Это весьма многочисленная группа материалов, предназначенных для
изготовления контактов, электродов и катодных элементов, резисторов,
сверхпроводников, полупроводников и диэлектриков, магнитно-мягких и
магнитно-твердых изделий (в том числе ферриты, магнитодиэлектрики),
фильтры и пористые изделия, тепловыделяющие элементы (твэлы) атомных
реакторов и изделия со специальными ядерными характеристиками, тяжелые
сплавы, биоматериалы и др. Хотя по объему производства методами
порошковой металлургии материалы этой группы, за исключением ферритов,
уступают инструментальным, конструкционным и триботехническим, их роль в
современном производстве исключительно велика. Энергетика,
электротехника, радиоэлектроника, приборостроение, вычислительная
техника, транспорт, биотехнология, радиотехника, атомная техника - вот
далеко не полный перечень отраслей, технический уровень которых в
существенной степени определяется параметрами упомянутых материалов со
специальными физическими свойствами.
Материалы со специальными электрическими свойствами. Производство
тугоплавких металлов и сплавов - одно из старейших направлений
порошковой металлургии, развитие которого определялось запросами
электротехнической промышленности. Нити и спирали ламп накаливания,
катоды прямого накала, сетки и другая арматура
электронных ламп, нагреватели и экраны
высокотемпературных печей, термопары, элементы конденсаторов - вот
некоторые из примеров использования вольфрама, молибдена, тантала,
ниобия и их сплавов благодаря уникальным электрическим и теплофизическим
свойствам в электротехнике и электронике. Вольфрам в этом сплаве
занимает особое место как материал, обладающий самой высокой
температурой плавления, низким давлением паров и соответственно низкой
скоростью испарения. Методы порошковой металлургии применительно к
вольфраму продолжают сохранять главенствующую роль. Для других
тугоплавких металлов плавка в результате совершенствования дуговой и
электронно-лучевой технологии, позволяющей получать материалы высокой
чистоты с низким содержанием примесей внедрения, в значительной степени
вытеснила операцию спекания. Получение заготовок молибдена, тантала и
ниобия для плавки осуществляется методами порошковой металлургии.
Цикл изготовления вольфрама осуществляется в основном по классической
порошковой технологии: получение порошка методом восстановления -
прессование - спекание. Порошкам вольфрама было уделено значительное
внимание (см. рис. 2, 4, 5, 19, 23, 24) в связи с обсуждением вопросов
морфологии и искажений структуры, прессования и спекания, а также
испарения. Особенностью получения вольфрама электротехнического
назначения является введение различных присадок (силиката калия, оксидов
тория, алюминия, иттрия), которые вводятся из растворов солей,
осаждаемых на поверхности оксидных порошков вольфрама до восстановления,
и которые предназначены для предотвращения роста зерна при длительной
высокотемпературной эксплуатации. Торированный вольфрам имеет марку ВТ,
вольфрам с присадкой других оксидов - марки ВА, ВИ, ВЛ; содержание
присадок может колебаться от 0,1 до 5,5 % (ВТ-50). Вольфрамовые порошки
прессуют в виде штабиков длиной 300 -600 мм сечением от 8X8 до 40 X 40
мм; давление прессования составляет 200 - 600 МПа. Спекание проводят в
две стадии - предварительно при 1150 - 1200 "С и окончательное путем
пропускания электрического тока при 2900 - 3000 °С. Затем эти. штабики,
обладающие пористостью 10 - 15 %, подвергают ротационной горячей ковке.
Получаемые в результате этой операции прутки диаметром 2 - 3 мм передают
на волочение. В процессе ковки и волочения, которые проводятся с
промежуточными отжигами, прутки и проволока приобретают волокнистую
структуру. Длительная высокотемпературная эксплуатация в лампах
накаливания может привести в результате рекристаллизации к появлению
столбчатой (бамбукообразной) структуры, подверженной провисанию в связи
с пограничным скольжением, чему препятствуют оксидные присадки (рис.
84). Тонкая вольфрамовая проволока в деформированном состоянии обладает
прочностью до 4 ГПа, в отожженном состоянии - около 1 ГПа;
электросопротивление при 20 “С составляет 0,055 мкОм • м.
Кроме описанной схемы производства вольфрамовых изделий применительно к
получению крупногабаритных деталей, начинает расширяться
’’бесштабиковая” технология, основанная на гидростатическом прессовании,
динамических методах прессования, режимах ГИП [254, 272].
По данным австрийской фирмы ’’Plansee”, использование исходных
ультрачистых порошков вольфрама (а также молибдена, ниобия, тантала),
комбинация методов порошковой металлургии и плавки обеспечивает
изготовление продуктов с гарантированной чистотой 99,99 %, для
электронной промышленности и атомной техники [32, с. 1107]. На
международном семинаре 1989 г. приводились данные о получении порошков
вольфрама и молибдена еще более высокой чистоты - 99,9998 %,'
используемых для изготовления распылительных мишеней [273, с. 371].
Важную роль в узлах коммутации электрического тока высоко- и
низковольтного назначения (реле, выключатели, пускатели, контакторы и
т.п.) играют контактные материалы. К ним предъявляются разнообразные
требования: малое удельное и контактное сопротивление, незначительная
эрозия (т.е. способность противостоять переносу в условиях дугового
разряда и свариваемости при замыкании и размыкании),' механическая
прочность и химическая инертность, высокая теплопроводность и т.д.
Практически ни один из однокомпонентных материалов удовлетворить всем
этим требованиям не может и разумное техническое решение было найдено
при использовании псевдосплавов, состоящих, с одной стороны, из
тугоплавкого, трудноиспаряемого компонента (W, Мо, WC и др.) и
содержащих, с другой стороны, высокоэлектропроводные металлы (серебро,
медь). В табл. 49 приведены составы и свойства некоторых контактных
материалов [193, 275]. Из этих данных видно, как меняются электрические
(удельное электросопротивление р) и механические (микротвердость Ни)
свойства в зависимости от концентрации компонентов, а также при переходе
от серебра к меди и при изменении технологии смешивания (в композиции Ag
- CdO индекс М соответствует совместному соосаждению компонентов,
обеспечивающему более качественное распределение составляющих и
мелкозернистую структуру).
, Технология изготовления большинства контактных материалов на основе
вольфрама (молибдена) и серебра (меди) заключается в пропитке пористых
тугоплавких металлов легкоплавкой компонентой. Никель добавляется для
активации спекания тугоплавких металлов (Г- 1200- 1300°С) и улучшения
смачиваемости; пропитку проводят при температуре ~ 1150 °С. Контакты W
(Мо) - Ag (Си) используют для коммутации токов высокого напряжения. Для
низковольтных аппаратов, которым характерны высокая частота срабатываний
контактов, большие мощности коммутируемых токов, разнообразные
климатические условия, агрессивные среды, используют контактные
материалы на основе серебра с различными добавками (CdO, С, WC, Sn02).
Роль добавок сводится к снижению свариваемости, повышению
износостойкости. Давление прессования составляет 400 -
500 МПа, спекание проводят в вакууме при 800 °С. Если контакты работают
в скользящем режиме, то для снижения коэффициента трения в шихту
добавляют графит.
Повышение мощностей коммутирующих узлов и требований к ресурсу и
надежности их работы - все это обусловливает необходимость создания
новых контактных материалов [32, с. 609; 195]. Неплохо зарекомендовали
себя меднохромовые контакты (25 - 60 % Сг), в которых совмещается
высокая электропроводность меди и гетер-ная активность хрома, наличке
которого предотвращает также свариваемость. Эффективно снижают
отрицательное воздействие дуги, возникающей при коммутировании, пары
некоторых оксидов CdO, Sn02)- Значительное влияние на работоспособность
контактов оказывают также технологические режимы изготовления -
оптимизация смешивания исходной шихты, активирование спекания или
пропитки, экструдирование композиций на основе пластичной матрицы. Эти и
другие приемы ресурс и параметры работы коммутирующих узлов.
В последнее время усилия многих исследователей направлены на получение и
изучение свойств новых сверхпроводниковых материалов на основе оксидов
меди, бария, стронция и редкоземельных металлов, для которых температура
перехода в сверхпроводящее состояние составляет 90 - 100 К (в отдельных
сообщениях отмечаются и более высокие значения - вплоть до 240 К) [254,
276]. Интенсивно исследуют влияние состава на сверхпроводящие
характеристики, роль примесей и отклонений от стехиометрии, структурные
особенности этих фаз перовскитного типа. Спекание смесей отмеченных
оксидов проводят на воздухе при температурах около 1000*С. Исследуют
возможность изготовления лент, проволоки, пленок из этих композиций
методами экспедирования, прокатки, напыления.
Магнитные материалы. Этот класс материалов условно принято
подразделять на магнитно-мягкие, магнитно-твердые и магнито-ди-электрики.
Для повышения эффективности очистки жидкостей и
газов практикуется использование двухслойных, тонко- и грубозернистых
фильтров, что позволяет при достаточной проницаемости обеспечить хорошую
тонкость очистки, составляющую несколько микрометров. Двухслойные
фильтры изготовляют также с помощью сетчатых материалов, на которые
напыляется пористый слой. В зависимости от характера отделения частиц
различают фильтрование с закупориванием пор (глубинные фильтры) и с
образованием осадка на поверхности (поверхностные фильтры). Однако в
большинстве случаев при эксплуатации фильтров происходит частичная
закупорка пор в поверхностых слоях, в результате чего повышается
тонкость фильтрации, а следовательно, и количество оседающих на
поверхности фильтра частиц. Наиболее эффективный метод регенерации
фильтров, особенно применительно к очистке газов - это обратная
продувка. Осадок может быть удален также промывкой в органических
жидкостях, растворением, а также наложением ультразвуковых колебаний.
Как уже отмечалось, пористые материалы применяются не только для
фильтров, но и в системах пористого охлаждения, в тепловых трубах, в
огнепреградителях, в системах генерации цезия в термоэмиссионных
преобразователях, как носители катализаторов, для демпфирования
колебаний, для высокотемпературной теплоизоляции, в химических
источниках тока и для других целей. Особый интерес представляют
высокопористые ячеистые материалы, относительная плотность которых может
составлять всего несколько процентов [149, 182]. Технологические
особенности изготовления этих материалов заключаются в заполнении
шликером высокопористых полиуретановых заготовок с последующей отгонкой
и спеканием, использовании различных порообраэователей и др. Особенности
прочности, упругих характеристик, звукопоглощения, проницаемости
высокопористых ячеистых материалов на металлической основе
проанализированы В.Н.Анциферовым [149]. Физико-механические свойства при
высоких температурах (прочность, ползучесть, теплопроводность и др.)
высокопористых тугоплавких соединений - карбидов, боридов, оксидов,
нитридов - освещены С.М.Кацем.
Материалы для атомной техники. Атомная техника, включающая ядерную
энергетику, реакторостроение, ядерно-физические установки, с одной
стороны, является мощным потребителем изделий и материалов, производимых
методами порошковой металлургии, а с другой стороны, интенсивно
стимулирует создание новых материалов и технологий [2, с. 207 - 212]. В
табл. 55 приведены основные материалы, получаемые методами порошковой
металлургии и применяемые в атомной технике. Топливные композиции
относятся преимущественно к категории высокотемпературных, их используют
в виде таблеток, стержней, блоков в энергетических, исследовательских и
транспортных реакторах на тепловых нейтронах, в высокотемпературных
газовых реакторах, в реакторах на быстрых нейтронах и в реакторах
ядерных энергетических установок космического назначения. Методы
порошковой металлургии в производстве высокотемпературного топлива
практически незаменимы. Порошки тугоплавких соединений урана прессуют
под давлением ~ 300 МПа и спекают при 1500 - 2000 °С. При выполнении
технологических операций необходимо тщательно соблюдать меры
радиационной и ядерной безопасности, предотвращать окисление и
загрязнение примесями с большим сечением захвата тепловых нейтронов
(бором, вольфрамом, гафнием, титаном и др.). Важное значение имеет также
создание дисперсионных твэлов, в которых матричное наполнение и покрытия
препятствуют выходу осколков деления. Для получения таких твэлов все
чаще использую сферические порошки из тугоплавких соединений урана
и тория. Их изготовляют путем оплавления в плазме, грануляции, а также с