Спечённые материалы
Спечённые материалы металлические, получают методами порошковой металлургии. Производство С. м. развивается в связи с рядом их преимуществ, по сравнению с металлическими материалами, получаемыми плавлением, Путём плавления трудно или даже невозможно производить металлические материалы с некоторыми особенностями химического состава (композиции из металлических и неметаллических материалов; псевдосплавы из металлических и неметаллических компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде, например железо - свинец, вольфрам - медь и др.). Только методами порошковой металлургии можно изготовить некоторые материалы с особыми физическими характеристиками и структурой (например, многие пористые металлы). С. м. можно производить не только в виде заготовок и полуфабрикатов, но и в виде готовых изделий, не требующих дальнейшей обработки резанием. В ряде случаев С.м. имеют более высокие свойства, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением (например, некоторые быстрорежущие стали и жаропрочные сплавы, бериллий и др.). Первые С. м. - платиновые изделия и полуфабрикаты (медали, чащи, тигли, проволока и др.) - были изготовлены П. Г. Соболевским и В. В. Любарским в 1826 (техника того времени не позволяла получать температуру выше 1770 ?С, необходимую для плавления платины). На рубеже 19 и 20 вв. были созданы первые тугоплавкие С. м. (например, вольфрам, tпл 3400 ?С), которые в то время не могли быть получены плавлением. Промышленные методы изготовления вольфрамовых нитей накала для электрических ламп были введены в 1910 (Кулидж, США), Современная техника (дуговое плавление, электроннолучевое плавление и др.) позволяет расплавить любые тугоплавкие металлы и сплавы, тем не менее большую часть тугоплавких металлов производят методами порошковой металлургии. Первые композиции из С. м., которые можно получать только методами порошковой металлургии (меднографитовые щётки для электромашинных генераторов и электродвигателей), были изготовлены около 1900. Во время 1-й мировой войны 1914-18 была разработана др. важная композиция - магнитодиэлектрики на основе ферромагнитных металлических порошков, распределённых в диэлектрической связке. Важное значение для прогресса техники имела разработка спечённых твёрдых сплавов(20-е гг., К. Шрётер, Германия). Контакты для электротехники из псевдосплавов и композиций на основе С. м. (вольфрам - медь, серебро - графит и др.) начали выпускать в 30-х гг. Композиции из С. м. на основе меди с оловом, свинцом (иногда цинком) с добавкой неметаллических компонентов, обычно окиси кремния, для фрикционных дисков производят с 1932. Фрикционные С. м. на железной основе начали разрабатывать в 40-х гг. Широко применяют алмазно-металлические композиции на основе алмазных порошков и крошки и металлических порошков (медь и её сплавы, вольфрамокобальтовые твёрдые сплавы, сплавы на основе вольфрама, меди и никеля и др.). Первые патенты на алмазно-металлические композиции были опубликованы в 1922. В промышленном масштабе производят композиции на основе С. м. для различных отраслей новой техники. Например САП (спечённая алюминиевая пудра) - С. м. на основе алюминия и его окиси(6-20%), по жаропрочности при 300-550 ?С превосходит плавленые алюминиевые сплавы. Важная группа С. м., которые практически можно получать только методами порошковой металлургии, - пористые металлы, сплавы и композиции (на основе железа, железографита, бронзы и нержавеющей стали). Обычно эти С. м. содержат около 15-30% (объёмных) пор. Изготовление пористых С. м. (для подшипников, фильтров и др.) было предложено в 1909 (Лёвендаль, англ. патент). Промышленное производство пористых С. м. для подшипников начато в середине 20-х гг. Преимущества пористых С. м. для подшипников - наличие аварийной смазки в порах ("самосмазываемость") и хорошая прирабатываемость в эксплуатационных условиях за счёт деформации объёма пор. В дальнейшем производство пористых С. м. для различных областей техники непрерывно прогрессировало (металлические фильтры для тонкой очистки жидкостей и газов от различных примесей; снарядные пояски из пористого железа, заменявшие медные во время 2-й мировой войны 1939-45; пористые С. м. для топливных элементов, для антиобледенительных устройств в самолётах, для преграждения распространения пламени во взрывоопасной атмосфере; пористые С. м. из металлических порошков или волокна для поглощения звука и вибрации; пористые элементы для химических реакций и транспорта сыпучих материалов в "кипящем слое",т. е. во взвешенном состоянии, и др.).В 70-е гг. разработаны теплообменные металлические трубы с пористым слоем из порошков меди, никеля, нержавеющей стали. В середине 30-х гг. началось массовое производство С. м. на железной и медной основе в виде точных деталей, не требующих обработки резанием, для различных отраслей машиностроения (автомобильная и тракторная промышленность, с.-х. машиностроение, производство бытовых машин, станкостроение и др.). К таким изделиям из С. м. относятся различные шестерни, зубчатые колёса, звёздочки, детали кулачкового механизма, рычаги, защёлки дверных замков, детали переключателей: детали электрических машин - коллекторные пластины, магнитопроводы постоянного и переменного тока из магнитомягких С.м.; постоянные магниты из С.м. на основе железа - никеля - алюминия (ални) и железа - никеля - алюминия - кобальта (алнико) и др. детали массового производства. Последняя по времени возникновения (но не по важности) группа С. м. в виде заготовок, полуфабрикатов и изделий - высококачественные С. м., которые по свойствам (прочность, жаропрочность, износостойкость и др.) превосходят плавленые металлы и сплавы аналогичного состава и назначения. У ряда литых сплавов в связи с крупнозернистой структурой и ликвацией снижены механические свойства. К таким материалам относятся упомянутые магнитные сплавы типа ални и алнико. Эти С. м. получают с 40-х гг. методами порошковой металлургии не только для магнитных деталей массового производства, но и в тех случаях, когда требуется повышенная прочность. С 50-х гг. бериллий для атомной промышленности получают преимущественно методами порошковой металлургии из-за низких механических свойств и крупнозернистости литого металла. В конце 60-х гг. начали производить быстрорежущую сталь, с 70-х гг. - жаропрочные суперсплавы на основе никеля из С. м.; некоторые характеристики этих С. м. лучше, чем у литых сплавов аналогичного состава. Производство С. м. развивается более высокими темпами, чем получение плавленых металлических материалов. Так, с 1964 по 1972 годовой выпуск С. м. в США возрос в 2,5 раза (с 47 до 118 тыс. т), в Японии - примерно в 4 раза (с 4 до 17 тыс. т).
Как для литых, так и для деформируемых материалов, получаемых обычными методами, нежелательно присутствие таких компонентов, добавок и примесей, которые способствуют образованию значительного температурного интервала между линиями ликвидуса и солидуса или появлению жидкой фазы при температурах ниже температур плавления-затвердевания основной массы металла. Введение таких элементов в С. м., наоборот, повышает их прочность и облегчает их изготовление, способствуя снижению температуры спекания. Так, в литых сплавах на железной основе фосфор - нежелательная примесь, допустимая в количестве не более 0,1%. В С. м. на железной основе, напротив, фосфор - легирующая добавка, которую специально вводят в количестве 0,3-0,6% для повышения механических свойств деталей и снижения себестоимости изделий (вследствие образования жидкой фазы и уменьшения температуры спекания). Специфическая для С. м. на железной основе добавка - медь (1-20%), способствующая благодаря образованию жидкой фазы при спекании повышению свойств и удешевлению спекания.
Обычно компактные (беспористые) С. м. имеют такие же физические и механические свойства, как и литые (деформированные и отожжённые) металлы. В таблице приведена в зависимости от пористости достижимая величина свойств пористых С. м. (модуль упругости Е, коэффициент Пуассона u, предел прочности при растяжении sв, электропроводность l, теплопроводность lТ) по отношению к соответствующим свойствам компактного металла (Ек, uk, sвк, lк, lТк). Влияние пористости на некоторые свойства спечённых материалов Пористость, % ее/k n/nk sв/sвк l/lk lT/lTk 0 5 10 20 30 40 50 1 0,88 0,73 0,51 0,34 0,21 0,12 1 0,95 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 1 0,88 0,73 0,51 0,34 0,21 0,12 1 0,93 0,81 0,64 0,49 0,36 0,25 1 0,93 0,81 0,64 0,49 0,36 0,25
По сравнению со всеми др. методами получения деталей - литьём, обработкой давлением, резанием и т. д., изготовление изделий из С. м. требует наименьших затрат рабочего времени, заводских площадей, оборудования.
Имеются следующие ограничения применения С. м.: 1) наибольший экономический эффект С. м. дают при достаточно массовом выпуске деталей. Это связано с необходимостью изготовления индивидуальных приспособлений (прессформ) для каждого вида деталей. Отчасти это ограничение имеет временный характер; при развитии новых методов формования С. м. оно может в известной степени отпасть; 2) дороговизна исходных порошков. Это также временно действующий фактор: с увеличением масштаба выпуска и совершенствованием методов изготовления порошков их стоимость будет уменьшаться; 3) необходимость получения достаточно чистых исходных металлических порошков, в особенности железа и его сплавов, т. к. С. м. не могут быть эффективно очищены от примесей, находящихся в исходных материалах. Это ограничение постепенно теряет своё значение: налажено массовое производство чистых порошков распылением расплавленного железа.
Специфические меры по консервации и хранению деталей и полуфабрикатов (пропитка деталей маслом или парафином) необходимы только для пористых С. м.
Лит.: Вязников Н. Ф., Ермаков С. С., Металлокерамические материалы и изделия, 2 изд., Л., 1967; Кипарисов С. С., Либенсон Г. А., Порошковая металлургия, М., 1972; Бальшин М. Ю., Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна, М., 1972.
? М. Ю. Бальшин.