Веками складывались традиционные технологии производства металла и машиностроительных изделий. Из рудного сырья в доменных печах сначала выплавляли чугун, затем его перерабатывали в сталь, потом ее разливали в изложницы, чтобы получить многотонные слитки. Те, в свою очередь, проходили обработку на прокатных станах и прессах. Затем прокат и поковки попадали к машиностроителям, которые после ряда операций превращали заготовки в различные детали. Для изготовления одной тонны деталей по такой технологии необходимо использовать примерно 1,5 тонны стального проката или поковок. А выплавить металла еще больше. Совершенно очевидны недостаточная эффективность и громоздкость этого технологического процесса.
Наука неоднократно пыталась усовершенствовать подобную традиционную схему. Разрабатывались и внедрялись все более совершенные способы литья пластического деформирования деталей, новые методы резания металлов. Схема действительно совершенствовалась, однако главный ее недостаток — многостадийность — оставался. А значит, оставались значительными потери сырья, энергии и других ресурсов на всех переделах.
Идея радикальной перестройки технологического процесса металлургии и металлообработки родилась в 1926 году. Именно тогда выдающийся русский металлург П. Г. Соболевский предложил использовать металл в виде порошка для изготовления деталей машин. Развитие этой идеи привело к формированию нового направления — порошковой металлургии, которая основывается на последних достижениях физики, физической химии и инженерной технологии. Порошковая металлургия в принципе меняет сложившуюся схему металлопроизводства и машиностроения. Она исключает такие традиционные процессы передела металла, как плавка, литье, резание (токарная обработка, строгание, сверление, фрезерование и т. д.), на которые приходится до двух третей общих трудовых затрат. Все эти операции заменяются автоматизированными процессами прессования и спекания деталей. В результате резко повышается коэффициент использования металла, во много раз сокращается число технологических операций. Существенно снижается трудоемкость при одновременном повышении качества продукции.
Вот некоторые цифры. В машиностроении при обработке среднелегированных сталей коэффициент использования металла примерно равен 0,7, то есть 30 процентов металла идет в отходы. При изготовлении же некоторых деталей из дорогостоящих сплавов, например, на основе никеля, коэффициент использования металла еще меньше. Большая часть металла уходит в стружку. И какого металла! Ведь стоимость тонны некоторых из этих сплавов достигает нескольких тысяч рублей. Порошковая металлургия позволяет поднять коэффициент использования такого металла по меньшей мере в пять раз. Кроме того, народное хозяйство получает солидную экономию капитальных вложений и трудовых ресурсов. Если каждую тысячу тонн деталей общемашиностроительного назначения изготовлять по порошковой технологии, это позволит сберечь 2,5 тысячи тонн проката, высвободить 80 металлорежущих станков и 190 рабочих, сэкономить 1,3—1,8 миллиона рублей.
Добавлю к сказанному, что ряд изделий, необходимых современным отраслям индустрии, невозможно получить иначе, чем методами порошковой металлургии. В электротехнике, радиотехнике и электронике это всевозможные контакты, ферриты, полупроводники, резисторы, нагреватели, сегнетоэлектрики в горнодобывающей и инструментальной промышленности — твердые и сверхтвердые материалы, высокопрочные инструменты; в авиации, космической технике и ядерной энергетике — жаростойкие, жаропрочные и коррозионные сплавы, теплозащитные материалы; в химической промышленности и металлургии — химические и термостойкие материалы, катализаторы, фильтры, огнеупоры; в традиционном машиностроении — всевозможные подшипниковые, фильтровые, фрикционные материалы и т. д. Ныне порошковая металлургия переживает настоящий бум в области новых идей, разработок и технологических решений.
По ряду позиций в этом отношении наша страна занимает одно из ведущих мест в мире. Об этом свидетельствуют, например, интересные работы, выполненные в Институте проблем материаловедения АН УССР и в ряде других научных центров страны, которые позволили существенно повысить низкотемпературную пластичность таких традиционно хрупких металлов, как молибден, хром, бериллий, и одновременно создать керамические и сверхтвердые алмазные материалы с повышенной вязкостью. У нас впервые в мире получен сверхтвердый материал на основе алмазных модификаций нитрида бора — гексанит-Р, обладающий рекордно высокой вязкостью разрушения. Таким образом, решена одна из труднейших технических проблем века — получена конструкционная керамика из таких хрупких веществ, как алмазоподобный нитрид бора. Массовое использование резцов из гексанита-Р вместо менее эффективных инструментальных материалов сулит огромные выгоды. Появляется возможность экономить в значительных количествах дефицитный вольфрам и резко повысить производительность всевозможных операций резания.
Армирование порошковой массы неметаллическими компонентами — окислами, карбидами, силицидами, различными органическими наполнителями, высокопрочными волокнами — привело к созданию материалов нового класса — композитов, с которыми создатели новейшей техники связывают свои главные надежды, ибо возможности традиционных металлов и сплавов во многом уже исчерпаны. В числе таких композиционных материалов углепластики — покрытые алюминием углеродные волокна, металлопластики — тонкие металлические нити алюминия, магния или титана. Такие материалы обладают свойствами как волокон, так и покрытий. Создана целая серия новейших композиционных материалов, получаемых методами горячего прессования из порошков. По своим физико-механическим характеристикам и коррозионной стойкости они превосходят аналоги, разработанные за рубежом.
Диапазон изделий, изготовляемых из таких материалов, чрезвычайно широк — от неперегораемых доменных, мартеновских и конвертерных фурм до медицинских криозондов, успешно применяемых при лечении полостных воспалительных процессов. Все шире внедряются в промышленность композиционные материалы типа «железо — медь», «железо — хром — медь», «никель — алюминий», «титан — никель» и другие. Использование одной из этих композиций бригадами бурильщиков помогло повысить стойкость бурового снаряда на 40— 50 процентов, увеличить производительность труда рабочих на 20 процентов, снизить расход алмазов на 40—50 процентов и сэкономить за короткий срок многие миллионы рублей. Стойкость электродов из композиции «вольфрам—медь» в 9—12 раз выше, чем у материалов, которые традиционно используются для электроэрозионной обработки и контактной сварки. Во многих отраслях при изготовлении подшипников скольжения, втулок, вкладышей применяют антифрикционные пористые материалы, созданные на основе порошков железа и меди. Пористая структура позволяет пропитывать эти изделия смазкой, маслами, что повышает их долговечность. Они служат в 1,5—2 раза дольше, чем бронзовые, баббитовые и латунные детали, выдерживают более высокие скорости скольжения и нагрузки.
Однако порошковая технология отнюдь не сводится лишь к изготовлению деталей из металлических порошков. Не меньшее значение имеет и такая ее ветвь, как напыление на поверхность металла «броневого» слоя из тугоплавких, износо- и коррозионностойких материалов. Горизонты, которые открывает внедрение этого, поистине необозримы и подлинно революционны. Во-первых, появляется возможность практически полностью восстанавливать изношенные детали. В ряде случаев новый процесс намного выгодней, чем традиционно применяемая для этой цели наплавка: благодаря ему сводится к минимуму коробление деталей, более эффективно используется напыляемый материал.
Во-вторых, напыление металлических порошков резко сокращает потери металла от коррозии. Проблема эта чрезвычайно актуальна — ведь убытки в индустриально развитых странах, связанные с коррозией, составляют сегодня 2—4 процента национального дохода и превышают капитальные вложения в развитие некоторых крупных отраслей промышленности. Прогресс в атомной энергетике, химическом машиностроении, целлюлозно-бумажной промышленности существенно зависит от создания новых коррозионностойких материалов и порошковое напыление открывает здесь новые заметные перспективы. Металлические антикоррозионные покрытия позволяют уменьшать потери от коррозии в 5—6 раз. При этом сокращение интенсивности процессов износа и коррозии будет способствовать охране окружающей среды, поскольку снижается поступление в биосферу мельчайших частиц, металла и других материалов. Новые защитные покрытия уменьшат объем гальванической обработки деталей и как следствие снизят объем вредных промышленных стоков, уменьшат затраты на очистные сооружения.
Восстановление и упрочнение деталей машин с помощью порошковых покрытий породило целое семейство так называемых газотермических технологических процессов. Ныне для этой цели применяются газопламенный, плазменный, детонационный, электрометаллизационный и другие методы нанесения покрытий. Небезынтересно, что за рубежом существует целая сеть специализированных предприятий, выполняющих заказы различных фирм с целью нанесения покрытий различного назначения. Работы эти очень быстро окупаются. Скажем, покрытие с помощью электродуговой металлизации конструкций, подверженных атмосферной коррозии и воздействию пресной и морской воды, обеспечивает безремонтный срок службы на протяжении 20— 30 лет. В то же время лучшие лакокрасочные покрытия предохраняют подобные конструкции не более чем на 7 лет — стало быть, за те же 30 лет надо произвестине менее 3—4 ремонтных перекрасок. Вот почему технология газотермического напыления все шире используется для создания антикоррозионных покрытий мостовых ферм, эстакад, линий электропередачи, различных емкостей, всевозможных трубопроводов, корпусов судов, ирригационных систем и т. д.
В последнее время все более широкое применение находят так называемые вакуумные методы нанесения покрытий. Сущность этого процесса заключается в том, что необходимый материал — металл, окисел, карбид и т. д.— путем термического нагрева испаряется в глубоком вакууме, а образующиеся пары конденсируются в виде тонкой пленки на поверхности тех или иных материалов. На этой основе сформировалась принципиально новая, так называемая парафазная технология, позволяющая создавать самые сложные и совершенные покрытия с новыми структурами и заранее заданными свойствами, а также экономно легировать поверхность без применения традиционного многостадийного металлургического передела. Парафазная технология еще не заявила о себе в полную силу, но уже сейчас известны области техники, где она доказала свою эффективность в оптике для создания зеркальных, просветляющих, защитных, светоделительных и различного рода многослойных интерференционных покрытий; в радиоэлектронике и радиоизмерительной технике — для производства фотосопротивлений, фотоэлектронных умножителей, электроннолучевых трубок, ослабителей мощности; в вычислительной технике — для изготовления сверхпроводящих и магнитных тонких пленок, используемых в качестве запоминающих устройств; в микроэлектронике — для изготовления интегральных схем и т. д. Парафазная технология позволяет создавать материалы, состоящие из тонких чередующихся слоев, подобных фанере. Жаропрочность сплава, сконструированного подобным образом из микрослоев железа и легкоплавкой меди, во много раз выше жаропрочности чистого железа.
Наконец, не могу не сказать о так называемой ионной имплантации. Она заключается в том, что в процессе обработки поверхностей ускоренными ионными и плазменными потоками при относительно малых дозах облучения и высоких энергиях происходит не образование покрытия, а внедрение ионов испаряемого материала в приповерхностные слои «мишени». В результате формируются упрочненные износо- и коррозионностойкие поверхностные слои. Благодаря ионной имплантации в автомобильной промышленности удалось примерно в 10 раз повысить стойкость стальных прессформ и пуансонов по сравнению с такой же оснасткой, защищенной твердым хромовым электропокрытием. Имплантированные азотом, кольцевые фрезы служат в 5 раз дольше, чем обычные. Эффект, как видите, чрезвычайно велик. Хотя новые технологические процессы — нанесение газотермических и вакуумных покрытий — лишь относительно недавно сделали первые шаги, их возможности, связанные с повышением долговечности и надежности машин, снижением материалоемкости и экономии всех видов ресурсов, чрезвычайно велики.
