых и новых областях промышленности. Сфера применения пористых материалов тоже не ограничилась подшипниками. Вскоре из этих материалов начали делать металлические фильтры для тонкой очистки жидкостей и газов от различных примесей. Появились пористые материалы для топливных элементов, для антиобледенительных устройств в самолетах, для преграждения распространения пламени во взрывоопасной атмосфере. Понравились конструкторам эти материалы и для изготовления элементов, служащих для транспортировки сыпучих материалов в «кипящем слое» (т.е. во взвешенном состоянии), для химических реакторов, а также для изготовления деталей, поглощающих звук и вибрацию. В 70-е годы разработаны теплообменные металлические трубы с пористым слоем из порошков меди, никеля, нержавеющей стали.

Другая, не менее важная группа спеченных композитов — электротехнические порошковые материалы. Контактные — для многократного размыкания и замыкания электрических цепей. Их изготовляют из порошковых сплавов на основе меди, серебра, никеля, железа с добавками графита или нитрида. Магнитомягкие и магнитотвердые материалы производятся из кобальта, никеля, алюминия, железа. Магнитодиэлектрики — изготавливаются из ферромагнитных металлических порошков, распределенных в диэлектрической связке. Диэлектрик образует на частицах ферромагнетика сплошную изолирующую пленку достаточной прочности, твердости и эластичности, одновременно обеспечивая их механическое связывание. Порошковые электропроводящие материалы сейчас совершенно незаменимы в электротехнике и электронике. Не будь электротехнических порошковых материалов, мы не имели бы сейчас тех чудес миниатюризации, которыми активно пользуемся.

Фрикционные порошковые материалы используют в узлах, передающих кинетическую энергию. Эти материалы обладают высокой износостойкостью, прочностью, теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью. Они состоят из металлического и неметаллического компонента. При этом металлическая составляющая обеспечивает высокую теплопроводность и прирабатываемость, а неметаллическая (SiO2, Al2O3, графит) повышает коэффициент трения и уменьшает склонность к заеданию.

В ядерной энергетике порошковые материалы (B, Hf, Cd, Zr, W, Pb и их соединения) используют в качестве поглотителей, замедлителей. Из них изготавливают регулирующие стержни. Из порошков изготавливают также твэлы (топливные элементы, в которых находятся порошки диоксида, карбида и нитрида урана и порошки тугоплавких соединений других трансурановых элементов).

И, наконец, те самые пресловутые сверла. Их, а также массу других инструментов — для фрезеровки, штамповки, обработки давлением, для бурения горных пород — изготовляют из порошковых твердых сплавов. Эти сплавы состоят из тугоплавких карбидов и пластичного металлического связующего. Подразделяются на содержащие карбид вольфрама или его твердые растворы с другими карбидами и безвольфрамовые, в основном на основе карбида титана. Эти инструменты по твердости, прочности и износостойкости в разы превышают сделанные традиционными методами.

Кроме того, что методами порошковой металлургии можно получить совершенно новые материалы, они и в области традиционных сплавов дают более высокие технико-экономические показатели. К примеру, при изготовлении деталей литьем или при обработке резанием иногда до 60–80% металла уходит в отходы в виде литников или стружки; при формовке деталей из порошка отходов практически нет. Следует также отметить, что при использовании чистых исходных порошков получаются материалы с предельно точным соответствием заданному составу и с минимальным количеством вредных примесей. Но даже при одинаковом составе у спеченных материалов свойства выше, так как меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентировки (текстуры), которая встречается у ряда литых металлов, также отсутствует неоднородность локального состава, так называемая ликвация. Размеры и форму структурных элементов спеченных материалов легче регулировать и, главное, можно получать такие типы взаимного расположения и формы зерен, которые недостижимы для плавленого металла. Благодаря этим структурным особенностям спеченные металлы более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжений, а также ядерного облучения, что очень важно для новой техники.

Итак, что же это за совокупность способов, которые позволяют достичь столь фантастических свойств? Технология порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: получение исходных металлических порошков, формование смесей в заготовки и собственно спекание.

Получение порошков — это целый спектр самых разнообразных механических и физико-химических методов. Вот некоторые из них: механическое измельчение материала в разнообразных мельницах, распыление жидких металлов газом, восстановление оксидов металлов углеродом, водородом или углеродсодержащими газами, электролиз водных растворов или расплавов, синтез металлоподобных соединений из простых веществ. При этом получаются частицы самой разнообразной величины и формы. Порошки смешиваются, иногда к ним добавляется пластификатор — и вот перед вами уже не порошок, а тестообразная масса.

Пластификаторы должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой смачивающей способностью и выгорать при нагреве без остатка.
Следующий технологический шаг — формование, оно же компактирование — это получение полуфабриката, приближающегося к конечному изделию. При этой технологической операции из сыпучего вещества получают пористый компактный материал, обладающий достаточной прочностью для последующих операций.

Основные виды этой технологической операции: прессование (изостатическое, в металлических матрицах, взрывное, инжекционное, мундштучное и т.д.), прокатка, шликерное литье. Может осуществляться как при комнатных температурах, так и при высоких температурах.

Спекание. Эту операцию, как правило, проводят в защитной или восстановительной среде. Иногда в вакууме. Температура спекания должна составлять 70-80% от точки плавления, а для многокомпонентного сплава — несколько выше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Защитная среда подбирается таким образом, чтобы не допустить нежелательного загрязнения продукции (копоти, карбидов, нитридов, окислов и т. д.), предотвратить выгорание отдельных компонентов и обеспечить безопасность процесса спекания. Конструкция печей для спекания предусматривает проведение не только нагрева, но и охлаждения продукции в защитной среде. Спекание и прессование могут быть совмещены в одном процессе (спекание под давлением, горячее прессование).

Кроме основных операций, существуют и дополнительные. Наиболее часто встречается пропитка жидкими металлами. Это особенно актуально при изготовлении электроконтактных и некоторых конструкционных материалов. Жидкий металл или сплав заполняет сообщающиеся поры заготовки из тугоплавкого компонента. После этой операции деталь приобретает прочность каркаса и вязкость пропитки. Определенная группа изделий подвергается пропитке маслом, химико-термической обработке. Кроме этого, дополнительные технологические операции используют для достижения высокой чистоты поверхности и достижения необходимой точности размеров. Это механическая обработка и калибровка.

Одним из достоинств порошковой металлургии является ее открытость для новых и новых разработок.

Вот, скажем, интернетовская рекламка: ЗАО «Новомет» поставляет заготовки рабочих органов погружных центробежных насосов для добычи нефти. Методом порошковой металлургии изготавливаются детали особо сложной формы, содержащие внутренние полости. Спрессованные заготовки склеиваются (!), а затем спекаются. Все детали во время спекания пропитываются медным расплавом. Полученные подобным способом рабочие органы насосов практически не подвержены гидроабразивному износу и имеют очень большой срок службы в скважинах с особо тяжелыми условиями работы. Эта же фирма изготавливает и подшипники для центробежных насосов, которые нечувствительны к ударным нагрузкам и вибрации.

Хочется отметить, что на подобных фирмах трудится больший в процентном отношении штат исследователей, чем в традиционной металлургии. К примеру, одна из множеств немецких фирм, занимающихся изготовлением изделий методами порошковой металлургии — «Кеннаметал», имеет исключительно мощную исследовательскую группу, отлично оснащенную лабораторию, и это позволяет ей строить новые и новые предприятия по всему миру и постоянно расширять ассортимент выпускаемой продукции.

Известно, что конец ХХ века и начало ХХI века — это начало эпохи глобализации. С одной стороны, товары, произведенные на одном конце земного шара, легко перемещаются на другой конец земного шара. В то же время существует другая тенденция — изготавливать все, что возможно, на месте. Возможно, что в прогнозируемом будущем перемещать на большие расстояния будет выгодно только сырье, продукты питания и туристов. В связи с этим возрастет роль мини-заводов и современных высокотехнологичных процессов. Заводы, производящие продукцию методами порошковой металлургии — это небольшие компактные строения с минимумом персонала, небольшой нагрузкой на окружающую среду. Персонал их может быть от 40 до 300 человек. Если создание классических заводов (комбинатов) черной и цветной металлургии — требует миллиардных вложений, колоссальных затрат человеческого труда, при этом строительство затягивается на годы и годы, а в случае их закрытия целые регионы остаются без работы, то мини-заводы порошковой металлургии могут быть обустроены в любом стандартном промышленном здании, также легко свернуты и перенесены в другое место. Для их обустройства не требуется значительных капиталовложений, а при достаточно умной маркетинговой политике они могут очень быстро начать приносить прибыль. Причем мини-завод может не включать в себя весь цикл. Покупая порошки у централизованного поставщика и передавая заготовки для чистовой отделки сотрудничающим фирмам, достигается очень высокая рентабельность и исключительная гибкость.

Конечно, в области производства дешевой продукции в больших объемах (листовой прокат из низкоуглеродистой стали, трубы и т.д.) порошковая металлургия не может конкурировать с традиционной металлургией. Но ведь это молодая, стремительно развивающаяся отрасль, и при дальнейшем развитии техники она будет находить все новые и новые области применения. И если новые металлургические гиганты, скорее всего, нигде в мире больше уже не будут строиться, то заводы порошковой металлургии (а в будущем просто заводы, изготовляющие композиционные материалы из самых различных металлов и неметаллов) будут строиться на всех континентах.

Другие материалы рубрики


  • ...К моменту создания службы скорой помощи Дарья Диевна была уже хорошо известна харьковчанам своей просветительской и благотворительной деятельностью: по ее инициативе была создана женская гимназия. Для сбора средств для скорой помощи Оболенская предложила проводить массовую благотворительную акцию под названием “День лилового цветка”. К этому празднику члены Дамского комитета организовывали изготовление искусственных фиалок. Согласно народному поверью этот цветок ассоциируется со скромностью или смирением (фиалки в сценах поклонения волхвов символизируют целомудрие Девы Марии и кротость Младенца Иисуса Христа), а цвет фиалок, образующийся из смеси голубого и красного цветов, традиционно символизирует духовное начало, связанное с жертвенной кровью...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Появление в мире нейл-дизайна моды на покрытие ногтя гель лаками случилось не так много лет назад, но стало настоящей революцией в техниках маникюра, предоставив достойную альтернативу обычному покрытию эмалью.



  • Северный полюс — точка, в которой воображаемая ось протыкает земную поверхность в северном полушарии — находится в самом сердце Ледовитого океана, в районе, практически равноудаленном как от североамериканского, так и евразийского побережья. Но морские волны здесь не бушуют. Океан покрыт панцирем многолетних нетающих льдов. Долгие годы полюс оставался недоступным для людей. Льды вставали непреодолимой преградой на пути кораблей. Льды приходили в движение и громоздили непроходимые горы-торосы перед собачьими упряжками, тянущими нарты. Внезапно разверзающиеся во льдах трещины поглощали целые экспедиции.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Человек всегда был охотником. Он убивал, чтобы жить. Для наших пращуров добыча кита была событием, которое заносилось в сказания. Кит являлся горой мяса и жира, которая означала, что дети несколько месяцев не станут плакать от голода, а в жилищах будут свет и тепло. Во многих частях света приморские селения, а порой и целые народы, существовали за счет китового промысла. Быть китобоем означало не просто ремесло. Для того чтобы сразиться с таким огромным зверем, требовались огромная физическая сила и выносливость, кроме того — находчивость и бесстрашие. Романтика старинного китобойного промысла воспета в книгах, на гравюрах и картинах, где суровые богатыри-китобои предстают своеобразными «рыцарями», побеждающими «морское чудовище».
    У самих китобоев киты вызывали невольное уважение и восхищение.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • ...28 мая - ровно через год после кульминации восхождения с Ламбером - Тенцинг и Хиллари начинают свой бросок к вершине. Их задача существенно легче, чем у Эванса и Бурдиллона: до отметки 8500 метров их сопровождают Лоу, английский альпинист Фредди Грегори и шерп Анг Ньима, которые несут кислородные баллоны, палатку и продукты. На этой высоте разбивают самый высотный из всех существовавших прежде альпинистских лагерей, и Хиллари с Тенцингом остаются вдвоем. Переночевав, в 6 часов 30 минут утра 29 мая они выходят на последний штурм. Единственный груз - 14-килограммовые кислородные аппараты. В девять часов утра альпинисты достигают Южной вершины, и до цели остается лишь сотня метров. Последнее препятствие - 12-метровая скальная стенка, - и только пологий снежный откос отделяет их от самого высокого места на Земле...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Бухгалтерский учёт появился примерно 6 веков назад. В древности он имел другое название – "тайна богов". В то время в Вавилоне для "системы учёта" использовали таблички из глины, в Египте-папирус, в Риме – таблички из воска. Только во втором веке нашей эры, с появлением бумаги учёт стали вести на ней.
    С развитием в 13-14 веках системы двойной записи, где каждый счёт учёта имеет две стороны (дебет и кредит), в любой момент времени уравновешивающие равенство, возможность развития частных капиталов получила поддержку в виде осуществления документированного контроля за средствами. Данный принцип использовался в центрах торговли Северной Италии, где в годы её Возрождения и получил название сам термин "бухгалтерский учёт".



  • «Варяг», «Аврора», «Титаник»… Знаменитые названия этих кораблей знает каждый. А слышали ли Вы, уважаемый читатель, о корабле Т-36? Хотя это даже не корабль, а так, самоходная баржа, не удостоенная имени собственного, морской грузовичок, задача которого — доставлять на берег груз с крупных кораблей. Возможно, люди постарше вспомнят что-то об этом суденышке, если назвать четыре фамилии: Зиганшин, Поплавский, Федотов, Крючковский. Хотя и они формально не являлись моряками, а были военными строителями, приписанными к пограничной заставе. Маленький самоходный катер, четыре молодых бойца, один из которых был младшим сержантом, а остальные и вовсе рядовыми… Все как-то незначительно, что же такого могли сделать эти четверо, чтобы навеки вписать свои имена в историю? А между тем в начале 1960-х годов каждый житель Советского Союза знал, кто такие Зиганшин, Поплавский, Федотов, Крючковский. Мало того, их имена гремели и по ту сторону океана, в стане «главного идеологического врага» подвигом советских матросов восхищались не меньше, чем на родине. И еще — пускай невольно, но четверо простых матросов сделали для сближения двух супердержав, СССР и США, едва ли не больше, чем многочисленные делегации политиков и дипломатов…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • В сентябре этого года были объявлены итоги международного конкурса под названием
    Land Art Generator Initiative, в котором приняли участие проекты, включающие в себя объединение решений новой энергетики с достижениями на дизайнерском поприще. В число финалистов конкурса вошёл интересный проект, созданный американским дизайнером Абдулазизом Халили и его группой Khalili Engineers под названием The Pipe (от англ.труба). Это инновационный опреснитель воды, осуществляющий работу при помощи солнечных батарей



  • 11 ноября 1774 г. российский посланник в Лондоне А.С. Мусин-Пушкин направил Первоприсутствующему в Коллегии иностранных дел Российской империи графу Н.И. Панину следующее послание: «Сиятельнейший граф, милостивейший государь! Вчера полученные здесь из Америки письма подтверждают доказательнейшим образом сколь твердое, столь и единогласное почти тамошних жителей намерение не повиноваться никаким таким повелениям, кои хотя бы мало клонились к утверждению над ними права здешнего законодательства; формально отказывают они ген. Гендже не только все для войск под командою его самонужнейшие надобности, но и самых простых работников, потребных для строения казарм. Генеральным в Филадельфии конгрессом решено уже не вывозить сюда никаких американских товаров, а здешних тамо не принимать. Город же Бостон, со всех сторон запертый, снабдевать достаточно всем потребным.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Одним из важных направлений деятельности концерна было производство сухопутных артиллерийских орудий. Krupp производил противотанковые орудия (Pak43/41), 150-мм гаубицы образца 1918 г., осадные 211-мм орудия (К-38). Изготовление огромных пушек, используемых для разрушений фортификационных узлов противника, было одной из прерогатив Krupp наряду с другой немецкой фирмой Reinmetall-Borsig («Рейнметалл-Борзиг»). Последней были изготовлены 6 самоходных 600-мм орудий «Карл». На заводах Krupp были созданы два 807-мм орудия особой мощности — «Дора» и «Густав». Эти пушки, весившие 1344 тонны, были смонтированы на железнодорожных платформах и могли перемещаться только по двум параллельным железнодорожным колеям. Их использовали как мощное средство психологического устрашения и как осадные орудия. Ко всем видам пушек Krupp огромными партиями выпускались боеприпасы...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5