Развитие порошковой металлургии в Украине

РАЗВИТИЕ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ В УКРАИНЕ
Г.Г. Сердюк, Л.И. Чернышев
(Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины)
      
Начало становления порошковой металлургии (ПМ) в Украине относится к середине ХХ в. К этому моменту в СССР уже были достигнуты определенные успехи в области научных исследований и производства тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена), твердых сплавов, порошков железа и меди и изделий из них. Были проведены первые систематические исследования основополагающих процессов ПМ – формования и спекания. Опубликовано несколько монографий, посвященных вопросам ПМ металлов, сплавов, тугоплавких соединений. [1 – 7]. В сравнительно небольших масштабах было организовано промышленное производство железного и медного порошков, твердых сплавов, порошковых изделий – пористых подшипников скольжения, спеченных фильтров из железа, меди, латуни. Этот начальный период развития науки и техники ПМ определялся научными трудами и практическими разработками российских ученых и инженеров из научно-исследовательских организаций, расположенных в основном в Москве.
       В 1952 г. в Киеве была организована Лаборатория специальных сплавов (при Институте черной металлургии АН УССР). Ее возглавил ученый, известный работами в области физико-химии металлургических процессов, к. т. н. И.Н. Францевич. В 1955 году на базе лаборатории был основан Институт металлокерамики и спецсплавов АН УССР, в 1965 году переименован в Институт проблем материаловедения (ИПМ) АН УССР. До 1973 г. институт возглавлял академик АН УССР И.Н. Францевич, в период с 1973 до 2001 г. – академик НАН Украины и РАН В.И. Трефилов, с 2001 г. по настоящее время – академик НАН Украины В.В. Скороход.
       Созданный институт стал первым в СССР научным учреждением, которое было призвано разрабатывать общие принципы развития научного и технического материаловедения и, наряду с ними, научные основы и технологии порошковой металлургии. В институте начали разрабатываться следующие научные направления: разработка и синтез материалов и изделий со специальными физическими (электрическими, магнитными, радиооптическими, полупроводниковыми) и высокотемпературными свойствами (руководитель академик АН УСР И.Н. Францевич); синтез, кристаллохимия и электронное строение тугоплавких соединений (член-корреспондент АН УССР Г.В. Самсонов); теория и технология процессов порошковой металлургии – получения порошков, формования и спекания порошковых изделий различного назначения (академик АН УССР И.М. Федорченко); физико-химия гетерогенных систем, капиллярные свойства и контактные явления на границе твердое тело – расплав (академик АН УССР В.Н. Еременко); прочность материалов и конструкций (академик НАН УССР Г.С. Писаренко). В 1964 г. в институте было создано Особое конструкторско-технологическое бюро (ОКТБ ИПМ АН УССР) с опытным производством для отработки опытно-промышленных технологий, изготовления опытных партий новых материалов и изделий из них, проектирования и изготовления нестандартного оборудования и новых уникальных установок для ПМ.
       В институте в 50-годах была изучена кинетика комбинированного восстановления оксидов железа газом и углеродом (И.Н. Францевич, И.Д. Радомысельский). Результаты исследований стали основой для создания крупномасштабного производства в 60-х годах – на Броварском заводе порошковой металлургии (БЗПМ) и Днепровском алюминиевом заводе (ДАЗ). С учетом производства в НПО «Тулачермет», около 60 % железного порошка в СССР до 80-х годов производилось комбинированным восстановлением. Институтом в 1961 г был создан первый государственный стандарт на железный порошок. Параллельно создавались технологии получения легированных порошков на основе методов диффузионного насыщения из точечных источников и совместного восстановления оксидов – хромистой, железо-марганцевой, железокремниевой и др. сталей (И.Д. Радомысельский). Технологии железных и стальных порошков были заложены в основу проектного задания на строительство БЗПМ, которое началось в 1960 г. В 1964 г. была введена в эксплуатацию первая очередь цеха железных порошков. В дальнейшем, кроме железного, завод освоил выпуск двух видов стальных порошков – легированных хромом и фосфором.
       Значительная часть основополагающих работ в области ПМ выполнена в первые 12 – 15 лет. Начиная с 1957 г. в институте проводятся систематические исследования в области теории и практики формования и спекания изделий из порошковых материалов. Особое внимание уделяется вопросам уплотнения порошков: разработаны научные основы процессов прессования и прокатки (И.Д. Радомысельский, Г.А. Виноградов) [8, 9], допрессовки и калибрования (А.Я. Артамонов) [10], разработаны принципы конструирования пресс-форм и прессов (И.Д. Радомысельский) [11].
       Проведен цикл важных экспериментальных и теоретических работ в области спекания. Установление роли дефектов кристаллического строения в металлических порошках в процессах спекания (И.М. Федорченко, Р.А. Андриевский) [12], феноменологическое описание процесса спекания как диффузионно-вязкого течения (В.В. Скороход) [13], разработка теории и практических методов активированного спекания (И.М. Федорченко, Г.В. Самсонов) – важнейшие достижения в этой области знаний. Развитие строго количественного описания процессов диффузионного сплавообразования при спекании двухкомпонентных систем было осуществлено А.И. Райченко [14]. Что касается жидкофазного спекания, то последовательный учет процесса смачивания жидкой фазой частиц твердой фазы, влияние на него температуры, установление зависимости движущих сил от количества жидкой фазы является заслугой В.Н. Еременко и его сотрудников, развивающих научное направление физико-химии поверхностных и капиллярных явлений [15].
       На основе результатов фундаментальных исследований в институте были разработаны десятки материалов общего машиностроительного назначения – конструкционных (под руководством И.Д. Радомысельского), фрикционных, антифрикционных, пористых, уплотнительных (под руководством И.М. Федорченко). Технологии изготовления конструкционных и антифрикционных изделий на основе порошков железа и меди с добавками легирующих элементов были внедрены на вновь созданных участках на заводах «Львовприбор», «Ростсельмаш», Ленинградском коксогазовом заводе, Артемовском машиностроительном заводе «Победа труда». В 1968 году БЗПМ изготовил 3 тыс. т конструкционных и антифрикционных изделий.
       Среди разрабатываемых материалов со специальными свойствами можно назвать конструкционный металлостеклянный материал с повышенной износостойкостью, антифрикционные материалы, содержащие графит и сернистый цинк для работы при скоростях скольжения до 70 м/с в режиме самосмазывания, содержащие фторопласт, для крупногабаритных подшипников, работающих в морской воде. Создание фрикционных материалов осуществлялось в трех направлениях: для тяжело нагруженных узлов с рабочей температурой до 1000 – 1200 0С, для средненагруженных узлов при температуре 500 – 600 0С, для тяжело нагруженных узлов, которые работают со смазкой. Материалы первых двух групп изготовлялись на основе железа, легированном фосфором, марганцем или медью, с наполнителями из асбеста, оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов некоторых металлов. Такие материалы отличаются высокой износостойкостью и коэффициентом трения и по комплексу свойств превышают асбофрикционные. Материалы, предназначенные для третьей группы, изготовляются из алюминиевой бронзы, отличаются высоким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, в 1,5 – 2 раза дешевле по сравнению с материалами из оловянистой бронзы. Производство изделий из фрикционных материалов было освоено в 1964 – 1965 г.г. на БЗПМ.
       С 1960 г. институт начал развивать научное направление в области исследований и разработки пористых проницаемых металлических материалов высокой окалино- и коррозионной стойкости из несферических порошков нержавеющих сталей разных марок, никеля, хрома, титана, алюминия, никель молибденовых и хромоникелевых сплавов (И.М. Федорченко, А.Г. Косторнов, Л.И. Чернышев). Тонкость очистки разработанных фильтров достигает 2 – 5 мкм. Фильтры из нержавеющих сталей рекомендованы для работы в растворах азотной кислоты и щелочей, на воздухе при температурах 700 – 900 0С; из никеля и хрома –в условиях высоких температур (до 1000 0С); титановые фильтры – в растворах соляной кислоты; фильтры из алюминия – в серной кислоте и кипящей воде.
       С 1960 г. в институте также разрабатывались уплотнительные материалы для паровых и газовых турбин (И.М. Федорченко). На Ленинградском коксогазовом заводе был организован выпуск никель-графитовых материалов для паровых турбин, которые работают при температурах ниже 500 0С. Для работы при более высоких температурах рекомендованы материалы состава алюминиевая бронза – графит и никель – фторглоголитовая слюда.
       Большие успехи достигнуты при создании материалов, удовлетворяющих потребности электро- и радиотехники, электроники, средств контроля и автоматизации (И.Н. Францевич, О.К. Теодорович, Р.В. Минакова). Разработаны и внедрены в производство электроконтактные материалы для сильноточных коммутирующих аппаратов и слаботочных приборов. Применение спеченых контактов на основе псевдосплавов меди (серебра), вольфрама и никеля позволило увеличить коммутационную способность выключателей и их срок службы в 5 – 10 раз. Слаботочные контакты на основе серебра, никеля и палладия стали широко использоваться взамен контактов из золота и платины. Производство электрических композиционных контактов на основе вольфрама было организовано на заводах «Электроконтакт» (г. Кинешма), машиностроительном заводе «Победа труда (г. Артемовск). Слаботочные контакты изготовлялись на Московском заводе обработки вторичных драгоценных металлов, в ОКТБ ИПМ АН УССР.
       Успешно выполнены работы по созданию жаропрочных материалов методами получения псевдосплавов, дисперсионного упрочнения и армирования волокнами (И.Н. Францевич, Д.М. Карпинос). Освоена технология горячего прессования изделий из псевдосплавов на основе вольфрама и молибдена весом до 300 кг для геодезического приборостроения и военной техники. Созданы дисперсно-упрочненные сплавы на основе вольфрама и молибдена. Принцип дисперсионного упрочнения основан на создании частицами второй фазы барьеров на пути движения дислокаций. Технологические варианты производства таких материалов включают операцию экструзии порошковых заготовок. Жаропрочные материалы также были созданы из армированного титана и жаропрочного никелевого сплава. В качестве армирующей составляющей применены волокна кристаллов муллита.
       В институте с 1956 г. разрабатывались научные основы методов получения и технологии производства порошков тугоплавких соединений – металлоподобных (бориды, карбиды, нитриды, силициды, сульфиды, селениды, телуриды, фосфиды металлов), неметаллических (карбиды и нитриды бора, карбид кремния, соединения бора с кремнием, карбонитриды бора и кремния) и металлических (алюминиды, магниды, бериллиды) [16 – 20]. С целью изготовления изделий из тугоплавких соединений исследованы процессы горячего прессования (М.С. Ковальченко) [21], шликерного литья (А.Г. Добровольский) [22], мундштучного прессования (П.С. Кислый) [23]. Производство порошков тугоплавких соединений и изделий из них было организовано в ОКТБ ИПМ АН УССР, на БЗПМ, Запорожском абразивном комбинате, Донецком заводе химических реактивов [24].
       Учитывая достижения института в области становления и развития ПМ в СССР, в 1962 г. решением правительства институт был утвержден головным в области порошковой металлургии и при нем был создан координационный совет по развитию ПМ в стране.
       К середине 60-х годов в СССР кроме ИПМ АН УССР проблемами ПМ занимались более 30 академических, отраслевых и учебных институтов России (ИМЕТ им. А.А. Байкова АН СССР, ИФХ АН СССР, ЦНИИЧЕРМЕТ им. И.П. Бардина, ВИЛС, МИСИС, НПИ и др.), Украины (Институт титана, КПИ), Белоруссии (БПИ), Армении (ЕрПИ). Наметился рост промышленного производства продукции ПМ. Производство порошков железа в 1965 г. достигло 13.3 тыс. т, в том числе на БЗПМ – 3,4 тыс. т, Днепровском алюминиевом заводе – 5,24 тыс.т, Сулинском металлургическом заводе – 3,55 тыс. т. Выпуск изделий из металлических порошков, кроме БЗПМ, осуществляли Московский завод порошковой металлургии, Электроконтакт (г. Кинешма), ряд специализированных цехов. Назрела необходимость создания координирующего органа, который мог бы планировать и контролировать развитие промышленного производства ПМ в стране. В результате в 1966 г. Государственный комитет по науке и технике СССР специальным постановлением создал Научный совет по проблеме «Порошковая металлургия». Головной организацией был назначен ИПМ АН УССР. Основными задачами Научного совета являлись создание прогрессивной технологии и оборудования для производства порошков металлов, сплавов и тугоплавких соединений, материалов и изделий на их основе с заданными свойствами для применения в продукции машиностроения, приборостроения, электроники, электротехнической, электровакуумной и других отраслей промышленности с целью повышения их конкурентоспособности, а также контроль и координация развития специализированных мощностей ПМ.
       В состав Совета вошли 50 человек. Председателем Совета был назначен академик АН УССР И.Н Францевич. С 1973 г. Научный совет возглавил академик АН УССР В.И. Трефилов. Значительный вклад в работу Совета внесли крупнейшие ученые и руководители производств страны: академик АН УССР И.М. Федорченко, д. т. н. Радомысельский, к. т. н. В.Н. Клименко, академик РАН В.Н. Анциферов, д. т. н. Ю.Г. Дорофеев, к. т. н. Э.Н. Мармер, академик АН БССР О.В. Роман, академик АН БССР П.А. Витязь, д. т. н. Е.А. Дорошкевич,  начальник отдела Минчермета СССР, к. т. н. В.Б. Акименко, главный инженер БЗПМ к. т. н. А.К. Гайдученко и др.
       Организационно-практическая деятельность Научного совета была направлена на организацию научных исследований, создание и развитие промышленности ПМ, подготовку соответствующих регламентирующих правительственных документов, региональное размещение организаций и предприятий по производству порошков и изделий из них, решение вопросов экономики, управление отраслью, стандартизации, качества продукции. К вопросам стратегического характера следует отнести проекты Постановлений Совета Министров СССР и пятилетних планов развития порошковой металлургии страны, прогнозы и проекты программ развития отрасли, а также контроль выполнения плановых заданий и ежегодное представление в директивные органы обзорных материалов с характеристикой состояния порошковой металлургии и предложениями по ее развитию. В тематику заседаний входили также такие текущие вопросы, как всесоюзные и международные совещания, сотрудничество со странами-членами СЭВ, мероприятия информационного характера, подготовка научных, инженерных и рабочих кадров, рациональное размещение предприятий и организаций ПМ. Работа Совета в значительной степени способствовала тому, что за период 1965 – 1990 г.г. объемы производства продукции порошковой металлургии существенно возросли. В частности, выпуск основных видов продукции, порошков на основе железа и меди, вырос в 7 и 10 раз (до 86,35 и 19.82 тыс. т) соответственно, изделий из металлических порошков почти в 18 раз (до71,6 тыс. т), соответственно увеличились производственные мощности предприятий, выпускающих указанную продукцию, созданы новые виды технологического оборудования и приборов для контроля технологических процессов и качества продукции. Разработаны и внедрены в промышленное производство новые технологические процессы, материалы и изделия. Следует отметить, что основными производителями изделий из металлических порошков были три республики: РСФСР (52,33 % от общего выпуска), Украинская ССР (30,74 %) и Белорусская ССР (10,02 %). В результате за достаточно короткий срок СССР по объемам производства продукции ПМ вошел в «четверку» основных стран-изготовителей (страны Северной Америки, Западной Европы и Япония). Так, в 1988 г. порошков на железной основе выпущено в США и Канаде – 237 тыс. т, в Японии – 133,1 тыс. т, в СССР – 82,3 тыс. т, порошков на медной основе соответственно 23,0 тыс. т, 7,0 тыс. т и 13,7 тыс. т. Изделий из металлических порошков изготовлено в США и Канаде  194 тыс. т (оценка), в Японии  90 тыс. т (оценка), в СССР – 66,9 тыс. т.
       В соответствии с рекомендациями Научного совета. ИПМ НАН Украины, являвшийся головной организацией в области стандартизации в ПМ, совместно с другими организациями страны к концу 80-х годов создал 82 стандарта на металлические порошки и изделия, методы их химического анализа и определения свойств. В области твердых сплавов стандарты разрабатывались ВНИИТС, всего было создано более 100 стандартов.
       В 1985-1986 г.г. директивными органами СССР и союзных республик был принят ряд решений о создании межотраслевых научно-технических комплексов (МНТК) с целью организационного объединения и повышения эффективности работы организаций и предприятий, характер деятельности которых носит межотраслевой характер. Научным Советом и рядом заинтересованных министерств и ведомств выполнены необходимые подготовительные работ по созданию МНТК «Порошковая металлургия». Создан Координационный центр, который подготовил Единые планы проведения исследований, экспериментальных работ МНТК, а также разработок, планируемых для освоения на промышленных предприятиях. Состав МНТК насчитывал 36 организаций, работающих в области ПМ металлов, тугоплавких металлов и соединений, твердых сплавов и наплавочных материалов. МНТК осуществлял функции головной организацией по направлениям 4.1.1 «Керамика» и 4.3.1 «Порошковая металлургия», входящим, как приоритетные направления, в комплексную программу научно-технического прогресса стран-членов СЭВ.
       Научный совет уделял значительное внимание научным исследованиям, на основе которых создавались новые материалы и технологии ПМ. Такие работы велись по плану фундаментальных исследований МНТК, а также Единым планам научно-технических работ МНТК, которые включались в годовые госзаказы.
       Научной базой для создания новых материалов и технологий их производства являются ведущиеся широким фронтом фундаментальные теоретические и экспериментальные работы в области физики и химии твердого тела, физической химии, неорганического синтеза, механики деформируемых сред. К ним относятся исследования по электронному и атомно-кристаллическому строению и физико-химическим свойствам твердых тел, физической теории пластической деформации и разрушения твердых тел, структурно-фазовым превращениям и фазовым равновесиям в металлических и неметаллических системах, термодинамике расплавов и химии поверхностных явлений, теории жаропрочности, жаростойкости и термостойкости, теории формирования свойств композиционных материалов и изделий, твердо- и жидкофазному спеканию порошковых тел и ряд других. По всем этим научным направлениям в плановом порядке во второй половине 60-х – до конца 80-х г.г. ведутся соответствующие работы в ИПМ АН УССР.
       В результате этих исследований создана теория пластической деформации и разрушения тугоплавких металлов, связывающая механические свойства последних с реальной кристаллической структурой, в частности, с дислокационной ячеистой структурой. Распространение этой теории на высокопрочные тугоплавкие неметаллические соединения со значительной долей ковалентной связи позволило сформулировать основные принципы создания «вязкой керамики» (В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, С.А. Фирстов) [25].
       На основе всесторонних исследований термодинамики, кинетики, кристаллохимии и топохимии превращений полиморфных модификаций в слоистых структурах был предложен и реализован в промышленном масштабе процесс превращения графитоподобного нитрида бора в его плотную вюрцитную форму с реализацией однофазной схемы превращения в отсутствие катализатора (И.Н. Францевич, А.Н. Пилянкевич, А.В. Курдюмов) [26, 27]. Получаемый порошок вюрцитного нитрида бора является сырьем для производства разработанных в институте инструментальных материалов различного назначения, выпускаемых под общим названием гексанит.
       В технологии порошков и изделий из тугоплавких соединений в 60 – 70-е годы были выполнены значительные работы [28 – 34], в основе которых лежит комплексная методика экспериментального исследования процесса спекания с помощью физических методов и изучения электро- и теплофизических свойств соединений. Это позволило намного расширить представления о их природе и свойствах.
       Что касается теории основных процессов традиционной ПМ, то в области формования порошковых материалов развивается континуальные представления о деформируемой пластической среде. С помощью модели объемно-вязкого течения исследованы процессы статического и динамического горячего прессования, при этом полученные соотношения связывают технологические параметры с параметрами текучести твердой фазы [35]. Для изучения процесса статического холодного прессования была предложена механическая модель, основанная на феноменологической концепции упрочняющегося пластического тела, что дало возможность с помощью замкнутой системы нелинейных дифференциально-алгебраических уравнений описывать неоднородное напряженно-деформируемое состояние и распределение плотности в уплотняемом изделии любой сложной формы [36]. В рамках феноменологического направления развита теория горячего динамического прессования композиционных материалов [37].
       Разработаны теоретические основы процесса прокатки порошков и формования сырого проката [38]. Развитие теории сопровождалось разработкой технологии спекания и дальнейшего уплотнения прокатанных изделий, изготовлением конкретных видов изделий. Была разработана технология получения биметаллического и многослойного проката, технология прокатки пористых труб. Изготовление полосовых электродов из стеллита и других наплавочных порошков было организовано на БЗПМ. Совместно с Институтом сверхтвердых маттериалов АН УССР организовано производство алмазно-абразивных изделий.
       К числу пионерных работ в области теории и технологии спекания сложных систем следует также отнести работы 70-х – начала 80-х годов в области электроразрядного спекания (А.И. Райченко). Актуальные проблемы современного развития теории и технологии спекания сконцентрированы на ультрадисперсных системах, аморфных материалах, метастабильных фазах, ковалентных веществах. Здесь тесно сплетаются научные и прикладные задачи, при решении которых должны проявиться эвристические возможности физической теории спекания и реализоваться новые, неизвестные ранее структурные состояния порошковых материалов и соответствующие им неизвестные ранее физические и механические свойства. Наука о спекании вступила в фазу подведения итогов, пересмотра установившихся концепций, поиска новых путей для дальнейшего развития. [39, 40].
       Со второй половины 70-х годов в ИПМ АН УССР наметились новые тенденции в научном обосновании технологии тугоплавких металлов и соединений, основанные на комплексном исследовании генезиса и эволюции структуры порошковых тел, начиная от процессов их получения и кончая формованием и спеканием. Были осуществлены систематические физико-химические и технологические исследования применительно к дисперсным порошкам тугоплавких металлов, получаемых восстановлением из оксидов, и материалам на их основе [41]. Результатом этих исследований явилось создание нового поколения спеченных металлооксидных материалов и псевдосплавов на основе тугоплавких металлов со сверхмелкозернистой структурой [42].
       Значительная часть прикладных исследований института связана с получением методами порошковой металлургии материалов с заданными свойствами, а также с дальнейшим развитием новых и высокопроизводительных процессов их производства, созданием различных покрытий и процессов соединения разнородных материалов, разработкой новых видов специализированного оборудования для этих технологических процессов. Результаты прикладных исследований института послужили основой создания целого ряда промышленных технологий.
       Созданы эффективные технологии получения высококачественных порошков цветных металлов распылением расплавов (О.С. Ничипоренко) [43]. По этой технологии (по данным 1989 г.) изготовлялись: медный порошок на Алавердском горнометаллургическом комбинате (ГМК) (2,3 тыс. т / год); латунный порошок на Алавердском ГМК (0,223 тыс. т / год) и Бакинском опытном заводе ПМ (ОЗПМ) (0,278 тыс. т / год); бронзовый порошок на Алавердском ГМК (0,939 тыс. т / год) и Бакинском ОЗПМ (0,304 тыс. т / год).
       В институте традиционно развивалось материаловедение особого класса материалов, в которых пористость является необходимым и важным элементом структуры. В первую очередь к ним относятся проницаемые материалы из порошков бронзы, железа, никеля, нержавеющих сталей, титана, псевдосплавов вольфрам-медь и молибден-медь и изделия из них – фильтры, фазоразделители, транспираторы, демпферы и др. Практика показала высокую эффективность волокновых пористых материалов [44]. Были созданы технологии получения порошковых материалов с пористостью до 80 % с широким диапазоном размеров пор и проницаемости (В.В. Скороход, С.М. Солонин, Л.И. Чернышев). Также были разработаны оригинальные технологии получения специальных порошков и волокон.
       Разработанные институтом технологические процессы получения порошковых материалов нашли широкое применение в промышленности при организации производства изделий для различных областей техники. Это прежде всего машиностроительные, конструкционные и износостойкие материалы, материалы с высокими механическими свойствами, полученные методом горячей штамповки (И.Д. Радомысельский, В.Н. Клименко, Г.Г. Сердюк) [45 – 47], материалы, работающие в парах трения (И.М. Федорченко с сотр.) [48 – 50], а также композиционные материалы (Д.М. Карпинос с сотр.) [51].
       В 70 – 80-е годы активно внедрялись разработки института в области огнеупорных материалов. Наибольшее распространение получили огнеупоры на основе карбидв кремния, отличающиеся повышенной теплопроводностью, термо- и износостойкостью (Г.Г. Гнесин) [52]. На БЗПМ из самосвязанного карбида кремния изготовляли футеровки для ртутных печей, чехлы для защиты термопар в расплавах цветных металлов и сплавов, пресс-формы для горячего прессования, натяжные ролики волочильных станов, футеровки гидроциклонов и др.
       Значительное внимание в работах института уделялось созданию новых сверхтвердых материалов инструментального назначения и организации на их основе промышленного производства новых видов инструментов (Г.Г. Карюк, Г.Г. Гнесин). В результате этих работ были получены новые инструментальные материалы для лезвийного и абразтвного инструмента гексанит-Р и гексанит-А (оба – на базе вюрцитного нитрида бора, силинит-Р (на основе нитрида кремния), широкий ассортимент полировальных паст на основе алмазных микропорошков с добавками тугоплавких соединений; разработаны новые типы без вольфрамовых твердых сплавов для оснастки, используемых в производстве сверхтвердых инструментальных материалов. Режущий инструмент из новых материалов использовался в то время более чем на 1000 предприятиях страны.
       Предложенная в институте технология металлизации алмазов легла в основу создания нового типа инструментального материала – импрегнита, предназначенного для размерной обработки твердых и хрупких неметаллических материалов. Металлизация алмазов позволила в 1,5 – 2 раза повысить стойкость инструмента при обработке стекол и в 2 – 3 раза – при обработке чугуна, твердых сплавов (Ю.В. Найдич).
       В области ПМ, кроме ИПМ НАН Украины, проводил научные исследования ряд других научно-исследовательских организаций и вузов Украины. Так, проводили исследования и разрабатывали технологии производства изделий из титановых порошков в Институте титана (г. Запорожье) (Ю.Г. Олесов, В.А. Дрозденко). В отраслевом научно-исследовательском институте «УкрНИИспецсталь» (г. Запорожье) была создана технология получения порошков быстрорежущих сталей методом распыления и получения заготовок для режущего и штампового инструмента методами горячего изостатического прессования и экструзии (В.Т. Зубкова, Ю.Ф. Бокий). В Киевском политехническом институте исследовался процесс вибрационного прессования металлических порошков (В.В. Иващенко), разработаны процессы спекания крупногабаритных катодных элементов (В.Я. Шлюко). В Запорожском машиностроительном институте выполнялись работы по обработке давлением порошковых титановых изделий (В.А. Павлов, А.П. Ляшенко). В Краматорском индустриальном институте была создана прикладная теория деформирования необратимо сжимаемых пористых материалов (А.М. Лаптев). В Днепропетровском горном институте разрабатывалось новое вибрационное оборудование для измельчения металлических порошков. В настоящее время в области ПМ ведутся работы в Институте сверхтвердых материалов НАН Украины, Институте импульсных процессов и технологий НАН Украины, Луцком национальном техническом университете.
       Вплоть до 1990 года в СССР самые большие объемы производства порошковых изделий обеспечивал БЗПМ – 16 тыс. т / год изделий на основе железных порошков и более 2 тыс. т / год изделий на основе медных порошков. Промышленную продукцию выпускали также Кировский ЗВМП (600 т. изделий /год), Артемовский машиностроительный завод «Победа труда» (580 т. изделий /год), СЗТС (500 т. изделий на основе вольфрама в год), Купянский литейный завод (510 т. изделий на лснове железных порошков в год), Завод «Днепроспецсталь» (1,74 тыс. т. инструментальных порошковых сталей в год), Закарпатский металлургический завод (1,43 тыс. т. изделий из титановых порошков в год). Светловодский комбинат твердых сплавов в 1990 году выпустил 474 т. твердых сплавов типа ВК, ТК, МС, АП «Торезтвердосплав» ? порошки релита в объеме 380 т.
       Магнитотвердые и магнитомягкие изделия на основе оксидов железа (ферриты) в Украине изготовляли не менее 7 предприятий. Основным из них являлся Научно-производственная фирма «Феррокерам» (г. Белая Церковь). Годовые объемы выпуска ферритов достигали 15 тыс. т.
       Распад СССР в 1991 г. и последовавшие за ним политические и экономические изменения привели к возникновению принципиально новых условий и трудностей. Для ПМ (как и для других отраслей промышленности) стран СНГ сегодня характерны нарушение стабильных связей между предприятиями, неконтролируемый рост цен на продукцию, резкое снижение объемов производств. Не удалась предпринятая в 1993 году попытка организовать совместную работу научных организаций стран СНГ (России, Украины, Беларуси) в области ПМ.
       Между тем, работы в области ПМ в ИПМ активно продолжались. Разработан ряд новых порошковых материалов и соответствующих технологических процессов. Среди этих разработок – усовершенствованная технология распыления порошков инструментальных сталей [53]. Методами струйного формования заготовок и их горячей деформации получен ряд экономнолегированных инструментальных сталей (К.А. Гогаев).
       Разработаны эффективные технологии изготовления экономнолегированных сталей конструкционного назначения з повышенными функциональными свойствами спеканием заготовок, сформованных из порошковых смесей с использованием марганец- и борсодержащих эвтектических лигатур, а также изготовления высокоизносостойких карбидосталей типа быстрорежущая сталь – карбид титана методом горячей штамповки заготовок, сформованных из мелкодисперсных порошков (Г.А. Баглюк, Г.Г. Сердюк). Из карбидно-оксидных смесей методом импульсного горячего прессования получен кермет на основе карбида вольфраму с 35 мас. % никеля, который за счет мелкозернистой структуры имеет высокие прочность (?и до 3100 МПа) и трещиностойкость (до 35 МПа м1/2) (М.С. Ковальченко).
       Разработаны новые пористые материалы и исследованы их свойства (А. Г. Косторнов). Композиционный материал (нержавеющая сталь) с волокновым и волокно-порошковым высокопроницаемыми слоями по сравнению с одноволокновым слоем имеет в 1,5 –2 раза большие показатели капиллярного транспорта, что позволило создать антигравитационные тепловые трубы космического назначения. Показатель деформаций прессовок из волокон никелида титана в результате эффекта памяти формы достигает 250 %, пористость при этом увеличивается в 1,4 – 1.8 раз. При исследовании физико-механических свойств наполненного наноуглеродными волокнами фторопласта установлено, что армирование его металлической сеткой, приводит к повышению износостойкости в 1,5 раза.
       В области разработки новых покрытий, в качестве перспективных для практического применения, следует назвать детонационное на основе алюминида титана и плазменное оксид-циркониевое покрытия (В.Е. Оликер). Покрытие Ti-Al рекомендуется для работы в условиях сухого трения в паре с нержавеющими сталями, оно обеспечивает защиту титановых сплавов до температур 900 0С. Термобарьерное покрытие ZrO2 предназначено для защиты изделий авиационной техники из титана и алюминида титана.
       Уже более 20 лет в ИПМ развивается важнейшая научно-техническая проблема, связанная с созданием наноструктурных материалов и соответствующих нанотехнологий. Эти работы начались с интенсивных теоретических исследований атомных механизмов эволюции границ раздела в процессах трибовзаимодействия и компактирования металлических наночастиц (В.В. Скороход, В.В. Покропивный). Разработка научных основ нанотрибологии и нанотехнологии компактирования методом компьютерного моделирования эволюции границ раздела на атомном уровне в процессах трения, износа, заедания, сдвига, индентирования, соединения, удара и компактирования металлических наночастиц. Разработано новое направление на стыке компьютерного материаловедения, структурной инженерии границ и нанотехнологии – атомистическое моделирование контактных явлений и граничных процессов. Развита парнопотенциальная модель кристалла и сконструирован ряд нелокальных межатомных потенциалов. Предложена пустотная модель границ раздела, фрактальная поправка к прочности в модели Гриффитса и резонансный принцип компактирования наночастиц. Установлен элементарный акт адгезионного трения и износа, а также атомный механизм гиперзвуковой активации компактирования.
       Одним из наиболее важных направлений обозначенной проблемы является получение плотных мелкозернистых материалов с заданными свойствами методом спекания. Проведено экспериментальное исследование неизометрического спекания нанопорошков веществ с различной природой химической связи – никеля, карбида ниобия и титаната бария. Разработана и реализована методика построения температурно-временного профиля процесса спекания с контролируемой скоростью уплотнения, позволившая реализовать получение материала высокой плотностью без образования обособленной пористости. Получены наноструктурные плотные (пористость менее 1%) титанат бария (средний размер зерна 130 – 150 нм), диоксид циркония (70 – 80 нм) и нитрид титана (190 нм). Эти показатели недостижимы традиционным спеканием.
       Метод управления неизотермическим процессом использован также для синтеза нанокристаллических порошков. Впервые сформулирована концепция термически активируемых процессов с контролируемой скоростью степени превращения, к которым относятся синтез и спекание. Условием осуществления синтеза с контролируемой скоростью является конкуренция скоростей зародышеобразования и роста зародышей новой фазы. Экспериментально изучена и доказана практическая целесообразность синтеза с контролируемой скоростью нанокристаллических порошков на примерах нанодисперсных титаната бария (средний размер частиц 25 нм), диоксида циркония (30-40 нм) и никеля (50 нм).
       Изучена взаимосвязь структуры границ зерен нанокристаллических материалов, условий консолидации (метода спекания порошков) и структурочувствительных свойств. Совершенные границы зерен обусловливают сочетание высоких твердости, прочности и трещиностойкости конструкционной наноструктурной керамики, а также малый вклад поля деполяризации и высокие диэлектрические свойства наносегнетозлектриков.
       Результаты указанных разработок обобщены в монографии [54].
       Реализован ряд эффективных методов синтеза различных нанопорошков и получения наноматериалов. Этим вопросам посвящены монографии [55 – 57]
       В качестве примеров можно привести результаты разработок последних лет.
       Методом дугового разряда синтезированы трубки, иглы, тетраиглы из ZnO длиной до 1 мкм и диаметром до сотен нанометров; методом низкотемпературного синтеза из газовой фазы получены углеродные нанотрубки; термохимическим синтезом при умеренных температурах (800-900 0С) получен нанокристалический порошок нитрида титана с размером частиц 5 – 15 нм; методом химического осаждения получены порошки аморфного фосфата кальция (с удельной поверхностью 77 м2/г) и ZrO2, стабилизированного 8 мол. % Y2O3 (c размером кристаллитов 10 – 20 нм); методом пиролиза тетрахлорида кремния в присутствии азота изготовлены нановолокна Si3N4; методом механохимического синтеза впервые получены наноразмерные порошки систем TiN-Si3N4; методом совместного восстановления дисперсной смеси оксидов металлов получен нанодисперсный порошок композита Сu80Fе20 с размером частиц от 4,2 до 220 нм; методом ударно-волнового синтеза получены наокристаллические порошки карбида бора со средним размером зерен в пределах 6 – 8 мкм; методом ударного сжатия нановолокон графита впервые синтезированы нановолокна алмаза (В.В. Скороход, В.В. Покропивный, А.В. Рагуля, И.В. Уварова, О.В. Курдюмов).
       Методом совместного восстановления дисперсной смеси оксидов металлов получен наноструктурный спеченный композит Сu80Fе20 с равномерно распределенными в медной матрице наночастиц железа; методом деструктивного гидрирования пластин плавленых интерметалидов TiNi и Ti3Al получены монолитные нанокомпозиты TiH2-Ni3Ti и TiH2-Al3Ti, которые состоят из наноструктурных матриц на основе Ni-Ti или Al-Ti и наноструктурных включений на основе гидрида титана с размерами составляющих 10 – 50 нм; методом горячего прессования (без использования защитной среды) на основе взаимодействия порошка SiC с титаном создана нанокристаллическая керамика (твердая и вязкая) SiC-TiC (В.В. Скороход, Н.П. Гадзира).
       Учитывая стратегическую важность развития высоких технологий для страны, правительство Украины утвердило к разработке целевую научно-техническкую программу "Нанотехнологии та наноматериалы" на 2010 – 2014 годы. Целью программы является создание наноиндустрии за счет обеспечения развития соответствующей промышленно-технологической инфраструктуры, использования результатов фундаментальных и прикладных исследований, а также подготовки высококвалифицированных научных и инженерных кадров.
       Основные задания программы включают разработку технологий изготовления нанопорошков, наноматериалов, в частности, наночастиц, нанотрубок, наностержней, нановолокон, нанопроволоки, а также функциональных консолидированных наноматериалов и наноматериалов с аморфно-нанокристалической структурой, конструкционных наноструктурных материалов с градиентным и объемным упрочнением, нанодисперсных и наноструктурных люминисцентных и сцинтиляционных материалов. Программа предусматривает также создание инфраструктуры, которая включает измерительные лаборатории, сертификационный центр и центр стандартизации.
       ИПМ ведет секретариаты Межгосударственного технического комитета стандартизации «Порошковая металлургия» (МТК 150) и Национального технического комитета стандартизации «Порошковая металлургия» (ТК 54). ТК 54 является членом–наблюдателем технического комитета ISO/ТК 119 “Порошковая металлургия”. В структуре технического комитета ТК 54 создана рабочая группа «Нанотехнологии», первоочередной задачей которой в настоящее время является разработка стандартов в области наноматериалов и нанотехнологий, гармонизированных со стандартами ISO.
       Широкая научная деятельность ИПМ обусловливает соответствующую издательскую деятельность. С 1961 года институт издает журнал «Порошковая металлургия», который в то время был единственным периодическим изданием, в котором освещались работы в области теории и практики ПМ и опыт внедрения разработок в разные отрасли промышленности. В настоящее время журнал публикует оригинальные статьи специалистов, как отечественных, так и иностранных, и переиздается в США. В 2002 г. издана монография академика НАН Украины А.Г. Косторнова, в которой обобщен мировой опыт организации структуры, использования порошкового и волокнового сырья для получения пористых проницаемых материалов, изучения их функциональных свойств, применения в современной технике проницаемых материалов [58]. В 2007 – 2008 г.г. вышло в свет энциклопедическое издание «Неорганическое материаловедение» (под редакцией академика НАН Украины В.В. Скорохода и член-корреспондента НАН Украины Г.Г. Гнесина) [59], в котором собраны, систематизированы и обобщены современные знания о неорганических материалах и их технологиях. Высокий научный уровень, системный подход и отсутствие аналогичных изданий в мировой научной литературе по вопросам материаловедения обусловливают уникальность этого труда, в подготовке которого участвовали более 50 высококвалифицированных авторов – сотрудников НАН Украины.

Литература
      
1. Раковский В.С., Екаупи Ф. Металлокерамика. – М., 1933.
2. Бальшин М.Ю.. Металлокерамика. – М., Л.: ГОНТИ, 1938. – 192 с.
3. Бальшин М.Ю., Короленко Н.Г.. Воизитовые (железографитовые) подшипники. – М.: Редбюро Тяжмаш, 1940. – 95 с.
4. Уманский Я.С. Карбиды твердых сплавов. – М: Металлургиздат, 1947. – 132 с.
5. Бальшин М.Ю. Порошковое металловедение. - М: Металлургиздат, 1948. – 332 с.
6. Бальшин М.Ю. Порошковая металлургия. - М: Машгиз, 1948. – 286 с.
7. Раковский В.С. Введение в теорию порошкового металловедения. - М: Оборонгиз, 1953. – 112 с.
8. Виноградов Г.А., Радомысельский И.Д.. Прессование и прокатка металлокерамических материалов. – М., Киев: Машгиз, 1963. – 200с.
9. Виноградов Г.А., Семенов Ю.Н., Катрус О.А., Каташинский В.П.. Прокатка металлических порошков. – М.: Металлургия, 1969. – 382 с.
10. Артамонов А.Я.. Влияние условий обработки на физико-механическое состояние металлокерамических материалов. – Киев: Наук. думка, 1965. – 247 с.
11. Радомысельский И.Д., Печентковский Е.Л., Сердюк Г.Г.. Пресс-формы для порошковой металлургии. Расчет и конструирование. – Киев: Техника, 1970. – 172 с.
12. Федорченко И.М., Андреевский Р.А.. Основы порошковой металлургии. – Киев: Изд. АН УССР, 1963. – 420 с.
13. Скороход В.В.. Реологические основы теории спекания. – Киев: Наук. думка, 1972. – 151 с.
14. Райченко А.И.. Диффузионные расчеты для порошковых смесей. – Киев: Наук. думка, 1969. – 122 с.
15. Еременко В.Н., Найдич Ю.В., Лавриненко И.А.. Спекание в присутствии жидкой металлической фазы. – Киев: Наук. думка, 1968. – 122 с.
16. Самсонов Г.В. Силициды и их использование в технике. Киев: Изд. АН УССР, 1959. – 204 с.
17. Самсонов Г.В.. Тугоплавкие соединения редкоземельных металлов с неметаллами. – М: Металлургия, 1964. – 243 с.
18. Карбид кремния. Свойства и области применения. Под ред.. И.Н. Францевича. - Киев: Наук. думка, 1966. – 360 с
19. Косолапова Т.Я.. Карбиды – М.: Металлургия, 1968. – 289 с.
20. Самсонов Г.В.. Нитриды. – Киев: Наук. думка, 1969. – 380 с.
21. Самсонов Г.В., Ковальченко М.С.. Горячее прессование. – Киев: Гостехиздат УССР, 1962. – 212 с.
22. Добровольский А.Г.. Шликерное литье. – М.: Металлургия, 1967. – с.
23. Самсонов Г.В., Кислый П.С.. Высокотемпературные неметаллические термопары и наконечники. – Киев: Наук. думка, 1965. – 181 с.
24. Полищук. В.С.. Опыт получения тугоплавких соединений в промышленных условиях // Порошковая металлургия. – 1965. – № 7.– С. 100 – 107.
25. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А.. Физические основы прочности тугоплавких металлов. – Киев: Наук. думка, 1975. – 315 с.
26. Курдюмов А.В., Пилянкевич А.Н.. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора. – Киев: Наук. думка, 1979. – 183 с.
27. Францевич И.Н., Гнесин Г.Г., Курдюмов А.В. и др. Сверхтвердые материалы. – Киев: Наук. думка, 1980. – 291 с.
28. Кислый П.С., Кузенкова М.А.. Спекание тугоплавких соединений. Киев: Наук. думка, 1980. – 167 с.
29. Самсонов Г.В., Упадхая Г.Ш., Нешпор В.С.. Физическое материаловедение карбидов. – Киев: Наук. думка, 1974. – 455 с.
30. Самсонов Г.В., Дроздова С.В.. Сульфиды. – М.: Металлургия, 1972. – 304 с.
31. Самсонов Г.В., Винницкий И.М.. Тугоплавкие соединения: Справ. – М.: Металлургия, 1976. – 558 с.
32. Оболончик В.А.. Селениды. – М.: Металлургия, 1972. – 296 с.
33. Самсонов Г.В., Дворина Л.А., Рудь Б.М.. Силициды. – М.: Металлургия, 1979. – 271 с.
34. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А.. Бориды. – М.: Атомиздат, 1975. – 375 с.
35. Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых материалов давлением. – Киев: Наук. думка, 1980. – 240 с.
36. Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко Л.А. и др. Феноменологические теории прессования порошков. – Киев: Наук. думка, 1982. – 140 с.
37. Тучинский Л.И.. Твердофазное уплотнение армированных материалов. – Киев: Наук. думка, 1980. – 116 с.
38 Виноградов Г.А., Каташинский В.П.. Теория листовой прокатки металлических порошков и гранул. – М.: Металлургия, 1979. – 224 с.
39. Скороход В.В., Солонин С.М.. Физико-металлургические основы спекания. – М.: Металлургия, 1984. – 162 с.
40. Скороход В.В. Химические, диффузионные и реологические процессы в технологии порошковых материалов. – Киев: Наук. думка, 1990. – 248 с.
41. Скороход В.В., Паничкина В.В., Солонин Ю.М., Уварова И.В.. Диcперсные порошки тугоплавких металлов. – Киев: Наук. думка, 1979. – 171 с.
42. Скороход В.В. Порошковые материалы на основе тугоплавких металлов и соединений. – Киев: Техника, 1982. – 167 с.
43. Ничипоренко О.С., Найда Ю.И., Медведовский А.Б.. Распыленные металлические порошки. – Киев: Наук. думка, 1980. – 239 с.
44. Косторнов А.Г. Проницаемые металлические волокновые материалы. – Киев: Техника, 1983. – 128 с.
45. Радомысельский И.Д., Ясь Д.С., Павленко В.И.. Производство и использование порошковых деталей в легкой промышленности. – Киев: Техніка, 1982. – 175 с.
46. Радомысельский И.Д., Сердюк Г.Г., Щербань Н.И.. Конструкционные порошковые материалы. – Киев: Техніка, 1985. – 152 с.
47. Сердюк Г.Г., Свистун Л.И. Технология порошковой металлургии. В 3-х частях. – Краснодар: КубГТИ, 2005. – 240 с. (ч. 1), 160 с. (ч. 2), 244 с. (ч. 3).
48. Федорченко И.М., Крячек В.М., Панаиоти И.И. Современные фрикционные материалы. – Киев: Наук. думка, 1975. – 335 с.
49. Федорченко И.М., Ровинский Д.Я., Шведков Е.Л. Исследование материалов для тормозных и передаточных устройств. – Киев: Наук. думка, 1976. – 200 с.
50. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционые материалы. – Киев: Наук. думка, 1980. – 403 с.
51. Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Вишняков Л.Р.. Новые композиционные материалы. Киев: Вища шк., 1977. – 312 с.
52. Гнесин Г.Г.. Карбидокремниевые материалы. – М.: Металлургия, 1977. – 215 с.
53. Позняк Л.А.. Инструментальные стали. – Киев, Наук. думка, 1996. – 488 .
54. Скороход В.В., Уварова І.В., Рагуля А. В.. Фізико-хімічна кінетика в наноструктурних системах. – Київ: Академперіодіка, 2001. – 180 с.
55. Андреевский Р.А., Рагуля В.А. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М., 2005. – 192 с.
56. Рагуля А.В., Скороход В.В. Консолидированные наноструктурные системы. – Киев: Академпериодика, 2001 – 280 с.
57. Скороход В.В., Солонин Ю.М., Уварова И.В. Микрокинетика уплотнения и реологические свойства высокодисперсных систем
58. Косторнов А.Г.. Материаловедение дисперсных и пористых металлов и сплавов. В 2-х томах. – Киев: Наук. думка, 2002. – 571 с. (т. 1) и 550 с. (т. 2).
59. Неорганическое материаловедение: Энциклопед.изд.: В 2 т./ Под ред. В.В. Скорохода, Г.Г. Гнесина. – Киев: Наукова думка, 2008. – 2894 с.

ГЛАВА 4 Г.Г. СЕРДЮК, Л.И. ЧЕРНЫШЕВ
        

РАЗВИТИЕ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ В УКРАИНЕ

58
47