Роль материалов в научно-техническом прогрессе исключительно велика.
Уровень температур и нагрузок в современном машиностроении, развитие
элементной базы вычислительной техники, производительность
металлообрабатывающих и добывающих отраслей, эксплуатационные ресурсы
изделий в химической промышленности, атомной и ракетной технике, высокие
показатели работы устройств в энергетике, электронике, радиотехнике и
др. - все это в существенной мере зависит от качественных характеристик
используемых материалов.
Среди современных материалов все большее внимание привлекают порошковые
объекты, исходным сырьем для получения которых являются порошки металлов
и неметаллов. Порошковая технология — это широкая область получения
дисперсных тел, применяемых в разнообразных отраслях производства -
порошковой металлургии, керамической промышленности, получении пищевых и
лекарственных продуктов, удобрений, топлива, строительных материалов и
др. Данная монография посвящена вопросам порошкового материаловедения
применительно к порошковой металлургии. Следует иметь в виду, что этот
вид промышленности имеет много общего с так называемой нетрадиционной
керамикой. Неметаллические жаропрочные и инструментальные материалы,
ферриты, высокотемпературное ядерное топливо, диэлектрики - эти и
некоторые другие материалы рассматриваются специалистами обоих
направлений, что оправдано методологически. Аналогичный подход автор
стремился осуществить и в данной монографии. Однако в силу
ограниченности объема не все вопросы освещены достаточно подробно,
иногда обозначены лишь контуры обсуждаемых проблем. Многие из
приведенных таблиц имеют лишь иллюстративный характер и не претендуют на
справочную исчерпанность. Кроме того, проблематика порошкового
материаловедения далека от канонизации и содержит также другие вопросы,
заслуживающие внимания. Например, следует отдельно обсудить аспекты
электронного строения, твердофазных реакций, механизма и . моделей
деформирования порошковых объектов. Большей детализации требуют также
материалы гл. III. Цель же настоящей монографии - ввести читателя в курс
основных вопросов порошкового материаловедения.
Характер авторского изложения во многом обусловлен педагогической
работой, которую вел автор в течение многих лет в Московском институте
тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова и во Фрунзенском
политехническом институте. Монография развивает положения, которые
частично были освещены ранее [I].
Автор признателен профессору Ю.В. Левинскому за ценные замечания по
рукописи, способствовавшие ее улучшению.
ВВЕДЕНИЕ
С элементами порошковой технологии человечество
соприкасалось еще в глубокой древности - изделия из обожженной глины
найдены в раскопках, относящихся к неолиту (около 15 тыс. лет назад).
Начинается порошковая металлургия с получения кричного железа, первые
находки которого датируются XV в. до н.з. Освоение человеком гончарного
производства и использование железа для орудий труда и в оружии - важные
исторические вехи цивилизации.
Становление порошковой технологии в современном понимании происходит
гораздо позже. Его принято,, например, датировать 1827 г., когда в
’’Горном журнале” появилась статья П.Г. Соболевского ”06 очищении и
обработке сырой платины”. П.Г. Соболевский и В.В. Любарский предложили
технологию переработки самородной платины путем растворения ее в царской
водке, осаждения хлорплатината аммония, прокаливания с получением
платиновых порошков, их последующего прессования, спекания или горячего
прессования. Эта технология была реализована на монетном дворе, где было
изготовлено платиновых монет на сумму более 4 млн. руб. (18261844) [1,
2]. Работа П.Г. Соболевского и В.В. Любарского представляется интересной
и как иллюстрация решения и реализации важной государственной задачи за
короткое время. Характерно, что творческий коллектив состоял из
специалистов разных профилей; научные, технические и производственные
задачи решались совместно. С начала нынешнего века методы порошковой
металлургии завоевывают себе непререкаемый авторитет в области
изготовления тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена) и твердых
сплавов, но наиболее интенсивное развитие они получают начиная с 50-х
годов.
Примерно в это же время все более широкие исследования начинают
проводить в области нетрадиционной керамики и тугоплавких соединений [2,
3j. Большое значение для становления порошкового материялбведения имели
изданные в 40-50-х годах монографии М.Ю. Бальшина (’’Порошковое
металловедение”), Кинджери; ("Введение в керамику”), Г.В. Самсонова и
Я.С. Уманс-кого (’’Твердые соединения тугоплавких металлов”), Киффера и
Шварцкопфа (’’Твердые сплавы”) и некоторые другие. Принципиальную роль в
развитии физического подхода к описанию процесса спекания сыграли статьи
Я.И. Френкеля и Б.Я. Пинеса, опубликованные в 1946 г. Результаты этих
работ во многом определили дальнейшее Развитие теории спекания, оказали
решающее влияние на постановку многих теоретических и экспериментальных
исследований в СССР и за рубежом [2, 4]. Важно также отметить, что
работы в области физики спекания широко использовались при обсуждении
технологических
аспектов как порошковой металлургии, так и керамического производства.
В середине 50-х годов крупный ученый-материаловед Герой
Социалистического Труда И.Н. Францевич создает в Киеве Институт проблем
материаловедения (до 1965 г. назывался Институтом металлокерамики и
спецсплавов), в который для работы были приглашены крупные специалисты в
различных областях материаловедения: И.М. Федорченко (порошковые
материалы и порошковая металлургия), В.Н. Еременко (физическая химия,
диаграммы состояния), Г.С. Писаренко (прочность материалов), Г.В.
Самсонов (тугоплавкие соединения), С.Г. Тресвятский (оксидная
керамика), И.Д. Радомысельский (порошковая металлургия) и др. Работы
этого института, возглавляемого с 1973 г. крупным специалистом в области
физики прочности В.И. Трефиловым, оказывают большое влияние на развитие
идей порошкового материаловедения.
' История порошкового материаловедения заслуживает, конечно, более
детального изложения. В приведенном кратком описании хотелось
подчеркнуть глубокие корни порошковой технологии, синтетический характер
порошкового материаловедения как научного направления. Важно также
отметить, что развитие порошковых материалов всегда проходило в тесной
связи с развитием производительных сил общества. В настоящее время
порошковая технология в высшей степени отвечает требованиям
ресурсосбережения и малоотходности, обеспечивая также возможность
создания материалов, которые по физико-механическим и эксплуатационным
характеристикам превосходят материалы, изготовляемые традиционными
способами. Пористые материалы, многие антифрикционные, фрикционные,
жаропрочные, инструментальные композиции, многие материалы со
специальными магнитными, ядерными, электрическими и другими свойствами
могут быть изготовлены только с использованием порошков.
Ресурсо- и энергосберегающие возможности порошковой металлургии можно
проиллюстрировать данными о коэффициенте использования металла (КИМ) и
энергозатратах на 1 кг продукции для различных методов изготовления [5]:
Важность порошковой технологии, позволяющей изготовлять принципиально
новые материалы, использование которых выводит технику на более высокий
уровень, наглядно можно показать на примере нитрида кремния, применение
которого в газотурбинных установках позволит повысить рабочую
температуру на 300-400 *С, в то время как у традиционных никелевых
жаропрочных сплавов темп роста рабочих температур составляет около
градуса в год [6]. Реализация замечательных свойств ультрадисперсных и
аморфных порошков в магнитных, конструкционных и инструментальных
материалах в подавляющем большинстве случаев возможна только с
применением методов порошковой технологии.
Не случайно, что именно порошковая металлургия рассматривается как
наиболее перспективная для развития космической индустрии [7].
Автору уже приходилось подчеркивать сложный синтетический характер
порошковой металлургии: как область техники она отличается межотраслевым
характером, отражая интересы химической технологии, металлургии,
технологии машиностроения; как научное направление это дисциплина,
граничащая с химией твердого тела, физикой дефектных кристаллов,
реологией и физико-химией дисперсных сред, физикой и химией высоких
давлений и энергий, стереологией и топологией, физикой прочности,
механикой деформируемого тела, физико-химической механикой,
кибернетическим материаловедением [8, 9]. Это все относится и к
порошковому материаловедению. Важно также подчеркнуть органическую связь
последнего с материаловедением вообще, что проиллюстрировано в
капитальной монографии [10].
Отмеченный широкий междисциплинарный характер порошкового
материаловедения сказывается на характере информации в этой области. С
одной стороны, информационный поток - статьи в периодике, публикации в
сборниках, трудах конференции, симпозиумов, семинаров, монографии,
патенты и авторские свидетельства - весьма значителен; с другой стороны,
вся эта информация существенно рассеяна по разнородным источникам [11].
В настоящее время наметилась интересная тенденция к слиянию технологии с
материаловедением, во всяком случае к более тесному их взаимодействию.
Технолог, разрабатывающий, например, режимы получения магнитных
материалов, должен хорошо разбираться в вопросах влияния примесей и
текстуры на магнитные свойства, свободно ориентироваться в диаграммах
состояния. В свою очередь, материаловед должен быть информирован о
многовариантности способов получения изделий в рамках порошковой
технологии и Других методов. При создании современных материалов,
требования к
которым очень многообразны и весьма противоречивы,
учет технологических, материаловедческих, технико-экономических и
экологических вопросов представляется необходимым. Исследователи
практически всегда сталкиваются с задачами вариационного типа,
эмпирические и интуитивные методы постепенно вытесняются системным
анализом с использованием вычислительной техники. Возможности
кибернетического материаловедения на примере оптимизации поиска
сверхпроводниковых соединений раскрыты в работе [12]. Ирландская фирма
’Tolydate” совместно со шведской фирмой ’’Hoganas” разработали
компьютерную систему ’’CASIP” (’’Cejnputer Aided Selection of Iron
Powder”), предназначенную для выбора оптимальных материалов на железной
основе с учетом предъявляемых требований по свойствам и стоимости.