Порошковая металлургия: Технологии, материалы и твердые сплавы

Добро пожаловать в мир порошковой металлургии — уникальной и высокотехнологичной отрасли, позволяющей создавать материалы и изделия с характеристиками, недостижимыми для традиционных методов литья и обработки давлением. Истоки этой технологии уходят в глубь веков, когда еще древние египтяне научились спекать частицы железа, но настоящий расцвет она получила в XX веке с развитием авиации, космонавтики и машиностроения.

Суть процесса, регламентируемого в том числе и межгосударственным стандартом ГОСТ 19440-94 «Порошковая металлургия. Термины и определения», заключается в создании изделий из металлических или металлокерамических порошков. Исходный материал спрессовывается под колоссальным давлением, а затем подвергается термической обработке — спеканию при температурах ниже точки плавления основного компонента. Этот подход открывает невероятные возможности: от производства пористых самосмазывающихся подшипников и фильтров до создания композитов из несплавляемых металлов, таких как вольфрам и медь, и изготовления большинства тугоплавких материалов.

1. Технологии получения исходных порошков

Качество конечного продукта напрямую зависит от характеристик исходного сырья. Порошки — это альфа и омега всей технологии. В зависимости от требуемых свойств (химической чистоты, дисперсности, формы частиц) и природы материала, для их получения применяют различные промышленные методы.

1.1. Механические методы

Наиболее интуитивно понятный способ — это механическое измельчение. В качестве сырья часто используется стружка черных и цветных металлов. Процесс дробления происходит в специализированных агрегатах:

• Шаровые мельницы: Вращающиеся барабаны, заполненные мелющими телами (шарами), которые при вращении перемалывают материал за счет удара и истирания.
• Молотковые мельницы: Измельчение происходит за счет высокоскоростных ударов молотков, шарнирно закрепленных на роторе.
• Вихревые и струйные мельницы: Здесь измельчение достигается за счет соударения частиц друг с другом в высокоскоростном газовом потоке, что позволяет получать особо тонкие порошки высокой чистоты.

1.2. Физико-химические методы

Эти методы позволяют получать порошки с заданным химическим составом и высокой чистотой, что критически важно для производства тугоплавких и легированных сплавов.

1. Восстановление из оксидов: Ключевой метод для получения порошков тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена), а также железа. Процесс заключается в удалении кислорода из оксида металла при высокой температуре в среде газа-восстановителя (чаще всего водорода).
2. Электролитическое осаждение: Позволяет получать порошки высокой чистоты таких металлов, как медь, олово, железо. Металл осаждается на катоде из раствора его соли при прохождении электрического тока, формируя рыхлый осадок, который затем измельчается.
3. Распыление расплава: Расплавленный металл распыляется струей газа (воздух, аргон) или воды, мгновенно застывая в виде мелких сферических частиц. Этот метод широко используется для производства стальных и легированных порошков.

1.3. Синтез порошков сложных соединений

Для создания современных инструментальных материалов требуются не чистые металлы, а их сверхтвердые соединения.

• Карбид вольфрама (WC): Основа большинства твердых сплавов. Его получают в процессе карбидизации, то есть насыщения углеродом порошкообразного вольфрама в углеродосодержащей газовой среде. Сам же металлический вольфрам, соответствующий, например, ТУ 48-19-72-92 «Порошок вольфрамовый. Технические условия», получают в две стадии:

  1. Разложение вольфрамовой кислоты: H₂WO₄ → WO₃ + H₂O

  2. Восстановление оксида вольфрама в токе водорода: WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

• Карбид титана (TiC): Важнейший компонент твердых сплавов и режущей керамики. Производится путем восстановления оксида титана углеродом: TiO₂ + 3C → TiC + 2CO.
• Оксид алюминия (Al₂O₃): Базовый компонент для многих видов технической и инструментальной керамики. Его получают либо из природного сырья (бокситов), либо обжигом гидроксида алюминия (глинозема).
• Нитрид кремния (Si₃N₄): Получают высокотемпературным азотированием порошка кремния.
• Металлический кобальт (Co): Выполняет роль связующего элемента в большинстве твердых сплавов. Его получают аналогично вольфраму — восстановлением оксидов кобальта в среде водорода.

После получения всех компонентов их необходимо гомогенизировать (тщательно перемешать). Для этого чаще всего используют шаровые мельницы, где в течение длительного времени (от 2 до 5 суток) происходит одновременный размол и смешивание частиц до получения однородной массы с требуемой дисперсностью.

2. Технологии формования заготовок

После подготовки порошковой смеси наступает этап формования — придание будущему изделию первоначальной формы и плотности. Выбор метода зависит от сложности геометрии изделия, требуемой производительности и свойств материала.

1. Прессование в жестких пресс-формах: Самый распространенный метод, идеально подходящий для массового производства изделий простой формы.
2. Гидростатическое (изостатическое) прессование: Порошок в эластичной оболочке помещается в жидкость и обжимается со всех сторон равномерным давлением. Метод позволяет получать изделия сложной формы с высокой и равномерной плотностью.
3. Мундштучное прессование (экструзия): Порошковую массу, смешанную с пластификатором, продавливают через профильное отверстие (мундштук). Так изготавливают стержни, трубы и профили.
4. Шликерное литье: Технология, заимствованная из керамического производства. Суспензию порошка в жидкости заливают в пористую гипсовую форму, которая впитывает влагу, в результате чего на стенках формы образуется слой уплотненного материала.

2.1. Особенности прессования в пресс-формах

При использовании наиболее популярной технологии — прессования в пресс-формах — давление достигает 500…600 МПа. Ключевая задача на этом этапе — обеспечить максимально высокую и, что еще важнее, равномерную плотность заготовки по всему объему. Плотность напрямую влияет на усадку при последующем спекании: чем больше пор в заготовке, тем сильнее она уменьшится в размерах. Неравномерная плотность приводит к неравномерной усадке, что вызывает искажение формы и геометрии готового изделия.

Порошки инструментальных материалов обладают низкой пластичностью, что затрудняет их уплотнение. При одностороннем прессовании (когда давит только верхний пуансон) сила трения частиц о стенки пресс-формы приводит к значительному падению давления в нижних слоях. Например, при прессовании твердосплавного цилиндра высотой 25-30 мм, давление у дна формы может составлять лишь 20…30% от приложенного сверху. Для решения этой проблемы применяют двустороннее прессование, где давление прикладывается одновременно сверху и снизу, обеспечивая более равномерное уплотнение.

Для улучшения текучести смеси и снижения трения в нее вводят пластификаторы (например, парафин или раствор каучука в бензине). Эти вещества обволакивают частицы, облегчая их взаимное скольжение и способствуя достижению большей плотности. Кроме того, пластификаторы придают спрессованной заготовке («прессовке») некоторую механическую прочность, достаточную для транспортировки и дальнейшей обработки.

3. Спеченные твердые сплавы

Твердые сплавы — это композиционные материалы, состоящие из зерен тугоплавких соединений (карбидов, нитридов), сцементированных металлической связкой. В соответствии с ГОСТ 3882-74 «Сплавы твердые спеченные. Марки», они классифицируются по химическому составу.

Основу (до 80% и более) составляют карбиды, которые придают материалу высочайшую твердость (87…92 HRA) и теплостойкость (до 800…1100°С). Благодаря этим свойствам, инструмент из твердого сплава может работать на высоких скоростях резания — 100…300 м/мин и выше.

В зависимости от состава твердой фазы и металла-связки, сплавы делятся на ключевые группы:

3.1. Характеристики основных групп

• Сплавы группы ВК: Маркировка указывает состав: ВК6 означает 6% кобальта (Co) и 94% карбида вольфрама (WC). Свойства этой группы напрямую зависят от содержания связки: увеличение доли кобальта повышает прочность и ударную вязкость, но снижает твердость и износостойкость. Эти сплавы являются самыми прочными среди всех твердых сплавов.
• Сплавы группы ТК: Добавление карбида титана (TiC) повышает твердость и теплостойкость (до 1000°С), что делает их незаменимыми при обработке вязких сталей, дающих сливную стружку. Однако за это приходится платить снижением прочности по сравнению со сплавами ВК при том же содержании кобальта.
• Сплавы группы ТТК: Легирование карбидом тантала (TaC) позволяет достичь превосходного баланса между твердостью и прочностью. Наиболее ярко преимущество этих сплавов проявляется при циклических и ударных нагрузках, где их усталостная долговечность может возрастать в 6-25 раз по сравнению со сплавами ТК.
• Безвольфрамовые сплавы (ТН, КНТ): Разработаны как альтернатива дорогим вольфрамовым сплавам. В качестве твердой фазы здесь выступают карбид и карбонитрид титана, а в качестве связки — никель-молибденовая композиция вместо кобальта.

4. Металлокерамические композиции и их применение

Термин «металлокерамика» часто используется как синоним спеченных твердых сплавов, подчеркивая сходство технологии их производства с изготовлением керамики (формовка порошка с последующим обжигом). Эти материалы выпускаются в виде стандартных неперетачиваемых пластин, которые механически крепятся или напаиваются на державки режущего инструмента (резцов, фрез, сверл).

4.1. Применение сплавов по маркам

• Вольфрамовые сплавы (ВК3, ВК6М, ВК8): Благодаря высокой прочности и износостойкости, их применяют для обработки материалов, дающих стружку надлома: чугунов, бронзы, латуни, а также неметаллических материалов (стекло, фарфор, пластмассы).
• Титановольфрамовые сплавы (Т15К6, Т5К10, Т30К4): Их стихия — обработка вязких материалов, в первую очередь сталей. Сплав Т5К10 используется для тяжелых условий, включая черновое точение по корке и окалине. Марки Т15К6 и Т30К4 применяются для чистовой и получистовой обработки на высоких скоростях.
• Титанотанталовольфрамовые сплавы (ТТ7К12, ТТ10К8-В): Используются для тяжелых условий черновой обработки стальных поковок, особенно когда требуется высокая прочность на изгиб (σ_изг >> 1550 МПа) и стойкость к ударным нагрузкам.

5. Минералокерамические и сверхтвердые материалы

Минералокерамика (оксидная керамика) — это класс безметальных инструментальных материалов, созданных на основе чистого оксида алюминия (Al₂O₃), известного как глинозем. В состав могут вводиться оксиды хрома (Cr₂O₃), циркония (ZrO₂) для улучшения свойств. Яркие представители — ЦМ-332 (микролит) и термокорунд.

По твердости (HRA 90…95) и теплостойкости (рабочая температура до 1200°С) эта керамика превосходит даже твердые сплавы. Ее главное преимущество — доступность и низкая стоимость сырья. Однако есть и существенные недостатки: низкая прочность на изгиб и высокая хрупкость. Поэтому ее применяют для чистовой и получистовой обработки сталей и чугунов на очень высоких скоростях, но с малыми глубинами резания и в условиях отсутствия ударов.

5.1. Керметы и сверхтвердые материалы

• Керметы: Для повышения механических характеристик оксидной керамики в ее состав вводят металлическую фазу (вольфрам, молибден, титан). Такие композиты называются керметами (керамика + металл) и занимают промежуточное положение между твердыми сплавами и керамикой.
• Эльбор (кубический нитрид бора — КНБ): Синтетический материал, по твердости уступающий только алмазу. Его ключевое преимущество — высокая химическая инертность по отношению к железу при высоких температурах. Это делает его идеальным инструментом для высокоскоростной обработки закаленных сталей и твердых чугунов.
• Поликристаллические алмазы (PCD): Синтетические алмазы (карбонадо, баллас) используются для оснащения инструмента при обработке цветных металлов, их сплавов (особенно алюминиевых и титановых), а также твердых сплавов, керамики и композитов.

6. Пористые и конструкционные материалы

Помимо инструментальных материалов, порошковая металлургия позволяет создавать уникальные конструкционные и функциональные материалы с контролируемой пористостью.

6.1. Пористая металлокерамика

Материалы с остаточной пористостью 15…50% находят широкое применение.

• Антифрикционные материалы: Изготавливаются на основе железа (железографит) или бронзы (бронзографит). Поры такого материала пропитываются маслом, которое в процессе работы выделяется и создает смазочную пленку. Из них делают самосмазывающиеся втулки и подшипники скольжения, соответствующие, например, ГОСТ 26802-86 «Материалы антифрикционные порошковые на основе железа. Марки».
• Фильтры: Производятся из порошков нержавеющей стали, бронзы, никеля с пористостью 40-50%. Они используются для тонкой очистки топлив, масел, сжатого воздуха и различных технологических жидкостей.
• «Потеющие» материалы (материалы с транспирационным охлаждением): Предназначены для работы в условиях экстремально высоких температур. Через систему открытых пор подается хладагент (например, вода или жидкий металл), который, испаряясь на поверхности, эффективно отводит тепло. Применяются в ракетной технике и для охлаждения лопаток газовых турбин.

6.2. Компактная металлокерамика

К этой группе относятся материалы с минимальной остаточной пористостью, где важны специфические физические свойства.

• Фрикционные материалы: Композиции на основе меди или железа с добавлением абразивов (для повышения трения) и смазок (для предотвращения схватывания). Используются в тормозных колодках и дисках сцепления.
• Магнитные материалы: Порошковая технология позволяет создавать как магнитно-мягкие материалы (ферриты) для сердечников трансформаторов и катушек индуктивности, так и магнитно-жесткие (постоянные магниты) сложного химического состава.
• Электроконтактные материалы: Это композиты из неспекаемых компонентов, например, тугоплавкого вольфрама и электропроводной меди. Такие материалы сочетают высокую дугостойкость и износостойкость одного компонента с отличной электропроводностью другого.

Заключение

Порошковая металлургия является одной из самых гибких и наукоемких технологий современного материаловедения. Она позволяет не просто создавать детали, а конструировать сами материалы с заранее заданным набором свойств: от сверхвысокой твердости и износостойкости до контролируемой пористости и уникальных магнитных характеристик. С развитием аддитивных технологий, таких как 3D-печать металлами (SLS, SLM), принципы порошковой металлургии выходят на новый уровень, открывая путь к созданию изделий практически любой геометрической сложности для аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Технологическое обеспечение точности: Базирование, размерные цепи и методы монтажа - 09.10.2025
• Метрологическое обеспечение точности производственных процессов: цели и структура - 09.10.2025
• Материалы для технологических трубопроводов: сталь, пластик, металлополимеры - 07.10.2025