Історія розвитку порошкової металургії та застосування її продукції
Одним з основних напрямків розвитку технології машинобудування на сьогодні є вдосконалення відомих і розроблення нових безвідходних, матеріялоощадних технологій, тобто таких технологій, за допомогою яких можна отримувати заготівки для майбутніх деталей без або з найменшим припуском на оброблення різанням. У розв'язанні цієї проблеми певна роль належить порошковій металургії.
Порошкова металургія займається виробництвом порошків і виробів з них. Порошкового металургією отримують нові конструкційні матеріяли, які називають металокерамікою. Свій початок історія порошкової металургії бере в сивій давнині. Цим способом у Стародавньому Єгипті та Київській Русі виробляли різні вироби із заліза та кольорових металів. Проте й розвиток як виробничого способу почався в XIX ст.
Суть цього способу полягала в тому, що з губчастої платини холодним пресуванням формувала вироби, які потім спікали.
У наш час порошкова металургія набула широкого розвитку в багатьох
країнах Світу. Порівняно з традиційними способами-виготовлення заготівок – різанням, литтям, тиском – вона майже безвідходна, Так, відходи при виготовленні деталей різанням із заготівок, отриманих литтям, становлять до 20-80%, а в процесі виготовлення їх порошковою металургією – всього 5-10%. У разі використання цієї технології виготовлення виробів невеликі затрати праці. Наприклад, у процесі виготовлення деталі кількість технологічних операцій скорочується з 20-40 до 4-6. За допомогою даної технології можна отримувати матеріяли та вироби з наперед заданими властивостями – високою твердістю, зносостійкістю, жароміцністю, стабільними магнетними властивостями. Ще одна важлива перевага порошкової металургії – за її допомогою можна отримувати такі штучні матеріяли та вироби з них, які не можна виготовити іншими способами. Якщо порівняти втулки бронзової вальниці, виготовлені литтям і спіканням з порошків, то перевага буде на боці останньої. У процесі спікання в матеріялі утворюються пори, в які заходить мастило. Саме тому такі деталі довговічніші й мають нижчий коефіцієнт тертя. Ефект зростає, якщо до складу шихти додати графіт або іншу мастильну речовину. Заміна мастильних матеріялів у шихті на фрикційні дає можливість отримати матеріяли, з яких виготовляють муфти зчеплення. Деталі для гальм тощо.
Ефективність порошкової металургії збільшується за умов масового виготовлення виробів. Так, у процесі виготовлення 1 тис. тонн деталей економиться понад 200 т сталі, вивільнюється 200 робітників і 50 металорізальних верстатів. Із збільшенням випуску виробів собівартість порошкових виробів зменшується порівняно із собівартістю виробів, отриманих литтям.
Порошкова металургія забезпечує машинобудівну промисловість конструкційними, фрикційними й антифрикційними матеріалами; електротехнічну й електронну – магнетами, катодами, резисторами; інструментальну та добувну промисловості – твердими та надтвердими сплавами; авіаційну та космічну техніку, атомну енергетику – жаростійкими та міцними матеріялами; хемічну та металургійну промисловості – хемічно- та термічностійкими матеріалами, каталізаторами, вогнетривами. Але основна маса пропікші порошкової металургії (60-70%) використовується в автомобілебудуванні.

Способи виготовлення порошків
Виробництво порошків – складова частина технологічного процесу порошкової металургії. Порошки виробляють механічними та фізико-хемічними способами. Такий поділ умовний.
Механічні способи виготовлення порошків подрібнення, розмелення, розпилення) приводять до зміни розмірів та форми частинок. Хемічний склад отриманої продукції, якщо не враховувати забруднення матеріялами, з яких виготовлено обладнання, залишається без зміни.
Фізико-хемічні способи (відновлення, дисоціація) характеризуються тим, що хемічний склад отриманого порошку значно відрізняється від складу сировини.
Іноді для підвищення економічності або поліпшення властивостей порошків застосовують комбіновані способи їх виготовлення. Так, у ході розпилення розплавлений метал спочатку гранулюють, а потім відпалюють у середовищі водню. У процесі електролізу отримують щільні, але крихкі частинки, які потім розмелюють. У промисловості найширше застосовують способи відновлення з оксидів і розпилення.
Спосіб отримання порошку впливає на форму та розмір частинок, його властивості та вартість. Порошки одного й того самого хемічного складу, але отримані різними способами відрізняються розмірами та формою частинок, плинністю. Чим дрібніший порошок, тим більша кількість частинок міститься в одному й тому самому об'ємі, а відповідно збільшиться й тертя частинок у ході пресування, що приводить до нагрівання частинок. Вони стають пластичнішими та міцніше схоплюються між собою. Проте слід пам'ятати, що надто дрібний порошок швидше окиснюється, а це часто спричиняє зменшення міцності виробів. Тому вибір способу виробництва порошку залежить від сировини, способу пресування, спікання, а також призначення отриманої деталі.

Властивості порошків
Порошки характеризуються фізичними, хемічними та технологічними властивостями. Основні з них регламентуються стандартами та технічними умовами.
Технологічні властивості порошків основні. До них належать насипна маса, плинність, здатність пресуватись і формуватись.
Насипною масою називають масу одиниці об'єму .вільно насипаного порошку (кг/м3).
Чим більші за розміром частинки і точніша їх форма, тим більша насипна маса порошку. Залежно від способу отримання порошку насипна маса порошку одного й того самого матеріялу буде різною.
Плинністю називають швидкість проходження порошку через отвір певного діяметра.
Ця властивість порошку впливає на рівномірність заповнення прес-форми порошком і швидкість ущільнення в ході пресування. Чим менший розмір частинок, тим гірша плинність.
Здатність пресуватись – це здатність ущільнюватись і набувати форми під дією зовнішніх сил.
Здатність формуватись – це здатність виробу зберігати свою форму після ущільнення за мінімального тиску.
Усі ці властивості впливають на кінцевий результат порошкової металургії, яким є виріб.

Підготовлення шихти до пресування виробів
Шихта складається з порошків і спеціальних речовин (каучук, бензин, парафін, графіт тощо). Порошки подрібнюють, очищають, додають спеціальні речовини і все разом перемішують.
Підготовлення шихти – дуже важлива операція технологічного процесу, оскільки на поверхні порошків є оксидні плівки, молекули води, мастил та інших речовин. Вони потрапляють на поверхню порошків у процесі їх виготовлення та транспортування.
Незначний вміст названих речовин у порошку згубно діє як на технологічні, так і на експлуатаційні властивості виробів. Так, вміст оксидів на поверхні порошку, з якого виготовляють радіодеталі, має не перевищувати 1%, інакше деталі матимуть дефекти. Оксиди хрому, кремнію, алюмінію погіршують пресування порошків та спікання виробів. А наявність водню, азоту, оксиду вуглецю збільшують ще й крихкість, особливо порошків трудноплавких металів. Чим дрібніше помелені порошки, тим вони більше забруднені. Щоб запобігти забрудненню порошків, їх зберігають у щільно закритих контейнерах, заповнених інертним газом. Це дорогий спосіб зберігання порошків. Тому в більшості випадків порошки перед використанням очищають. Наприклад, проводять відпалення в печах із використанням відновної атмосфери. Ця операція не лише очищає порошок від оксидних плівок, а й підвищує його технологічні властивості.
Щоб полегшити формування та спікання виробів, до порошку додають спеціальні речовини. Так, до порошків, з яких отримують тверді сплави, додають розчин каучуку в бензині або парафіні, до порошків із сталі – веретенне мастило або олеїнову кислоту.
У процесі виробництва антифрикційних деталей до шихти додають графіт, для фільтрів – карбонат алюмінію або натрію. У ході спікання виробів, виготовлених із шихтових матеріялів, в яких містяться також леткі речовини, виділяється велика кількість газів, що призводить до утворення закритих пор.
Перемішують шихтові матеріяли у млинах, змішувачах тощо. Під час роботи з порошками слід пам'ятати, що вони шкідливі для здоров'я; можуть самозайматися. Тому в ході роботи з порошками потрібно користуватись респіраторами (від лат. “respiro” – дихаю), а приміщення обладнати вентиляцією.

Формування виробів із порошків
Способи формування виробів
Виріб, отриманий з порошку, називають порошківкою. Найпоширенішим способом формування порошківок є холодне та гаряче пресування, вальцювання та шлікерне лиття
1. Пресування. Вироби пресують у прес-формах. Зусилля прикладають з одного або з двох чи більше боків.
Однобічне пресування (рис. 76,а) застосовують для виготовлення виробів простої форми (втулки, кільця тощо).
Під дією пуансона 1 порошок 2 ущільнюється, деформується і навіть частинки руйнуються. Внаслідок впливу сил тертя порошку об стінки прес-форми 3 прикладене зусилля розподіляється нерівномірно, що спричинює нерівномірність густини матеріялу та погіршення якості виробу. Чим більше відношення висоти виробу до його діаметра, тим більшим буде коливання густини матеріялу.
Двобічне пресування (рис. 76,6). У процесі двобічного пресування два пуансони рухаються назустріч один одному. Цим способом пресування виготовляють вироби, в яких відношення висоти до діяметра перевищує два. Внаслідок зустрічного руху двох пуансонів збільшується рівномірність розподілу густини частинок порошку за висотою. Для досягнення однакової середньої густини порошку прикладають зусилля, яке на 30-40 % менше, ніж у ході однобічного пресування. Для отримання виробів складної форми використовують машини з кількома пуансонами.
Мундштукове пресування (рис. 77) застосовують у випадку отримання виробів, довжина яких значно перевищує діяметер (прутки, труби тощо). Ці вироби виготовляють із порошків, які важко пресуються (порошки берилію, вольфраму, тощо).
Процес отримання виробів полягає в тому, що порошок, який перебуває в порожнині контейнера 2, витискається пуансоном 1 через отвір мундштука матриці 3. Профіль отриманого виробу визначається формою отвору мундштука і може бути як простим, так і складним.
Щоб підвищити густину матеріялу майбутнього виробу, використовують вібрацію, яка до порошку передається через контейнер або пуансон. За допомогою вібрації в кілька разів можна зменшити зусилля на пуансоні.
Гаряче пресування характеризується суміщенням двох процесів: пресування та спікання виробів. У процесі нагрівання порошку до високих температур (майже до температури спікання) підвищується його пластичність, тому тиск у ході пресування значно нижчий. Гарячим пресуванням можна отримати вироби з порошків, які важко пресуються. Це порошки жароміцних матеріялів, твердих сплавів і чистих трудноплавких металів (вольфрам, молібден).
2. Вальцювання. Цей спосіб виготовлення порошківок є економічно вигідним. Вироби виготовляють безперервним формуванням, а потім спікають. Цим способом отримують стрічку та прутки. Вальцювання можна проводити у вертикальному та горизонтальному напрямах (рис. 78).
У процесі вальцювання у вертикальному та горизонтальному напрямі (рис. 78,а,б) порошок 2 з бункера 1 безперервно надходить у зазор між валками 3. У ході обертання валків порошок обтискається і витягується в стрічку або лист певної товщини 4. Застосовуючи бункер 5 з однією (рис. 78,в) або кількома перегородками, можна отримати дво- або багатошарові вироби (стрічки, листи) з різних за складом матеріялів.
На сьогодні вальцюванням отримують листи товщиною 0,025-3 мм і шириною до 300 мм і прутки різного профілю.
3. Шлікерне лиття. Його застосовують для виготовлення виробів складної форми (наприклад, лопаті турбін) із крихких і твердих порошків (карбідів, сіліцидів, нітридів тощо).
Шлікером називають суспензію порошку та рідини, яку заливають у гіпсову або керамічну форму.
Рідина із шлікера виходить крізь пори у формі, а в середині неї утворюється виріб. Підсушений виріб витягують із форми, для чого форму руйнують. Після остаточного висушування виріб спікають.
Спікання та викінчення порошкових виробів
Вироби, отримані з порошків, мають малу міцність. Щоб надати їм великої міцності та твердості, їх спікають.
Спікання виробів. Спіканням називають відпалення виробів за температури, яка становить 0,7-0,8 температури плавлення основної складової шихти.
Час спікання становить 1-2 год. Під час спікання у виробах відбуваються складні фізико-хемічні процеси (відновлення оксидів, дифузія, рекристалізація, зняття залишкових напружень), поліпшуються механічні властивості тощо.
Спікання процес – досить тривалий, який потребує великих затрат енергії. Щоб скоротити час спікання, використовують ультразвук, магнетне поле тощо. До хемічних чинників, які прискорюють процес спікання, належать відновно-оксидні реакції. Важливу роль відіграє склад атмосфери, в якій проводять спікання. Атмосфера може бути захисною або відновною. Це водень, дисоційований (лат. dtssociatio, від dissocio – розєдную) амоніак. Ефективним є також вакуум. Використання вакууму підвищує собівартість виробів. Тому у вакуумі спікають лише вироби, виготовлені з порошків титану, танталу, ніобію, берилію.
Спікання проводять у печах різного типу, які працюють періодично та безперервно. Печі періодичної дії використовують у ході спікання невеликих партій порошкових виробів. У процесі масового виробництва виробів використовують методичні печі безперервної дії (конвеєрні, з рухомим черенем тощо).
Технологія спікання досить складна, а тому робітники, що працюють у термічних цехах, мають знати основи порошкової металургії, щоб не допускати дефектів у виробах.
У термічних цехах завжди є отруйні та вибухонебезпечні гази (водень і кисень), електричний струм. Тому слід пам'ятати про герметичність обладнання, вентиляцію, сигналізацію (звукову, світлову) тощо.
2. Викінчування виробів. У разі потреби порошкові вироби викінчують. Викінчення складається з таких операцій: калібрування, різання, термічна та хеміко-термічна обробка, повторне спікання тощо.
У процесі калібрування уточнюють розміри виробів, ущільнюють і полірують їх поверхні тощо.
Різання (точіння, свердління, фрезування тощо) застосовують тоді, коли пресуванням не можна виготовити вироби потрібної форми та розмірів, для нарізання внутрішньої та зовнішньої різі, отримання-вузьких, але глибоких отворів тощо.
У процесі різання користуються інструментами, виготовленими з надтвердих сплавів або алмазів.
Термічну та хеміко-термічну обробку порошківок проводять так само, як для металів і сплавів.
Повторне пресування проводять тоді, коли в ході першого пресування не можна отримати виріб складної форми.