Порошки

Что такое порошковая металлургия, зачем она нужна. На примере стали.

Какие возникли проблемы.

Когда создаются высоколегированные сплавы обычным способом (литьём), то заготовка (слиток) остывает неравномерно, из-за чего различные металлы в сплаве разделяются. И чтобы потом это перемешать снова, требуется ковка и прокат. Из-за этого не очень хорошего перемешивания образуются очень крупные зерна карбидов. А это вызывает проблемы излишней хрупкости стали (низкая прочность). Если взять для примера карбиды хрома, то чем больше хрома мы добавляем в сплав, тем большая нужна температура, чтобы они распались. И в какой-то момент (при добавлении хрома выше 15%) они не исчезают даже в жидком железе, дополнительным нагревом их можно только увеличить. Ковкой их можно уменьшить в размерах, но не в количестве.

Что за карбиды, зачем они нам нужны (или не нужны).

Чтобы нож резал, нужно чтобы он был твердым. Чем больше разница в твердости у ножа и материала, который он режет, тем легче резать. Нужно приложить меньше усилий. Потому что твердость - это способность сопротивляться внешнему воздействию (механическому). То есть если твердость ножа мала - во время реза он будет больше деформироваться - будет возрастать площадь соприкосновения с материалом - нужно будет больше усилий приложить.
Обычно, измеряется общая твердость ножа, которая во многом зависит от доли аустенита. (у меня был пост про углеродистую сталь) При хорошей закалке, аустенита будет немного, мартенсита будет много. Мартенсит тверже аустенита - общая твердость будет выше.
Но во время реза куда важнее твёрдость конкретно в точках соприкосновения. И там "местная" твердость обеспечивается карбидами.
Карбиды - это соединения с углеродом. В нашем случае, соединения металлов. В обычной стали без легирующих элементов у нас есть шанс на карбиды железа - цементит. Он так или иначе образуется в стали, и если ничего другого нет, то и это уже неплохо. Но по сравнению с другими металлами, у карбида железа не такая уж большая твердость (69 HRC)
Даже карбиды хрома твёрже - 72 и 76 HRС. Но есть и карбиды заметно более твердые.

Суть легирования, для нашего ножевого дела: добавить редкие металлы, чтобы они образовали как можно более твёрдые карбиды, чтобы было легче резать. И при обычном способе литья стали у нас есть вышеописанные проблемы плохого перемешивания и неравномерного остывания в больших слитках. Решение было найдено следующее: отливать не большие слитки, а очень много маленьких, микроскопических. В них не смогут вырасти карбиды больших размеров. Так появилась порошковая металлургия.

Как это работает.

Обычным образом расплавляется в тигле всё что нужно. Берется образец, измеряется его химический состав, и если всё в соответствии, то далее этот расплав переливается в другую херовину, где перемешивается (электромагнитным способом), заодно там же отделяется шлак. А потом самое интересное - жидкий металл впрыскивается в камеру, одновременно с подачей
газа (вроде там используется азот) или водяного спрея. Мелкие капли металла быстро остывают и получается металлический порошок. Далее этот порошок засыпается в "консерву" - тонкостенный стальной цилиндр, и отправляется под пресс. Давят до тех пор, пока все пустоты между "песчинками" порошка не исчезнут. То есть весь порошок спрессуется в один большой слиток. С этим слитком дальше можно работать как с обычным - прокатывать и формовать.

Так же можно оставить это порошком и использовать в формовке деталей. Практически как в песочнице: насыпаешь в форму, сдавливаешь под прессом, чтобы не осталось пустот, получаешь деталь. В таком варианте на изготовление детали уходит ровно столько металла, сколько надо. Нет обрезков, нет длительной обработки. Скорее всего после пресса деталь всё равно надо будет выровнять и отполировать, но всё равно количество обработки заметно меньше.

Ещё есть вариант - аддитивные технологии. Это уже привычные 3D принтеры. Только там не выдавливается пластик, а металлический порошок спекается лазером слой за слоем. Возможно, не самое прочное соединение, зато позволяет создавать очень сложные формы.

Строго говоря, измельчать и вмешивать добавки можно не только из сплава, но можно и отдельно. Брать из мешка лопату железного порошка, совок хрома, ложку ниобия. тщательно перемешать, спрессовать.

И какой получается результат.

А результат такой, что нет большого разделения добавок, нет больших карбидов. Потому что крупные карбиды с одной стороны мешают точить нож - мешают абразиву ещё на крупном зерне. А так же увеличивают хрупкость - карбид выкрашивается с бОльшим ущербом для целостности.
И получается, что с тем же химическим составом мы получаем больше прочности. Иногда лучше сопротивление коррозии. И те же, а иногда лучше, параметры твердости и удержания режущей кромки. Или можно сильнее закалить, получить лучше рез, лучшее удержание режущей кромки и сохранить прочность.

Вывод.

Порошковая металлургия даёт нам лучшие характеристики при том же химическом составе. Так же позволяет экономить на материале и/или обработке изделия - можно взять ровно столько порошка, сколько нам надо, и получить изделие с минимумом пост-обработки.

Статья подготовлена с помощью блога knifesteelnerds.com и картинок из интернета.