Основные понятия о технологических процессах порошковой металлургии. Структура и элементы технологических процессов порошковой ме

     Наиболее  заметных успехов в областях исследования и применения наноматериалов достигли ученые Института порошковой металлургии  НАН Беларуси (г. Минск). Заместитель  Председателя президиума НАН Беларуси д. т. н., академик Петр Витязь рассказал, что в государственной комплексной программе Беларуси по научным исследованиям есть направление «Нанотех», научные направления которого курирует Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников. В программе участвует 19 научных институтов, 20 организаций Минобразования РБ, 15 организаций концерна «Белнефтехим», более 30 организаций Минпром РБ. В научной работе по нанотехнологиям задействовано более 1600 ученых. С помощью различных методов, таких как механическое легирование, детонационный и плазменный синтез, химическое осаждение, импульсное и РКУ-прессование, каталитический пиролиз и т. п., в институтах на установках, специально приобретенных в рамках государственной программы, получают нанопорошки и нанопроволоки, тонкие пленки, фуллерены, нанотрубки, мезаструктуры и многие другие материалы.

     В 2006 году в развитие этого направления  республика вложила 3 млрд. рублей, а  общий объем бюджетного финансирования составит 15 млрд. рублей. Программа финансирует разработки, которые ведутся в ряде институтов и в университете, и многие из исследований выполняются по госзаказу, но основная часть работ производится для крупных коммерческих предприятий. В технопарке «Метолит» Белорусского национального технического университета разработана технология финишного магнитоабразивного полирования наноалмазами пластин монокристаллов кремния (подложки интегральных схем), оптических стекол и фторидов бария, кальция и магния (оптически активные элементы силовых лазерных устройств), обеспечивающая формирование нанорельефа поверхностей с высотой неровностей менее 20 ангстрем, что соответствует лучшим мировым образцам. Технология магнитоабразивного полирования успешно апробирована при обработке поверхностей деталей номенклатуры НПО «Интеграл» и РУП «ММЗ им. С. И. Вавилова». Кроме того, разработаны и освоены процессы для управляемого синтеза углеродных нанотрубок на полупроводниковых Si/SiO2-структурах и электродных ПАВ-структурах с целью иммобилизации растительных клеток и создания на их основе биологических сенсоров, а эксперименты на смесевых взрывчатых веществах позволили создать синтетический ультрадисперсный алмаз (УДА).

     Металлический композит с 2% УДА был использован  для восстановления комплекта вкладышей  двигателя Д-240, а также поверхностей подшипниковых втулок и «бочек» роторов погружных насосов. Производство УДА было налажено в НП ЗАО «Синта», который на сегодняшний день выпускает девять модификаций алмазного порошка различного назначения: обработка высокоточных поверхностей, смазочные масла и присадки к ним, гальванические покрытия, спеченные композиционные и поликристаллические материалы, микроабразивные и полировальные составы. В 2006 году начато производство смазки, модифицированной наноразмерными алмазами, на участке по выпуску смазочных материалов ОДО «Спецсмазки» Академтехнопарка НАН Беларуси. Мощность установки для производства модифицированной пластичной смазки - 25 т/год. Потребителями продукции являются РУП «ПО БелАЗ», РУП ПО «Гомсельмаш» и другие предприятия Минпрома, Минтранса и Минсельхозпрода концерна «Белэнерго». Гродненский завод ОАО «Белкард» в 2000 году наладил выпуск карданных валов с противоизносными полимерными шайбами в подшипниках крестовин и полимерным покрытием втулки, а Инженерный центр «Плазмотег» производит алмазное покрытие для термоголовок принтеров и биосовместимые покрытия для искусственных сердечных клапанов.

     Перспективным направлением, высоко востребованным в современной промышленности, является получение наноструктурных сталей. Объемные (конструкционные) наноматериалы привлекают к себе внимание необычными механическими и физическими свойствами. Микротвердость, прочность и огнестойкость изделий повышаются в несколько раз. Но промышленной технологии получения таких материалов пока не существует - слишком высока себестоимость такого производства. На сегодняшний день в Институте металлургии и материаловедения им. Байкова (Москва) под руководством д. т. н., профессора Сергея Добаткина по технологии интенсивно-пластической деформации (ИПД) осваивается производство мелких деталей для медицинского оборудования, инструментов и имплантантов. До появления этого метода вместе с повышением микротвердости объемных наноматериалов снижалась их пластичность - они становились хрупкими. Причиной хрупкости являлась высокая остаточная пористость и загрязнения, которые неизбежно были в конструкциях, полученных компактированием нанопорошка, изготовленного шаровым размолом или механическим легированием. С помощью методов ИПД и низкотемпературных отжигов достигается размер зерна материала менее 100 нм. На выходе получаются беспористые образцы с нано- и субмикрокристаллической структурой. Получить такую структуру в феррито-перлитных, феррито-мартенситных и мартенситных углеродистых сталях, а также в высокоуглеродистых перлитных сталях, в коррозионностойких аустенитных, аустенито-ферритных и ферритных сталях можно, используя различные методы ИПД: кручение под гидростатическим давлением и равноканальное угловое прессование (РКУП). Интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) - это метод ИПД, при котором образец, обычно имеющий форму диска диаметром 10-20 и толщиной 0,3-1,0 мм, подвергается деформации кручением в условиях высокого приложенного гидростатического давления. Диск помещается внутрь полости, прилагается гидростатическое давление, и пластическая деформация кручением достигается за счет вращения одного из бойков. Равноканальное угловое прессование (РКУП) в настоящее время является наиболее широко используемым методом ИПД. Образец, имеющий форму прутка круглого или квадратного сечения, прессуется в матрице через сопрягающиеся под определенным углом каналы. Деформация сдвигом происходит, когда заготовка проходит через зону их пересечения. Поскольку размеры заготовки в поперечном сечении не изменяются, прессование может производиться многократно для повышения степени деформации. Сергей Добаткин отметил, что после РКУП сталь 10 имеет класс прочности 8.8, а сталь 08Р - 12.9. Перечисленные методы ИПД широко используются во многих институтах РАН, занимающихся направлением наноструктурных сталей. В Институте физики перспективных материалов (г. Уфа) получил развитие метод непрерывного РКУП. Научный руководитель института, д. ф.-м. н., профессор УГАТУ Руслан Валиев сделал первый шаг к успешной коммерциализации объемных наноструктурных материалов, освоив получение длинномерных полуфабрикатов - прутков и листов. «Размер и форма ультрамелких зерен - очень важные, но не единственные характеристики структуры металлов, полученных методом ИПД», - отметил ученый. В качестве важнейшей характеристики он обозначил структуру границ зерен, которая для сохранения пластичности материала должна быть либо высокоугловой, либо иметь бимодальную структуру, когда зерна наноразмеров окружают более крупные микроразмерные зерна, которые должны составлять примерно 25% всего состава. Используя обработку ИПД, осуществленную РКУП, в сочетании с изотермической прокаткой, можно получать заготовки в виде листов из термически неупрочняемого сплава 1560 системы Al-Mg-Mn с уровнем предела текучести и прочности 540 и 635 МПа. В результате дополнительной обработки заготовок термически упрочняемого сплава АА6061, подвергнутых РКУП, старению и холодной прокатке, предел прочности заготовок сплава достигает 475 и 500 МПа, а относительное удлинение до разрушения составляет 8%. В обоих исследованных УМЗ-сплавах прочностные свойства превышали на 30-50% аналогичные свойства сплавов после традиционно используемых методов обработки, а пластичность оставалась на достаточно высоком уровне. Аналогичный прирост прочности при сохранении пластичности демонстрирует и УМЗ жаропрочный алюминиевый сплав АК4-1. Руслан Валиев заметил, что при сохранении высокой прочности характеристики пластичности и трещиностойкости обработанного ИПД материала повышаются почти в 2 раза и достигают уровня, характерного для исходного крупнозернистого состояния.

     В настоящее время одновременно с  исследованиями ведется работа, направленная на получение продукции из ультрамелкозернистых алюминиевых сплавов, таких как  авиационный крепеж, а также пилотных изделий для авиационной промышленности. Проводятся исследования возможности получения и использования наноструктурных материалов для авиационных двигателей нового поколения, а также для изготовления деталей сложной конфигурации в условиях сверхпластичности. Особое внимание уделяется медико-биологическим имплантантам и приборам. Именно эти области выбирают многие разработчики как наиболее перспективные, поскольку при незначительном государственном финансировании необходим поиск крупных инвесторов, следовательно, выбирать нужно исключительно жизненно важные, а значит быстро окупаемые и заведомо прибыльные сферы реализации.

     Кроме имплантирования, Руслан Валиев в качестве перспективного направления применения наноразмерного титана назвал экстремальный  спорт: «С повышением прочности конструкций в полтора-два раза мы можем позволить себе сделать их во столько же раз тоньше и заметно меньше весом. Такие перемены автоматически принесут экстремальному спорту новые возможности и рекорды».

     Большие перспективы ИПД для повышения механических и функциональных свойств выявлены также для группы металлических сплавов с термоупругими мартенситными превращениями и эффектами памяти формы (ЭПФ), среди которых особенно выделяются сплавы никелида титана - TiNi (нитинол). Примером применения УМЗ-сплавов с эффектом памяти формы является муфта из сплава Ti-Ni с добавками железа, предназначенная для обеспечения повышенной герметичности при стыковке трубопроводов и деталей, работающих в условиях высоких давлений. Исследовательские работы под руководством Руслана Валиева финансировались по проекту МНТЦ (DOE NIS-IPP, Лос-Аламос), а также проектам ФЦНТП, «Международный научно-образовательный центр» и «Ведущая научная школа РФ».

     Ученым  из московского НИИ неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара, крупнейшего научного центра бывшего Минатома, удалось создать высокопрочный электропроводник с прочностью стали и проводимостью меди. В 2005 году проект занял первое место в номинации «Лучший инновационный проект» и получил специальную премию от ОАО «Техснабэкспорт». Ученые сделали обмотки магнитов из материалов с высокой проводимостью, предназначенных для токамаков - установок термоядерного синтеза. Высокопрочный провод с повышенной электропроводностью состоит из продольно расположенных элементов, каждый из которых содержит в медной матрице равномерно распределенные, вытянутые вдоль продольной оси проводника ленточные или цилиндрические волокна. Толщина ленты - от 20 нм до 1000 нм. Внешне проводник, представляющий собой медную матрицу, пронизанную десятками тысяч тончайших жилок из сплава ниобия и титана, почти не отличается от медного, превышая его прочность в пять раз (более 1200 МПа). При этом его электропроводность сохраняется на уровне 70-80% электропроводности чистой меди (ЭЧМ). Прочнейшие электропровода, которые производит современная мировая промышленность, - это сложнолегированные бронзы, которые дают 30-40% ЭЧМ.

     Еще в 90-е годы созданием прочнейшего  проводника более-менее успешно занимались ведущие компании Японии и США, но настоящего прорыва добились российские ученые. Магнитные поля сверхвысокой напряженности, создаваемые изобретенными проводниками, позволяют с очень высокой точностью проводить спектрометрию различных объектов. Такие поля используют, чтобы расшифровать структуру генома, ДНК и других важнейших человеческих белков.

     Благодаря разработчикам московского института  сегодня магнитные системы с  полями напряженностью около 100 Тл работают во многих европейских странах и  в США. В России такие исследования не ведутся, поэтому революционная отечественная разработка у нас применяется в машиностроении для магнитоимпульсной штамповки и сварки, а также для производства портативной электроники и мобильных телефонов, которые требуют все более миниатюрных размеров и высоких показателей. Изобретение также может быть использовано в производстве обмоток высокопольных импульсных магнитов и для тяжелонагруженных линий электропередач. В области создания конструкционных материалов сверхпроводники позволяют использовать магнитоакустический метод плавки. Но поскольку таких высоких показателей проводимости во многих отраслях производства не требуется, то в основном сегменте - производстве электропроводов - компания может составить серьезную конкуренцию проводникам из сложнолегированных бронз, снизив электропроводимость и, следовательно, себестоимость производства. При такой же прочности новый проводник превышает показатель проводимости бронзовых конкурентов ровно вдвое.

     Заместитель директора отделения технологии перспективных материалов НИИНМ  д.т.н. Виктор Панцырный считает, что оперативности российского открытия институт обязан опыту работы в Минатоме: «Когда нужно было разработать бериллий, плутоний, уран, полоний 210, сроки давали очень жесткие, ведь материал, который разрабатывался каждый раз впервые, сразу же поступал на производство, обладающее соответствующим уровнем оборудования. Мы создавали крупные производства с нуля, и сегодня занимаемся технологиями нового уровня, укладываясь в такие же сроки в г. Глазов на ОАО «Чепецкий механический завод», который входит в состав корпорации «ТВЭЛ». По нашим техническим заданиям сейчас для этого завода создается оборудование на ведущих промышленных предприятиях Германии и США. Это, конечно, очень затратное дело, но вложения того стоят. Создан класс принципиально новых материалов, причем не тоненькие наноструктурные проволочки, а в масштабах промышленного производства - крупные проводники весом в сотни килограммов. Сейчас мы также рассматриваем возможность федеральных вложений для внедрения наших материалов в линии электропередач. Подписан протокол о намерениях с ОАО «РЖД», для которого в НИИЖТе ведутся расчеты целесообразности замены всех контактных сетей».

     Кто бы мог подумать, что мечта, зародившаяся в 50-х годах, станет революционным  решением для автомобильной промышленности в 2005 г.? Фирма SuperCast, небольшая компания, задумавшая создание нового суперметалла CGI (чугун с вермикулярным графитом или ЧВГ), потратила многие годы на исследования, чтобы довести его до ума. Сегодня этот материал предназначен для достижения глобального успеха. 
Чугун, обладающий вдвое большей прочностью по сравнению с чугуном, традиционно используемым для изготовления автомобильных двигателей, вот чего добилась фирма SinterCast, расположенная в г. Катриненхольм (Швеция). При таком скромном начале тем более оглушительным стал успех - прорыв этой инновации на рынок промышленного производства. До сих пор наиболее ценным моментом для нас был заказ от фирм Ford и PSA, ставшими первыми компаниями, использовавшими в 2003 г. ЧВГ для массового производства, - отмечает С. Уоллес, руководитель технологического отдела фирмы SinterCast. « Можно полагать, что новый суперметалл ЧВГ внесет революционные изменения в производство легковых и грузовых автомобилей. Комбинация чугуна с магнием, добавляемым к нему в строго определенных пропорциях, позволяет получить металлы, идеальные для двигателей, которые должны выдерживать очень большие давления, например, дизелей. Их головки и блоки цилиндров изготавливаются теперь из ЧВГ». Потребность в ЧВГ возникла еще в 50-х годах, но технологии, необходимые для его производства, были разработаны значительно позже. Основные исследования проводились с 1983 г., когда была основана фирма SinterCast, и вплоть до 1991 г. «Мы затратили много времени на исследования затвердевания чугуна. Вначале мы сконцентрировались на базовых исследованиях с тем, чтобы быть абсолютно уверенными в том, что в чугун было добавлено нужное количество магния для управления созданием ЧВГ. В настоящее время при серийном производстве мы следим обычно, чтобы количество магния на тонну чугуна не превышало 20 г»,– объясняет С. Уоллес. Для продолжения своих работ фирма SinterCast нуждалась в финансовых средствах и с этой целью была зарегистрирована на Стокгольмской фондовой бирже. Инновационные работы продолжались. Важное открытие было сделано в 1997-1988 гг., когда фирма SinterCast усовершенствовала свою технологию, заменив керамическую воронку u1089 стальным устройством для сбора образцов. Процесс сопровождался анализом расплавленного чугуна перед добавлением в него точного количества магния и модификатора. «Разработка режущих инструментов для обработки ЧВГ была, разумеется, вызовом, поскольку этот материал обладает очень высокой прочностью. Мы знали, что пока не выйдем с приемлемым решением, новый материал не может быть использован для промышленного применения», - отметил Уоллес. 
В середине 90-г годов фирма SinterCast присоединилась к совместному проекту, в котором участвовало большое число фирм и предназначенному для дальнейшего продвижения знаний о ЧВГ и создания четких стандартов для инструментов, используемых при его обработке. Очевидные преимущества этого материала создали немедленный спрос на него, за которым через несколько лет последовал коммерческий прорыв, когда фирмы Ford и PSA Peugeot Citroen объединили усилия в создании 6-цилиндрового V-образного дизельного двигателя объемом 2,7 л и использовали в нем ЧВГ. В настоящее время двигатели с применением ЧВГ фирмы SinterCast установлены на 12 различных марках автомобилей и использованы в 6 автомобильных брендах. «Мы уже знали, что наш чугун работает. Это было просто подтверждение, - говорит Уоллес. - Для нас было важно, чтобы кто-то стал первым и начал использовать ЧВГ в массовом производстве. Тем самым мы смогли бы показать, что наш процесс работает и в крупносерийном производстве двигателей». Он говорит, что вся компании, а в ней занято 11 человек, преимущественно квалифицированных инженеров, знала, что успех совсем близок. «Автомобилестроители поняли, насколько важен используемый материал. Всегда говорилось о консервативности автомобилестроителей, но в то же время все игроки на этом рынке заинтересованы в новых технологиях. У нас создалось впечатление, что в настоящее время большинство крупных автомобильных компаний проявляет интерес к ЧВГ». Постоянный рост требований к охране окружающей среды в Европе и в других странах делает интерес к ЧВГ еще более сильным. Дизельные двигатели, в которых используется ЧВГ, могут работать при более высоких давлениях сгорания, что, в свою очередь, уменьшает выбросы в атмосферу. Уоллес проявляет оптимизм относительно будущего компании. «Я считаю, что дизельный двигатель займет большую часть автомобильного рынка США, - говорит он. - Стоимость бензина растет, а требования к окружающей среде повышаются». Однако потребность в ЧВГ не ограничивается только производством легковых и грузовых автомобилей. Она проявляется в любой отрасли промышленности, где ценятся малая масса и большая прочность материала. Фирма General Electric производит в настоящее время двигатель для поездов, отвечающий последним требованиям к защите окружающей среды. Головки цилиндров у него изготовлены из ЧВГ. К другим областям, в которых ЧВГ постепенно завоевывает признание, относятся изготовление поршневых колец для судов и компонентов для силовых генераторов. Уоллес добавляет, что возможности производства небольших двигателей с использованием ЧВГ становятся более реальными по мере увеличения сложности конструкции грузовых и легковых автомобилей. Причина проста - меньший двигатель оставляет больше пространства для более сложной конструкции. И все-таки главнейшей причиной нынешнего интереса к применению ЧВГ является характерное для многих стран постоянное ужесточение требований к охране окружающей среды. Что бы произошло, если бы ЧВГ не вышел на рынок как раз тогда, когда начали расти требования к чистоте выделений? «Основная задача при разработке двигателя состоит в том, чтобы обеспечивать его большую мощность. Именно это и делает ЧВГ», – убежденно говорит Уоллес. 
отличия металла - новый CGI (чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) во многих отношениях является промежуточным материалом между ковким и серым чугуном. Графит внутри микроструктуры чугуна сформирован в виде трехмерных вермикулярных частиц, придающих структуре графита для ЧВГ кораллоподобный вид, очевидный при рассматривании в сканирующем электронном микроскопе. Морфология графита в ЧВГ, связанная со скругленными кромками и неравномерными поверхностями частиц вермикулярного графита, обеспечивает хорошие адгезионные свойства между графитом и чугунной матрицей. Такая форма графита препятствует возникновению и распространению трещин и является источником как повышенных механических свойств по сравнению с серым чугуном, так и повышенной теплопроводности по сравнению с ковким чугуном. В результате ЧВГ имеет вдвое большую прочность, чем алюминий. По сравнению с серым чугуном у ЧВГ на 75 % более высокий предел прочности на разрыв и на 45 % более высокая жесткость. Хотя это делает материал более труднообрабатываемым, в настоящее время разработаны способы его эффективной механической обработки. При повышенных температурах усталостная прочность ЧВГ до пяти раз выше, чем у алюминия. По сравнению с ковким чугуном ЧВГ обеспечивает превосходные литейные свойства, теплопроводность и обрабатываемость. Все эти свойства ЧВГ способствуют получению эффективных решений для сложных деталей, подвергаемых повышенным механическим и/или тепловым нагрузкам, что открыло путь для применения отливок из ЧВГ в автомобильной промышленности. В частности, растет его применение в блоках цилиндров дизельных двигателей и головках блоков, где при повышающихся рабочих давлениях, когда требуется более чистые выделения, ЧВГ представляет собой также материал, для которого характерен низкий шум, благоприятствующий его применению в автомобильной промышленности. Это способствует разработке более легких и прочных компонентов, снижающих, например, вес автомобиля. ЧВГ было трудно получать в крупных промышленных объемах до тех пор, пока фирма SinterCast не разработала надежный процесс, при котором можно отслеживать образование частиц вермикулярного графита. Совсем не просто структурировать частицы графита, но именно количество этих частиц в чугунной матрице определяет все характеристики этого материала. Количество магния, вводимого в ЧВГ, играет ключевую роль в том, будет ли получен графит в виде хлопьевидных образований, характерных для серого чугуна, или в виде шаровидных выделений, характерных для ковкого чугуна. ЧВГ - промежуточный материал между этими двумя типами чугунов. Важно избежать образования хлопьевидного графита, хотя некоторое количество шаровидного допускается. Производство ЧВГ начинается на базе специального литейного чугуна, подлежащего соответствующей обработке. Количество первоначально введенного магния, остающегося после этой обработки, должно быть в определенных, строго устанавливаемых пределах, или это изменит вторичную обработку. В онлайновом режиме проводится точный анализ поведения магния при затвердевании чугуна, а обработанный посредством модификаторов базовый чугун определяют с помощью термического анализа. Дело в том, что образование характерной для ЧВГ структуры графита происходит в относительно узких пределах кривой нагрева при дополнительной обработке. Фирма SinterCast разработала специальную воронку для сбора образцов и термопару, с помощью которых можно измерять характеристики охлаждения образца массой200 г. Это обеспечивает ускоренное измерение, используемое для активной коррекции и изменения режимов процесса литья. С помощью системы контроля процесса определяется необходимое количество магния и/или модификатора, которое автоматически добавляется в чугун. Кооперация между фирмами Sandvik Coromant и SinterCast возникла в середине 90-х годов с целью выяснения обрабатываемости ЧВГ и оптимизации режущих инструментов и материалов. Важность оптимизации режущих инструментов и режимов резания ЧВГ так же важна, как и стоимость изготовления компонента в автомобильной промышленности.