Юрий Гуревич - Загадка булатного узора

Готовый инструмент имел очень твердый, износостойкий наконечник и мягкую упругую сердцевину. Вот уж поистине новое — это забытое старое. Но старое, повторенное, конечно, на более высоком уровне на современной технической основе.

Значительную роль приобретают в технике и другие изделия из металлических порошков. Подобно булату, многие из них обладают неравновесной структурой, представляющей собой относительно пластичную основу с равномерно распределенными в ней твердыми и прочными включениями.

Давно известно, что дисперсная (очень мелкая) фаза упрочняет сплав. Так, например, твердые дисперсные частицы цементита (карбида железа) упрочняют обычную углеродистую сталь. Высокая прочность никелевых жаропрочных сплавов в большинстве случаев обеспечивается наличием упрочняющей фазы — мелких частиц интерметаллического соединения никель-алюминий или никель-титан. Поэтому с увеличением в этом сплаве содержания алюминия и титана повышаются его механические свойства. К сожалению, при высоких температурах легированные никелевые сплавы разупрочняются вследствие растворения в них упрочняющей фазы. Стараний металлургов повысить жаропрочность никелевых и алюминиевых сплавов к положительным результатам не приводили до тех пор, пока на помощь не пришла порошковая металлургия.

В 1947 году было сделано сенсационное открытие: алюминиевые сплавы, полученные из чешуйчатого тонкодисперсного алюминиевого порошка путем брикетирования и горячего прессования, обладают очень высокими жаропрочными свойствами. Оказалось, что в таких сплавах упрочнение алюминиевой матрицы обеспечивается прочными и твердыми мелкодисперсными оксидами алюминия, которые отличаются высокой тугоплавкостью и стабильностью. А главное — они практически не растворяются в алюминии даже при температуре его плавления.

Алюминий, упрочненный частицами окиси алюминия, называют САП — спеченная алюминиевая пудра. В настоящее время промышленность производит несколько марок САП, которые применяются для самых разнообразных конструкций. САП сохраняет удельный вес алюминия и его высокую коррозийную стойкость. Его при меняют вместо нержавеющих сталей и титановых сплавов.

Порошковые покрытия являются эффективным способом борьбы с коррозией металлов. Коррозионная стойкость стали с такими покрытиями возрастает в 3–5 раз по сравнению с лакокрасочной защитой! Например, 1 т порошкового покрытия может защитить от коррозии в течение 25–30 лет 40 тыс. т металлических конструкций мостов, опор линий электропередач, железнодорожных вагонов и других строительных сооружений. Что же касается узлов трения машин и механизмов, то здесь 1 т покрытий экономит до 100 тыс. рублей, повышая стойкость деталей в 5–10 раз.

Каждый, кто был в механическом цехе, видел огромное количество стружки. Она струится из-под резцов токарных станков, заполняя цехи, а потом и заводской двор. 45–50 % стали при изготовлении из нее изделий традиционными способами уходит в стружку. При изготовлении деталей из порошковых сталей стружке браться неоткуда. Поэтому коэффициент использования металла составляет здесь 90–95 %! Не удивительно, что каждая тысяча тонн деталей из железного порошка в среднем дает в год около 1 миллиона рублей экономии, сберегает 2 тысячи тонн металла, освобождает 190 квалифицированных рабочих и 80 металлорежущих станков. Вот почему в нашей стране предусмотрено в одиннадцатой пятилетке увеличить производство металлического порошка более чем в 3 раза. Несомненно, что в недалеком будущем степень развития порошковой металлургии будет характеризовать металлургический потенциал страны в целом.

Получение конструкционных деталей из порошковых сталей включает следующие операции: получение железных порошков и порошков легирующих металлов, приготовление из них порошковой шихты заданного химического и гранулометрического состава, прессование (формирование) порошковой шихты для получения заготовок (прессовок) заданной формы и размеров и их спекание. После холодного формования механические свойства заготовок очень низкие. Для повышения механической прочности и придания изделиям необходимых физико-химических свойств сформованные заготовки спекают при температуре ниже температуры плавления железа. Спекание производят в среде восстановительного газа (водорода), инертного газа (аргона) или в вакууме.

В начальной стадии спекания между частицами сформованной заготовки существует неметаллический контакт. По мере удаления влаги и восстановления окислов на поверхности частичек порошка контакт из неметаллического превращается в металлический. Последнее приводит к уменьшению размеров заготовок, уменьшению ее пористости и, следовательно, изменению свойств. Особенно резко после спекания повышается прочность изделия.

Но все-таки после спекания из-за остаточной пористости механические характеристики изделий из порошковой стали получаются недостаточно высокими. Поэтому они могут применяться, как правило, только для слабо- и средненагруженных деталей, не претерпевающих во время работы значительных динамических нагрузок.

Для обеспечения необходимой плотности порошковой стали применяется горячая штамповка пористых заготовок. Этот процесс в значительной мере повторяет древний способ получения железных изделий горячей ковкой пористых криц (губчатого железа). Более того, одновременно с горячей деформацией пористых заготовок, так же как и при ковке булатных клинков, часто удается использовать эффекты термомеханической обработки, которые формируют специфичную мелкозернистую структуру стали, обеспечивающую ей высокий комплекс механических свойств. Таким образом, методом горячей штамповки или допрессовки пористых заготовок можно получать конструкционные детали из порошковой стали, не уступающие по своим свойствам выплавленным.

В настоящее время основная масса изделий из порошковой стали приготовляется на основе железных порошков и сажистого углерода. Так же как и булаты, они являются, как заметил П. П. Аносов, сплавом «железа и углерода и ничего более». Применение легированных стальных порошков обеспечивает более высокое качество как спеченных, так и горячештампованных изделий.

Так, например, в Институте проблем материаловедения АН УССР недавно разработана технология получения изделий из высокохромистой порошковой стали, которая очень напоминает один из способов получения булата. Смеси порошков железа, белого чугуна и хромистой стали, содержащей 30 % хрома, формуются двукратным прессованием и спекаются в печи с защитной атмосферой. Сравнительно невысокая температура и кратковременность спекания исключает выравнивание концентрации углеродов и хрома по всему объему металла, формируя этим самым неравновесную структуру типа булата. Эксплуатационные испытания в течение 9000 часов показали, что детали масляного насоса из порошковой хромистой стали с неравновесной структурой (микробулат) при работе в паре с закаленной быстрорежущей сталью обладают в 2–3 раза более высокой износоустойчивостью, чем эти же детали из обычной «равновесной» шарикоподшипниковой стали.