Порошковая металлургия

Задумывались ли вы над тем, как трудно делать металлические детали сложной формы или с большим числом отверстий? Сколько времени потребовалось бы, например, для того, чтобы из металлического кружка сделать шестерню или фланец, то есть, устранить металл из тех мест, где должны быть промежутки между зубцами, или отверстия? А сколько ценного материала тратится при этом впустую, уходит в стружку!

Есть, однако, метод, который позволяет делать такие детали быстро и почти без потерь материала. Это метод прессования и спекания металлических порошков. Самое интересное, что эта, одна из наиболее современных в настоящее время технологий, была известна уже несколько тысяч лет тому. Разумеется, тогда не применялись сложные машины и устройства, однако, принцип был тот же.

Производство деталей машин из металлических порошков происходит в несколько этапов. Сначала изготовляется исходный материал для дальнейшей обработки - металлический порошок, гранулы которого, имеют от нескольких до десяти с лишним микрометров. Этот порошок получают в результате механического измельчения металлов в специальных мельницах, распыления жидких металлов, химического восстановления окислов металлов, а также в результате электролиза, то есть, осаждения порошка на катоде из растворов солей металлов. Каждый из перечисленных методов, позволяет получить гранулы разной формы: у одних форма шариков, у других - пластинок, у третьих - пушистых хлопьев.
С металлическими порошками дело обстоит, примерно, так же, как с мукой. Если из разных сортов муки можно приготовить разные виды теста, лишь незначительно изменяя состав компонентов или их количество, то и из порошков металлов разного химического состава, размера и формы гранул изготовляют детали, обладающие разными свойствами (механическое сопротивление, твердость, коэффициент трения, устойчивость к коррозии, электрические и магнитные параметры).

Именно поэтому, применяются не однородные порошки, а смеси порошков различных металлов в соответствующих пропорциях, и порошков, полученных разными методами. Неметаллические примеси, содержащиеся в порошковой смеси, влияют не только на свойства изделий, но и на характер последующих операций.
Так, например, графит, находящийся в порошке железа, снижает трение между гранулами порошка, а также между прессуемой деталью и стенками формы. Эта примесь уменьшает, таким образом, силу, необходимую для формования деталей из порошка и повышает срок службы инструментов.

Металлические порошки производятся на специальных предприятиях. На заводах, изготовляющих детали из порошков, компоненты смеси взвешиваются и перемешиваются в специальных мельницах, после чего проводится формование деталей.
Но как из сыпучего порошка делаются детали определенного вида? Это достигается разными способами, однако, в промышленности наибольшее распространение получило - прессование профилей в металлических формах.
Как выглядит такая форма? Основные части формы - матрица с отверстием, размеры и форма и которого, определяют размеры и сечение изготавливаемого, прессуемого профиля, и нижний и верхний пресс-штемпели.

Как происходит процесс прессования? Как только засыпное устройство наполнит матрицу порошком, передвижные пресс-штемпели, входящие в нее сверху и снизу, сдавливают порошок, передавая на него давление 20-80 кг/см2. Благодаря такому сильному давлению - получается прессовка, то есть деталь, полученная путем прессования.
Она настолько прочная и плотная, что ее можно без опаски вытолкнуть из матрицы с помощью одного из пресс-штемпелей. Засыпное устройство, передвигаясь для очередного наполнения матрицы порошком, сбрасывает прессовку в сторону. Автоматический пресс, в котором находятся формы, повторяет описанные операции непрерывно с частотой до 1000 и более раз в час. Порошок, сдавливаемый в матрице пресс-штемпелями, подвергается обжатию. Однако, даже тогда, когда применяются очень большие силы, в полученных профилях под микроскопом можно заметить воздушные канавки и пустоты. Это явление называется пористостью. В связи с наличием пор, удельный вес деталей, полученных из порошков, всегда меньше, чем удельный вес деталей, изготовленных литьем. В некоторых случаях пористость - желательное свойство. Так, например, в самосмазывающихся подшипниках, поры, которые занимают значительную часть объема подшипника, наполняются маслом, что значительно снижает трение. Детали же, работающие под нагрузкой, должны иметь как можно меньшую пористость, то есть, обладать высоким механическим сопротивлением.
Пористость деталей можно уменьшать или увеличивать, благодаря подбору соответствующего давления при прессовании (чем выше давление, тем ниже пористость), а также подбирая величину гранул компонентов порошковой смеси (маленькие гранулы могут заполнять поры, образованные между крупными гранулами).

Следующая операция в процессе изготовления деталей из порошков - спекание. Она напоминает обжиг кирпича. Температура спекания равна примерно 3/4 температуры абсолютной точки плавления основных компонентов порошковой смеси.

В печи происходит спекание металлических гранул порошка. Этим значительно повышается плотность и механические свойства деталей. После охлаждения, прессовки с низкой пористостью обладают почти такими же свойствами, как аналогичные детали из литья. Их можно считать готовыми к употреблению. Так из металлических порошков изготовляют детали машин, весом от нескольких граммов до не скольких килограммов.
Если детали должны отличаться особенно высокими свойствами, то после спекания они подвергаются дополнительной обработке. Например, более высокое качество поверхности и более точные размеры детали из спеченного металла, можно получить путем калибровки, то есть, проталкивания деталей через специальные матрицы. Снизить пористость и повысить механические свойства, можно благодаря вторичному прессованию и спеканию. Для противокоррозионной защиты и отделки деталей применяется гальваническая обработка. Изменение электрических свойств, коэффициента трения, а также коррозиеустойчивость достигаются путем пропитки пористых деталей металлическими сплавами, маслами или пластмассами. Детали, спеченные из порошков, подвергаются обработке резанием: точению, сверлению, шлифовке, нарезке. Таким образом удается получить подрезы и отверстия с осями, непараллельными к направлению прессования.

Сейчас трудно найти такую область техники, где не применяются детали, изготовляемые из порошков. Шестерни, фрикционные накладки сцеплений, подшипники скольжения, рычаги, прокладки, фильтры применяются в автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, велосипедах, канцелярских машинах, бытовых приборах. Из металлических порошков изготовляются решетки мясорубок и детали швейных машин, строительные элементы и детали станков, огнеупорные части авиационных двигателей и ракет, лопасти турбин, детали химической аппаратуры и оружия, корпусы часов и фильтры для очистки жидкостей и газов.

Такое широкое применение и бурный рост производства деталей из металлических порошков, объясняется многочисленными преимуществами этой технологии. Вы только подумайте, какую экономию материала это дает!

Вес стружек при обработке резанием доходит, иногда, до половины веса изделия. Потери порошка составляют, только несколько сотых веса детали. Пресс-форма, обслуживаемая одним работником, в несколько секунд дает изделие, которое при обработке резанием, изготовляется десять с лишним или даже несколько десятков минут, а в печи можно спекать одновременно много деталей.
Благодаря этому, снижаются издержки по производству деталей, причем тем больше, чем сложнее форма и чем крупнее серия изделий. Нельзя забывать о том, что таким методом можно получать детали, обладающие особыми свойствами. Порошковая металлургия позволяет осваивать крупные серии точных изделий, изготовление которых другими методами, было бы делом невыгодным или вообще - невыполнимым.