2.12.Вакуумная металлургия.

Металлургические процессы, при проведении которых используется вакуумное оборудование. Идея помещения расплавленного металла в вакуум для удаления из него газов высказывалась неоднократно ещё в 19 в., однако тогда невозможно было построить необходимое оборудование. Быстрое развитие вакуумной металлургии началось во 2-й пол. 20 в. В вакуумной металлургии различают операцию вакуумной обработки выплавленного металла и собственно процесс плавки в вакууме. Выплавленный обычным способом металл подвергают вакуумной обработке во время выпуска из печи или в разливочном ковше и таким образом очищают его от газов – дегазируют. Во втором случае и плавку, и разливку металла проводят в условиях вакуума. В вакуумной металлургии применяются индукционные печи,дуговыеи электронно-лучевые печи. Электронно-лучевой способ вакуумной плавки обладает рядом преимуществ по сравнению с другими: плавка проводится в медном тигле, охлаждаемом водой, что позволяет избежать реакций расплава со стенками тигля. В электронно-лучевой печи можно переплавлять все без исключения металлы и сплавы, в т. ч. тугоплавкие и быстро окисляющиеся.

Благодаря отсутствию воздуха в вакууме можно производить металл более чистый и высокого качества. Продукция, производимая на основе данного метода, отличается высокой технологичностью. Применение данных процессов производства металла уменьшает расходы на производство в значительной степени и повышает экономическую эффективность.

Применяя вакуумную технологию можно получить следующие виды сверхчистых и качественных материалов:

- тугоплавкие металлы (например, молибден);

- активные металлы;

- никелевые сплавы и высоколегированную сталь;

Промежуточные продукты, образующиеся при производстве:

-металлический порошок;

- слитки;

- прецизионные отливки;

Признаками, по которым оценивается качество: мелкозернистая структура и сверхвысокая чистота.

Применяются получаемые материалы и детали благодаря своей высокой прочности , надежности в авиакосмической промышленности и в области электроники.

2.13. Порошковая металлургия.

Порошковая металлургия — новая отрасль техники, которая базируется на последних достижениях физики, физической химии и технологии,— коренным образом меняет традиционные приемы в металлургии и машиностроении и открывает широкие возможности получения материалов с необычной структурой и особыми свойствами и изделий из таких материалов. В качестве примеров можно назвать получение металла с регулируемой пористостью, пропитку одного металла другим, соединение существенно разнородных металлов и других веществ в структурный ансамбль, то есть создание композиционных материалов, а также разработку процессов получения интерметаллидных, карбидных, боридных и других соединений в промышленном масштабе. Технологические процессы порошковой металлургии позволяют получать и использовать твердый металл в качественно новом состоянии — аморфном.

В настоящее время именно развитие порошковой металлургии определяет достигнутый уровень свойств таких новых неорганических материалов, как тугоплавкие жаропрочные сплавы и соединения, коррозионностойкие и износостойкие материалы, сплавы с высокими демпфирующими свойствами, различного рода электротехнические сплавы, материалы для специальных систем биологической защиты, чистые металлы.

Для порошковой металлургии характерно то, что она позволяет создавать гетерогенные материалы — композиты и получать крупногабаритные изделия из сложных сплавов, гомогенных по своей структуре и составу, что не удается сделать при производстве сплавов по слитковой технологии. Порошковая металлургия открывает новые пути экономии металла и повышения производительности труда.

Производство водорода из воды на основе электроэнергии, вырабатываемой атомными электростанциями, позволит организовать выпуск порошков и порошковых полуфабрикатов из железа, никеля, меди, олова, кобальта и их сплавов, кардинально решить экологические проблемы металлургического производства и существенно улучшить его топливно-энергетическую структуру путем вывода из металлургии коксующихся углей и природного газа — ценнейшего сырья для органического синтеза.

Порошковая металлургия позволяет не только создавать принципиально новые материалы с уникальными физическими свойствами, высокой удельной прочностью и пластичностью, а также осуществлять принципиально новый подход к конструированию структуры материалов, но и поднять производительность труда, кардинально решить вопросы экономии металла, наиболее рационально использовать органическое сырье и энергетические ресурсы и, наконец, создать новые, практически безотходные и безвредные технологические процессы в металлургии черных и цветных металлов.

Основной материал, потребляемый металлургией,— железный порошок, который применяется самостоятельно или служит основой для изготовления из него различного рода комбинированных материалов. Несмотря на то, что стоимость порошка выше стоимости проката, затраченного на изготовление тех же деталей, существенно меньшая трудоемкость и более высокая производительность труда в конечном счете удешевляют изделия из порошка более чем в три раза по сравнению с обычными. Экономия при этом достигается за счет полной или частичной ликвидации механической обработки (на которую приходится до 60% трудовых затрат), снижения в два и более раза расхода металла, замены механической обработки автоматизированными процессами прессования и спекания, а также за счет увеличения срока службы изделий.

Изделия из металлических порошков, в частности железографитовых, заменяют изделия из бронзы, латуни, меди и других цветных металлов, причем от такой замены народное хозяйство получает экономию как капитальных вложений, так и трудовых ресурсов.

Выбор метода производства железных порошков зависит от свойств порошков того или другого вида от наличия исходного сырья необходимой чистоты. Порошки легированного железа целесообразно производить методом распыления жидкого металла, порошки чистого железа — путем восстановления водородом суперконцентратов, содержащих не более 0,25% нерастворимого остатка.

Второй по объему потребления вид порошковой продукции — порошки цветных металлов, из которых наиболее широко используются порошки меди и ее сплавов — бронзы и латуни. Порошки цветных металлов применяются для изготовления подшипников, предохранительных затворов газопроводов, пористых аккумуляторных электродов, катализаторов и других изделий. Эти порошки получают главным образом методом распыления жидкого металла.

Большое будущее среди продуктов порошковой металлургии принадлежит различным материалам специального назначения, обладающим особыми свойствами. Здесь прежде всего следует выделить направления, связанные с разработкой материалов для стационарных и транспортных энергетических установок с рабочей температурой 1300—1500° С, ультралегких высокопрочных материалов для космической техники и средств освоения Мирового океана, материалов для водородной энергетики, материалов со специальными физическими свойствами для машиностроительной, электронной, радиотехнической, электротехнической и других отраслей промышленности.

Порошковая металлургия в сочетании с методами плазменного напыления позволяет создавать новые конструкционные материалы, получать которые другими методами не представляется возможным. К таким материалам в первую очередь необходимо отнести композиционные с металлической матрицей. Согласно перспективным оценкам, в 1990—2000 гг. конструкции летательных аппаратов на 50—60% будут состоять из композиционных материалов, модуль упругости которых будет приближаться к 300 000 МПа и прочность — к 3500 МПа. Станет возможным создание конструкций, выполненных полностью из композитов.

Наиболее высокую удельную прочность среди композиционных материалов имеют материалы, армированные волокном. В последние годы из большой группы волокон различного химического состава в качестве арматуры для металлов нашли применение волокна, главным образом, из бора и углерода, производство которых в настоящее время достигло промышленного уровня. Композиционные материалы, созданные на основе волокон бора, уже сейчас имеют предел прочности порядка 1200 МПа при модуле упругости (22—25) -10³МПа и плотности 2,5—2,75.

Некоторые виды отечественной продукции этой отрасли по своим характеристикам не имеют аналогов в мировой практике, например антивибрационные сплавы на основе композиции железо—медь. Изготовление из композиционного материала на этой основе некоторых деталей бурового снаряда, подвергаемых вибрационным нагрузкам, позволяет за счет снижения чувствительности этих деталей к вибрациям повысить стойкость коронок на 40—50%, достичь экономии алмазов в размере 40—50%, увеличить производительность труда при бурении на 20%.

Стойкость электродов из композиции вольфрам—медь при использовании их для электроэрозионной обработки и контактной сварки оказалась в 9—12 раз выше, чем у применявшихся ранее.

Изготовление биметаллического инструмента из порошков быстрорежущих сталей позволяет, по сравнению с традиционным методом, экономить на каждую тысячу тонн материала 100 т вольфрама, 90 т молибдена, 60 т хрома, 60 т кобальта, 40 т ванадия.

Один из эффективных путей повышения долговечности металла — создание защитного покрытия напылением, наплавкой и другими методами.

Большим научным и производственным опытом по нанесению защитных покрытий напылением и наплавкой обладают Институт электросварки им. Е. О. Патона АН УССР, Институт металлургии им. А. А. Байкова АН СССР, Институт проблем материаловедения АН УССР, ВНИИавтоген-маш Минхимпрома СССР и ряд других институтов.

Широкое внедрение защитных покрытий в народное хозяйство позволяет увеличить сроки службы строительных конструкций до 20—25 лет, повысить ресурс работы деталей в узлах трения в три—пять раз — особенно в технике, выпускаемой такими отраслями промышленности, как автомобилестроение, тракторостроение, сельскохозяйственное и текстильное машиностроение,— и в результате сэкономить от 8 до 10% производимого в стране металла.

В настоящее время порошковая металлургия в нашей стране представляет собой самостоятельное научное направление и высокоразвитую отрасль промышленности. Исследования советских ученых в области теоретических основ и технологии производства металлических порошков и соответствующие разработки привели к созданию ряда оригинальных процессов, реализованных в промышленном масштабе. Это получение железного порошка методом комбинированного восстановления окислов железа, получение сложнолегированных порошков гидридно-кальциевым способом, металлических порошков — путем электролиза, а также плазмохимическое восстановление и синтез тугоплавких соединений.

Сегодня технический прогресс во многих отраслях народного хозяйства страны зависит от дальнейшего развития этого нового направления науки и техники. Нужно объединить последние достижения физики твердого тела, химии и технологии неорганических матералов с тем, чтобы создать научные основы и разработать процессы получения постоянно усложняющихся по структуре и составу новых материалов.