Металлический порошок: как производится и где применяется

Найденные в гробнице Тутанхамона (3500 г. до н.э.) железные кинжалы с покрытием из порошкового золота свидетельствуют о том, что металлический порошок используется с древних времен, как в кузнечном, так и в ювелирном деле. Действительно, до изобретения гальванизации это был единственный способ получить внешне «золотой» предмет, в то же время с пригодной для оружия прочностью и с минимальными затратами драгоценного металла.

Теоретические основы порошковой металлургии заложил М.В.Ломоносов, в серии работ «Истинная физическая химия» (1752-1763 г.). В учебнике для горных инженеров приведены сведения о физическом размельчении металлов, их зернением в воде, способах фильтрации получившегося порошка.

Технология промышленного производства и использования металлических порошков разработал русский П.Г.Соболевский в 1827 г. на примере платины, хотя все операции (измельчение, холодное прессование в форме, спекание, постдеформация) применяются для различных металлов и сейчас. В 1885 году во Франции изобрели газовую горелку для высокотемпературной плавки, и про порошковую технологию забыли на 50 лет, вплоть до изобретения лампочки Эдисоном, нить которой производилась из спечённого вольфрамового порошка.

В начале XIX века начался выпуск порошковых самосмазывающихся подшипников (1922 г.), электроконтактных материалов (1930-е годы), корпусных элементов автомобилей (1937 г.). В послевоенные годы порошковая металлургия стала самостоятельной отраслью, с производством порошка из большинства металлов и сплавов, для изготовления из него фольги, проволоки, листов спеканием в жидкой или газовой среде, в вакууме или под давлением.

Промышленное производство порошковых материалов

Для производственных целей используются фракции  от 0,01 до 1000 мкм, по размерам сопоставимые с толщиной волоса человека (25 – 200 мкм). В зависимости от способа производства, частицы имеют различную форму (пластинчатые, губчатые, сферические, тарелевидные и др.), что влияет на физико-эксплуатационные свойства получаемых деталей наравне с размерами фракции. Способы измельчения металла в порошок разделяются на механические и физико-химические.

Механические способы применяются для хрупких материалов, таких как бериллий, марганец, хром, чугун. Размалывание пластичных материалов (железа, меди, цинка) затруднено из-за того, что они деформируются без разрушения.

Щековое дробление происходит сжиманием материала между подвижной и неподвижной щекой дробилки, при усилии до 300 МПа. Метод позволяет получать частицы размером 1-4 мм., требующие последующего измельчения другими способами.

Валковые дробилки состоят из пар валков, с гладкой или рифлёной поверхностью, вращающихся в противоположных направлениях. Крепление валков, во избежание заклинивания, шарнирное, с подвижностью в горизонтальной плоскости, на случай попадания большого куска твёрдого материала. Гранулы для размола подаются механизмом, обеспечивающим их равномерный поток и распределение. Величина получаемых фракций - 0,5 – 1мм.

Самым простым устройством для измельчения являются шаровые мельницы. Они представляют собой барабан с загруженными внутрь размольными телами – тяжёлыми шарами или цилиндрами. При вращении, размольные тела приподнимаются по стенкам и падают на слой обрабатываемых гранул, измельчая их. Для ускорения процесса его часто проводят в жидкой среде.

Дальнейшим развитием шаровых мельниц является механическое легирование, при котором барабан вращается с большой скоростью, а шары возвращаются в рабочую зону лопастями. Размер частиц определяется временем помола, которое может достигать 10 часов.

Вихревые и струйные мельницы в качестве рабочего инструмента используют два высокоскоростных противоположных потока, генерируемых вентилятором или компрессором. Частицы, попадая между ними, сталкиваются друг с другом и самоизмельчаются. Главным преимуществом таких агрегатов служит отсутствие изнашивающихся при соприкосновении с порошком частей.

Измельчение ультразвуком с частотой до 1 ГГц также не требует замены изнашивающихся частей установки, и основано на кавитационном разрушении частиц в жидкой или газовой среде.

Химические методы основаны на восстановлении металлов. Несмотря на их применимость не только к хрупким, но и пластичным материалам, для каждого металла или сплава процесс индивидуален, варьируются реагенты, температура, время воздействия и пр. факторы.

Сферы использования продукции порошковой металлургии

Получаемые в результате спекания порошка пористые материалы, в зависимости от технологии изготовления, могут иметь антифрикционные свойства. Поршневые кольца, самосмазывающиеся подшипники скольжения, торцевые уплотнители производятся из таких материалов. Уменьшение трения в узлах увеличивает долговечность этих деталей в 1,5-10 раз.

Напротив, порошковые фрикционные материалы обладают повышенным трением, и используются в производстве муфт сцепления, в том числе и для работы в масляных средах, тормозных устройствах. Например, в авиастроении используются тормозные барабаны из стали, с нанесённым при высокой температуре и давлении порошковым покрытием (обычно смесями графита, диоксида кремния, олова, свинца). Они функционируют при температурах до 1100^оС, скорости трения в десятки метров в секунду и нагрузках до 1,5 МПа.

Из высокопористых материалов изготавливают фильтры для масел и охлаждающих жидкостей, ввиду их стойкости к высоким температурам. В последние десятилетия такие материалы находят применение в производстве теплопроводящих трубок (например, для отвода тепла от процессора к радиатору в ноутбуках, или как элемент охлаждающего контура атомных электростанций).

Магнитные и электротехнические порошковые материалы обладают высокой тепло- и электропроводностью, прочностью к истиранию, не склонны к коррозии. Из них изготавливают щётки для электродвигателей, роторы, статоры, контакты прерывателей и выключателей.