Легче алюминия и прочнее стали

Исследование свойств различных композиционных мате­риалов показало, что не только по прочности, но и по другим физико-механическим свойствам они превосхо­дят каждый компонент, входящий в их состав. Созданы композиционные материалы, выдерживающие большие нагрузки, подвергающиеся большому тепловому воздей­ствию, выдерживающие частые и резкие смены темпера­тур. Например, введением волокон асбеста в керамику можно повысить в несколько раз ее способность выносить тепловые удары. Волокна асбеста, как сталь­ная арматура железобетона, связывают зерна огнеупора и удерживают их при резких перепадах темпера­тур от распада. Если изготовить трубку из керамиче­ской массы шамота, добавив в качестве высокотемпера­турного связующего скелета волокна каолина, то термо­стойкость шамота возрастает в десятки и даже сотни раз, Без подобных материалов сегодня немыслимы атомоходы, сверхзвуковые самолеты и космическая аппара­тура.

Волокнистые композиционные материалы конструи­руются из металлической или керамической основы и упрочняющего волокна различного строения. Для полу­чения волокон в зависимости от необходимых свойств используют самые разнообразные материалы: проволо­ку из молибдена или вольфрама, жаропрочной и жаро­стойкой стали, окись алюминия, каолин, графит, раз­личные бориды, карбиды и нитриды. Каждый из таких волокон обеспечивает материалу определенный комплекс свойств. Введение волокон в матрицу чаще всего осу­ществляется методом формования волокон и порошка материала для матрицы или пропиткой волокон жидким металлом матрицы.

Очень напоминают технологию приготовления сва­рочного булата методы производства волокнистых ком­позиционных материалов, упрочненных проволокой. Та­кие материалы разделяются на армированные прово­локами, армированные сетками и армированные прово­лочными волокнами ограниченной длины. В последнем случае отдельные проволочные волокна располагаются в матрице в виде включений.

Прочность кобальта, нихрома и других сплавов, ар­мированных вольфрамовой или молибденовой проволо­кой при температурах 300—1100° С, повышается в не­сколько раз. Армирование серебра волокнами окиси алюминия повышает его прочность в 5 раз. Алюминий, упрочненный волокнами окиси кремния, имеет прочност­ные свойства лучших алюминиевых сплавов. По данным ряда исследований, введение в вольфрам частиц туго­плавких окислов или карбидов и боридов повышает его длительную прочность и срок службы в 25—50 раз.

Все большее значение приобретают в технике ком­позиционные материалы, армированные монокристалла­ми — усами или нитевидными кристаллами. Нитевидные кристаллы повышенной прочности встречаются и в при­роде. К таким кристаллам можно отнести нефрит — разновидность минерала актинолита (лучистого камня, от греч. «актис» — луч, «литое» — камень). Нефрит состоит из игольчато-лучистых, иногда волосовидных аг­регатов. Его цвет может меняться в зависимости от со­держания в нем закиси железа от светлых зеленовато-серых тонов до темно-зеленых. С древнейших времен нефрит ценят как необычайно прочный поделочный ка­мень. В Самарканде в мавзолее Гур-Эмир выделяется строгой красотой темно-зеленое нефритовое надгробие Тимура.

Мы уже рассказывали об огромной прочности ме­таллических усов. Однако наиболее прочными из всех известных материалов являются графитовые нитевидные кристаллы — их прочность на растяжение достигает 20000 МПа, а модуль упругости составляет 10⁶ МПа. И все это при относительной легкости материала. Известны два способа получения усов графита: в дуге с графито­выми электродами, горящей при высоком давлении, и при термическом разложении углеводородов.

Сапфир — одна из форм существования оксида алю­миния. Нитевидные волокна сапфира получают из рас­плавленной окиси алюминия. Устройством для вытяги­вания волокон служит молибденовый капилляр, укреп­ленный на дне молибденового тигля. Расплав окиси алю­миния при температуре плавления 2050° С поднимается по капилляру, захватывается затравкой, с помощью ко­торой вытягивается волокно. Вытягивание волокон диа­метром 0,1—0,5 мм производится с достаточно большой скоростью. Прочность сапфировых волокон при растя­жении достигает 2600 МПа.

К сожалению, до настоящего времени не разработаны эффективные методы введения нитевидных кристал­лов в различные матрицы. Не изучены также в доста­точной мере методы предотвращения взаимодействия и достижения необходимой степени сцепления нитевидных кристаллов с матрицей. Это в значительной мере препят­ствует достижению высокого уровня упрочнения и поз­воляет использовать только малую часть чрезвычайно высоких свойств нитевидных кристаллов. Кроме того, производство нитевидных кристаллов пока еще очень сложно, и они еще очень дороги.

Правда, в настоящее время освоено промышленное производство усов сапфира и карбида кремния. Цена за последнее время на них снизилась более чем в 200 раз. Волокна сапфира характеризуются высокой химической инертностью к металлам, что дает возможность исполь­зовать их в качестве упрочнителей никелевых, кобаль­товых, титановых и других сплавов для работы при вы­соких температурах. Нитевидные кристаллы сапфира (прочность 7000 МПа) и карбида кремния (прочность — 12000 МПа) в будущем станут широко использоваться в качестве армирующих материалов.

Для эффективного использования волокон, как уже отмечалось, необходимо решить проблему хорошего сцепления твердых и прочных нитевидных кристаллов с мягкой и пластичной металлической матрицей. Разре­шима ли эта проблема? Оказывается, да! Недавно было найдено, что покрытие из сплава железо—никель—ко­бальт, нанесенное на поверхность усов сапфира вакуум­ным напылением, обеспечивает достаточно прочное сцеп­ление волокон этого материала со сплавом никель—пал­ладий. Установлено также, что предварительная обра­ботка поверхности углеродных волокон или нанесение на них барьерного слоя металлов, карбидов или нитри­дов значительно улучшает их смачиваемость металлом матрицы, а следовательно, и прочность сцепления с ней.

В связи с этим весьма перспективным становится композиционный материал на основе углеродного волок­на. Хотя углеродное волокно известно более 70 лет, ин­терес к нему возник сравнительно недавно, после того как был разработан процесс получения высокопрочных и высокомодульных углеродистых волокон из полиакрил-нитрида. Этим методом при низкотемпературной графитизации получают углеграфитные волокна прочностью 3500 МПа. Углеграфитные волокна выпускаются в виде нитей, содержащих 1000—2000 элементарных волокон.

Давайте представим себе, что ученые и инженеры нашли метод получения дешевых углеграфитных воло­кон, а еще лучше — нитевидных кристаллов графита, и разработали эффективную технологию армирования та­кими кристаллами алюминия или пластмассы. Такой материал может быть в 2—6 раз прочнее легированных сталей и гораздо легче самого легкого металла — алю­миния. Но этого мало, материал на основе алюминия дол­жен легко подвергаться горячей деформации при 500— 550° С, а на основе пластмассы — 100—120° С. Послед­ний можно «ковать», например, нагревая в воде или па­ре.

Автомобиль из такого материала будет в 3—4 раза легче, его сумеет поднять один человек... Кроме того, в любых погодных условиях кузов автомобиля не будет подвержен атмосферной коррозии, а расход горючего сократится в несколько раз. Фантазия? Нет. Фирма «Форд» уже сделала опытный образец такого легкового автомобиля — его стоимость составила 3,5 миллиона долларов!

Появление сравнительно дешевых автомобилей из прочных и легких композитов — дело недалекого буду­щего. Получение и применение композиционных мате­риалов в промышленности развивается быстрыми тем­пами. Так, первый высокопрочный композиционный ма­териал, армированный нитевидными кристаллами, был получен в 1961 году, а в 1975 году такие композиции уже применялись в газотурбинных двигателях, корпусах глубоководных аппаратов в качестве пропитанных тка­ней, тросов, кабелей и других изделий. Есть все основа­ния надеяться, что скоро композиты будут армировать волокнами с пределом прочности 7000—15000 МПа, а промышленность в достаточно большом количестве бу­дет производить дешевые композиционные материалы на их основе. Итак, будущее за материалами со струк­турой типа булата.

Сварка по-дамасски

При изготовлении булата и дамасской стали большую роль играли процессы диффузии (перемещения) угле­рода из жидких, полужидких или твердых масс высоко­углеродистой стали в частицы малоуглеродистого железа, обеспечивающие сварку этих разнородных материалов. Сегодня подобные процессы называют диффузионной сваркой.

Можно ли приварить к стали стекло? Конечно, тра­диционные способы сварки не могут обеспечить соедине­ние разнородных материалов: металл и неметаллический материал для них несовместимы. Преодолеть барьер та­кой несовместимости помог сравнительно недавно откры­тый в СССР Н. Ф. Казаковым способ диффузионного соединения материалов в вакууме и газовых средах. В последние годы диффузионная сварка нашла широкое применение при соединении различных металлов и спла­вов между собой и с неметаллическими материалами, в том числе и со стеклом.

Современный процесс диффузионной сварки заключа­ется в следующем. Две детали помещают в вакуумную камеру специальной установки и располагают так, чтобы их свариваемые поверхности хорошо стыковались. Для этой цели стыкующиеся поверхности предварительно шлифуются, после чего обезжириваются каким-либо растворителем. В процессе сварки детали сжимают при помощи гидравлического устройства. Величина прилага­емого давления должна быть достаточной, чтобы в ре­зультате деформации поверхности соединяемых деталей все пустоты в области стыка заполнялись свариваемы­ми материалами. После сжатия в вакуумной камере по­вышают температуру. Температура сварки для одно­родных металлов составляет 0,5—0,7 температуры их плавления. При соединении разнородных материаллов температура несколько ниже.

Тесный контакт свариваемых поверхностей и исклю­чение их окисления обеспечивают взаимную диффузию атомов контактирующих материалов. Сварочное соеди­нение образуется в результате диффузии атомов через поверхность стыка как в твердом, так и в жидком сос­тоянии. Примечательно, что если процесс соединения протекает при наличии жидкой фазы, то потребность в давлении отпадает, благодаря тому что происходит пред­варительное смачивание соединяемых поверхностей жид­кой пленкой. Таким образом, в последнем случае способ диффузионной сварки повторяет почти в точности, ко­нечно, на современном научном техническом уровне древние приемы, обеспечивающие высокое качество бу­лату.

Под руководством Н. Ф. Казакова разработаны про­мышленные методы диффузионной сварки разнообраз­ных металлов и неметаллических материалов. Металлы сваривают со стеклом, керамикой, графитом, полупро­водниками и другими неметаллами. Диффузионная свар­ка обеспечивает создание конструкций, в которых сое­динения обладают новыми свойствами и прочностью, превышающей прочности исходных материалов. Она де­лает возможным образование таких форм и соединений, которые не могли быть изготовлены ранее известными способами. Недаром разработанный в Советском Союзе способ диффузионной сварки в вакууме и оборудование для нее запатентованы в США, Японии и ряде стран Западной Европы.

Итак, диффузионная сварка в вакууме или защит­ном инертном газе обеспечивает прочное соединение между металлами и сплавами. В древности не умели создавать вакуум и не знали газовых защитных сред. Поэтому древние мастера при изготовлении сварочных булатов для предохранения от окисления свариваемых поверхностей пользовались специальными флюсами. Этот факт натолкнул нас на идею, что возможно диффу­зионное соединение металлов и сплавов на воздухе без применения вакуумного оборудования — при использо­вании для растворения адсорбированных на сваривае­мых поверхностях оксидов пленки жидкого флюса (шла­ка).

Состав флюса был подобран так, чтобы температура его плавления была на 100—200° С ниже температуры сварки. Кроме того, жидкий флюс (окисный расплав) растворял оксиды железа и легирующих элементов и легко выдавливался сварочными поверхностями при за­данном давлении.

Процесс сварки производился следующим образом: свариваемые поверхности двух образцов шлифовались и обезжиривались, после чего они помещались в спе­циальную установку, где осуществлялось обволакивание их пленками жидкого флюса под необходимым давле­нием. Полученные соединения стали 45 и чугуна, стали 45 и нержавеющей стали, стали 45 и быстрорежущей стали оказались достаточно прочными. Прочностные ис­пытания образцов под действием ударной нагрузки по­казали, что разрушение происходит не по сварному шву. Металлографическим анализом установлено: диффузия углерода и легирующих элементов обеспечивает форми­рование прочного сварного соединения. Таким образом, древний метод диффузионной сварки, использовавший­ся дамасскими кузнецами, нашел применение в совре­менной технике.

От крицы к крице

Каждый знает, что без генератора двигатель автомоби­ля работать не может. Ни один генератор не будет ра­ботать без медно-графитовых щеток, которые забирают электрический ток с коллектора электромашины.

Сегодня изготовление медно-графитовой щетки не яв­ляется проблемой, однако в процессе создания этого ма­териала ученые столкнулись с немалыми трудностями. Дело в том, что графит не растворяется в меди, и поэто­му получить этот материал традиционным методом сплавления невозможно. Можно, правда, расплавить медь и путем интенсивного перемешивания в ней порошка графита создать медно-графитную эмульсию. Ес­ли такая эмульсия будет кристаллизоваться (затверде­вать) в условиях невесомости (например, на космиче­ском корабле), то ее состав после затвердевания получит­ся однородным. Изготовленный таким образом материал мог бы применяться для медно-графитовых щеток. Но сегодня такая «космическая» технология является, ко­нечно, неприемлемой для промышленности. В условиях земного тяготения легкие частицы графита не распре­деляются равномерно в меди, обладающей значительным удельным весом. Поэтому сплавлением получать одно­родный медно-графитовый материал практически не­возможно.

Как же ученые решили эту достаточно сложную за­дачу? Они нашли способ производства медно-графитных щеток, как две капли воды похожий на старинный спо­соб получения... сварочных булатов.

Есть сведения, что в Х веке арабы применяли такую технологию для изготовления клинков из сварочного бу­лата: из прокованных железных криц получали опилки, которые слегка окисляли, сваривали горячей ковкой и выжимали заготовку для клинка. Аналогичный способ производства мечей применялся и древними германца­ми. Стальной порошок перед сваркой подмешивался в корм птицам и пропускался через их пищеварительный тракт. Процесс пищеварения способствовал равномерно­му окислению порошка, а взаимодействие с птичьим по­метом, содержащим углеродно-азотистые органические соединения, приводило к его цементации и азотированию. Полученный ковкой и сваркой такого порошка сварочный булат обладал высокими свойствами, по­скольку частицы железного порошка, из которых он был «спечен», имели твердые, изностойкие карбидные или нитридные оболочки и пластичные, вязкие сердцевины.

Так вот, медно-графитные щетки приготовляются по­добным образом. Сначала тщательно смешивают порош­ки меди и графита, затем путем прессования в специаль­ных пресс-формах готовят прессовки из полученной сме­си и спекают их при высокой температуре в печах с нейтральной или восстановительной атмосферой. В наше время подобные методы получения металлических спла­вов и других материалов относят к порошковой метал­лургии.

Порошковая металлургия как искусство получения губчатого металла, металлических порошков и изделий из них появилась в глубокой древности. Порошки золота, меди и бронзы применяли как краски и использовали для декоративных целей в керамике и живописи. Ювелир­ные изделия, полученные спеканием засыпанных в соот­ветствующие формы порошков золота и серебра, встре­чаются среди сокровищ египетских фараонов, вавилон­ских царей и древних инков. В дальнейшем этот способ получения металлических изделий был практически за­быт.

Заслуга возрождения порошковой металлургии и пре­вращения ее в технологический процесс производства ме­таллических изделий принадлежит русскому металлургу П. Г. Соболевскому, который в первой половине XIX ве­ка совместно с В. В. Любарским разработал техноло­гию прессования и спекания платинового порошка.

А случилось это так. В 1819 году на Урале в Верх-Исетском округе были открыты значительные залежи платины. Платина на Урале была известна давно — ее зерна часто находили при добыче золота. Вплоть до XVIII века никакого применения они не находили, и по­этому зерна платины либо сбрасывали в отвалы, либо местные охотники использовали их как дробь при стрель­бе. Открытые большие залежи чистой платины долгое время оставались неиспользованными, и никто не знал, как и на что их употребить.

В 20-х годах XIX века русские финансы находились в весьма плачевном состоянии, и золота для чеканки мо­нет не хватало. Министр финансов Е. Ф. Канкрин решил заменить золото платиной. Он поручил известному ме­таллургу П. Г. Соболевскому организовать чеканку пла­тиновых монет. Но как это осуществить, если температу­ра плавления платины очень высокая (1773° С) и рас­плавить ее в то время было невозможно, а под молотом она не ковалась и даже не раскалывалась при ударах на наковальне?

И все-таки П. Г. Соболевский и его коллега В. В. Любарский нашли способ производства изделий из пла­тины. Они растворили ее в царской водке, добавили хло­ристый аммоний и выделили платину из раствора в ви­де комплексной соли. Прокаливая эту соль на воздухе, можно было получать платиновую губку, которая легко размалывалась в порошок. Порошок прессовали в холодном состоянии в специальных формах. Прессовку нагревали и в одних случаях спекали, а в других про­ковывали в различные изделия. В 1826 году были полу­чены проволока, чаши, тигли, медали и даже слиток. С 1828 года Монетный двор начал серийный выпуск пла­тиновых монет. На эти цели было употреблено 900 пудов соли (около 15 тонн) платины. Россия стала пер­вой в мире страной, которая реализовала промышлен­ную технологию порошковой металлургии платины. Ан­гличанин Волластон только в 1829 году предложил ана­логичный способ получения компактной платины. Зна­менательно, что платиновые монеты, выпущенные к Мос­ковской Олимпиаде-80, были изготовлены также мето­дом порошковой металлургии.

В XX веке порошковая металлургия становится нау­кой и отраслью промышленности. В настоящее время порошковой металлургией называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления по­рошков металлов и неметаллических материалов, а так­же полуфабрикатов и изделий из них. Методами порош­ковой металлургии получают ряд материалов, которые подобно платине и медно-графитовым щеткам трудно или невозможно получить традиционными методами. Вольфрамомедные, железокерамические, металлостекольные, алюмографитовые, боропластмассовые и ряд других подобных материалов с равномерно распреде­ленными частицами нерастворяющихся друг в друге фаз получают только путем спекания или горячего прес­сования заготовок из хорошо перемешанных порошков этих компонентов. В некоторых из перечисленных мате­риалов достигнуто увеличение прочности примерно в 10 раз при сохранении низкого удельного веса.

Спрессованные и спеченные из металлических порош­ков изделия получаются пористыми. Эти свойства ис­пользуются для изготовления фильтров. В настоящее время изготавливают фильтры из порошков меди, бронзы, латуни, никеля и нержавеющих сталей. Фильтры ис­пользуют в автомобильных и авиационных двигателях для фильтрации масла, в дизелях для фильтрации горю­чего, в газопроводах для очистки газов от пыли, в пищевой и химической промышленности для фильтрации ще­лочей и кислот.

На основе железного порошка созданы различные антифрикционные изделия.

Из металлических порошков получают также боль­шое количество фрикционных изделий, работающих в узлах высокого трения. Износостойкие фрикционные из­делия из порошковых сплавов широко используют в тормозных устройствах различных машин и механизмах.

Особое значение приобрели порошки быстрорежущих сталей, легированных вольфрамом, молибденом, ванади­ем. Карбиды этих элементов, придающие стали износо­стойкость при высоких температурах, распределяются в ней неравномерно. Это явление, называемое ликвацией, значительно снижает стойкость режущего инстру­мента.

Ликвация связана со сравнительно медленной кри­сталлизацией стали в изложницах (формах). Если обес­печить очень быстрый переход стали из жидкого в твер­дое состояние, то ликвацию можно практически пол­ностью устранить. Но можно ли это сделать? Да, мож­но — путем распыления жидкой стали специальными форсунками в защитной атмосфере и получением из нее порошка. Осуществляется это следующим образом: рас­плавленная сталь протекает через небольшое отверстие и разбивается струями азота или аргона на мельчайшие брызги. Остывая, они стальным порошком падают в металлосборник. Скорость охлаждения частиц расплавлен­ного металла в сотни раз выше той, которая характерна для монолитного металла в ходе его кристаллизации в слитке. Благодаря этому почти полностью устраняется ликвация, стойкость инструмента из порошковой стали увеличивается в несколько раз.

Чтобы получить из порошка заготовку для инструмен­та, надо миллионы порошинок превратить в компактный металл. Порошок насыпают в металлические капсулы, герметически закрывают их и прессуют. Полученные за­готовки «перековываются» в любой нужный профиль. Правда, процесс этот идет не под молотом, а под ско­ростным гидравлическим прессом. Как тут не вспомнить о японских кузнецах, которые с древних времен аналогичным способом получали высокоуглеродистые стали для инструмента. Они дробили крицу в мелкий порошок, науглероживали его в горне и сваривали под молотом в специальную заготовку. Такие заготовки в Японии бы­ли известны под названием «уваган». Уваган в твер­дом состоянии приваривался к куску мягкого железа, по­сле чего изделие подвергалось термической обработке.

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.

Так мудрость древних, дошедшая до нас с редкими образцами булата, сегодня воплощена в порошковых сталях, в слоистых и композиционных материалах. Ма­териалы эти не только повторяют, но и развивают даль­ше идеи булата. Так же, как когда-то булат, они облада­ют необыкновенными свойствами, по сравнению с обыч­ными сталями и сплавами, сочетая такие качества, как пластичность и прочность, твердость и вязкость, долго­вечность и огнеупорность, износостойкость и жаро­прочность. Поэтому наши старые знакомые—компози­ционные материалы и порошковые стали по праву явля­ются прямыми наследниками булата. Кислотоупорные и жаропрочные булаты, огнеупорные булаты, твердо­сплавные булаты — самые лучшие современные матери­алы.

В 1979 году Златоустовский завод им. Ленина от­праздновал свое 225-летие. В честь этого знаменатель­ного события была выпущена памятная медаль. На од­ной стороне медали изображен памятник Павлу Петро­вичу Аносову, а на другой—герб завода и города. Ме­даль штампованная, сделанная из медного порошка. Так порошковая металлургия пришла на родину рус­ского булата!