Технология получения порошковых материалов

Ю.А. Курганова

Технология получения  
порошковых материалов

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.762
ББК 34.39я73
 
К93

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/7098

Факультет «Машиностроительные технологии»

Кафедра «Материаловедение»

Курганова, Ю. А.

К93  
Технология получения порошковых материалов : учебное пособие / 

Ю. А. Курганова. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2020. — 68, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5577-5

Изложены основные вопросы, связанные с производством порошковых ма-

териалов и изделий. Рассмотрены методы получения и свойства металлических 
порошков, процессы формирования и спекания заготовок, основные области 
применения и свойства порошковых изделий.

Для студентов направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии мате-

риалов». Может быть полезно студентам всех специальностей, изучающим дисциплину «
Материаловедение».

УДК 621.762
ББК 34.39я73

© Курганова Ю.А., 2020
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-5577-5 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   4
Лекция 1. Введение в порошковую металлургию и основы порошкового

материаловедения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   5

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11

Лекция 2. Состав и форма порошков, методы оценки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  12

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22

Лекция 3. Методы получения порошков  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  23

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  32

Лекция 4. Основные свойства порошков и методы их контроля . . . . . . . . . . . . .  33

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  39

Лекция 5. Порошковые материалы и способы их подготовки  . . . . . . . . . . . . . . .  40

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  47

Лекция 6. Методы получения изделий порошковой металлургии . . . . . . . . . . . .  48

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  56

Лекция 7. Оценка структуры и свойств порошковых изделий  . . . . . . . . . . . . . . .  57

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  60

Лекция 8. Перспективы и стратегия развития технологий порошковой 

металлургии и порошковых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  61

Контрольные задания и вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  68

Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  69

ПРЕДИСЛОВИЕ

Издание подготовлено для самостоятельной проработки дисциплины 

«Технология получения порошковых материалов» студентами, обучающимися 
по направлению подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии 
материалов». Может быть полезно студентам всех технических специальностей, 
изучающим дисциплину «Материаловедение».

Материал изложен полекционно. В конце каждой лекции приведены 

контрольные вопросы и задания для самостоятельного контроля усвоения 
изучаемой дисциплины. В пособии предложен список литературы для более 
углубленного изучения материала.

Основная цель пособия — предоставить студентам сведения, углубля-

ющие знания по эффективному использованию порошковых материалов 
и помогающие развить навыки по оценке свойств исходных компонентов 
и изделий из порошков. Изучение материала пособия позволит студентам 
квалифицированно ориентироваться в области порошковой металлургии.

Ознакомление с основами порошкового материаловедения необходимо 

будущим инженерам и научным работникам, представляет интерес для специалистов 
в различных областях знаний.

Пособие издано при финансовой поддержке Российского фонда фундамен-

тальных исследований в рамках проекта № 20-53-53022.

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ В ПОРОШКОВУЮ МЕТАЛЛУРГИЮ  
И ОСНОВЫ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Становление технологического метода. Природные и искусственные 
порошки. Применение перспективных порошков. Типовая технология 
производства и ее преимущества

Еще в бронзовом веке люди умели получать и использовать некоторые 

виды порошков, а также применять горячую ковку порошковой массы. Существует 
мнение, что научные основы порошковой металлургии разработал 
М.В. Ломоносов. Он описывал процессы получения порошкового свинца, 
способы перевода различных материалов в порошкообразное состояние 
и определил спекание как операцию перевода «порошкообразного тела, которому 
по желанию придана известная форма, в каменистое вещество».

Производство изделий порошковой металлургии начинается после 

1826 г., когда русский металлург П.Г. Соболевский, руководивший в то время 
объединенной лабораторией Горного кадетского корпуса и Департамента 
горных и соляных дел, вместе с преподавателем металлургии В.В. Любарским 
разработали технологию получения платиновых изделий, заложив 
основы порошковой металлургии. Технология заключалась в прокаливании 
хлорплатината аммония и последующем горячем прессовании полученного 
платинового порошка в цилиндрические заготовки. 

Свое выступление на торжественном собрании Ученого комитета по 

горной и соляной части 21 марта 1827 г. Петр Григорьевич Соболевский посвятил 
новому способу получения различных изделий из порошка платины. 
Там же были продемонстрированы медали, жетоны, чаши, тигли, различные 
украшения, полученные путем прессования предварительно сформованной 
и нагретой заготовки из губчатой платины. 

Таким образом, заслуга в становлении технологического метода перера-

ботки порошков в изделия принадлежит русским ученым П.Г. Соболевскому 
и В.В. Любарскому, которые разработали технологию прессования и спекания 
платинового порошка за три года до англичанина Воллстана.

До начала ХХ в. сохранялось эпизодическое применение порошков для 

различных целей. Но потребности научно-технического прогресса спровоцировали 
широкое распространение порошковой металлургии: электроламповой 
промышленности были нужны тугоплавкие материалы для нитей ламп 
накаливания, электромашиностроению — медно-графитовые щетки и т. п. 

Лекция 1

В 1900 г. наш соотечественник А.Н. Лодыгин на Парижской всемирной 

выставке демонстрировал электрическую лампочку с телом накала из вольфрамовой 
проволоки, полученной методом порошковой металлургии.

Эффективное решение определенных технических задач послужило 

мощным толчком к пуску порошкового производства.

К началу 1950-х гг. мировое ежегодное производство металлических по-

рошков, материалов и изделий из них составляло несколько десятков тысяч 
тонн. Быстро развивались порошковая металлургия и связанное с этим строительство 
крупных специализированных предприятий по выпуску порошков 
и изделий из них: самосмазывающихся подшипников, твердых сплавов, 
магнитных, электроконтактных и конструкционных материалов и др.

По оценкам экспертов, ежегодный прирост объема реализации изделий 

из порошков составляет не менее 5…7 %. Мировое производство металлических 
порошков в настоящее время превышает 1 млн т, а изделий из них — 
650…750 тыс. т. Выпуск порошковых изделий взамен литых позволяет до 
70 % снизить потери металла, количество обрабатывающего оборудования 
и обслуживающего рабочего персонала, а также энергозатраты на производство 
единицы продукции.

Основные направления развития порошковой металлургии связаны 

прежде всего с преодолением трудностей при получении заготовок из тугоплавких 
элементов и изделий с особыми свойствами — фрикционных, антифрикционных, 
высокопористых и т. п.

Разработано значительное количество порошковых материалов. Часто 

применяется их классификация по происхождению: на природные, или минеральные, 
и искусственные. Наиболее распространенные природные материалы — 
мел, каолин, тальк, нефелин, порошковый кварц.

Мел — мягкий минерал белого цвета, осадочная горная порода, тонко-

зернистая разновидность известняка, имеет твердость 3 по шкале Мооса (самая 
высокая твердость 10 у алмаза). Химическая формула СаСО3. Мел недорогой, 
запасы его практически не ограничены, он нетоксичен, безвреден, не 
имеет запаха. При нагреве до 800 °С мел разлагается, выделяя углекислый 
газ CO2 и образуя известь СаО. Мел активно используют для наполнения 
полимеров. По показателю преломления света мел близок к большинству 
полимеров. Поэтому при введении мела можно получать оптически однородные 
пластмассы практически любого цвета. Для производства пластмасс 
белого цвета к мелу добавляют диоксид титана, черного — технический углерод. 
Наиболее широко мел используют для наполнения фенолоформальдегидных, 
эпоксидных и полиэфирных полимеров.

Каолин (от названия местности Каолин в Китае, где впервые он был 

найден) — белая глина, осадочная горная порода. Состоит в основном из 
каолинита, химическая формула которого Al2Si2O5(OH)4, содержит 39,5 % 
Al2O3, 46,5 % SiO2 и 14 % H2O. Частицы каолина имеют форму гексагональных 
пластинок. Его широко применяют как наполнитель полимеров, 
главным образом полиэфирных, для повышения их физико-механических 
характеристик и модуля упругости. Однако недостатком каолина является 

Введение в порошковую металлургию и основы порошкового материаловедения

его плохая диспергируемость в полимерах, его введение резко повышает 
их вязкость.

Тальк — минерал, химическая формула 3MgO·4SiO2·Н2О, представляет 

собой белый порошок с пластинчатыми частицами, имеющих твердость 1 
по шкале Мооса. Применяют тальк преимущественно для наполнения полипропилена 
и поливинилхлорида. Пластинчатая форма частиц повышает 
упрочняющий эффект.

Нефелин и полевой шпат — породообразующие минералы, безводные 

щелочные алюмосиликаты близкого состава: нефелин — (Na,K)AlSiO4, полевой 
шпат — K[AlSi3O8]–Na[AlSi3O8]–Са[Al2Si2O8]. Куски полевого шпата 
раскалываются по плоскостям спайности, расположенным под углом 
90° одна к другой, поэтому образующиеся частицы имеют форму блоков 
и прямоугольных осколков. Плоскости спайности нефелина расположены 
параллельно одна другой, поэтому при измельчении его частицы состоят из 
пластинок неправильной формы. Полевой шпат и нефелин безвредны для 
здоровья даже при попадании их пылевых частиц в дыхательные пути.

Нефелин и полевой шпат хорошо смачиваются и диспергируются 

в большинстве полимеров, обеспечивая низкую вязкость и высокую текучесть 
при высокой степени заполнения. Наполненные ими полимеры прозрачны 
или полупрозрачны, обладают повышенной химической стойкостью 
и износостойкостью. Нефелином и полевым шпатом чаще усиливают поливинилхлорид 
и полиэфирные смолы.

Кварц (химическая формула SiO2) — один из самых распространенных 

породообразующих минералов на Земле. Кварц в виде порошка получают 
путем измельчения кварцевого песка до зерен диаметром не более 150 мкм. 
На долю кварца приходится около 10 % общего объема используемых порошковых 
наполнителей для полимеров. Введение кварцевого порошка 
уменьшает усадку полимеров и тем самым повышает стабильность размеров 
изделий из композиционных материалов (КМ). Кварцевый наполнитель повышает 
физико-механические свойства полимеров, и поэтому он используется 
в технологии производства КМ.

Все порошки по химическому составу подразделяют на следующие 

группы:

1) оксиды, например: оксид алюминия Al2O3 — корунд; гидроксид алю-

миния Al(OH)3 — гиббсит;

2) соли, например: карбонат кальция СаСО3 — кальцит, известняк, мел, 

мрамор, арагонит; CaMg(CO3)2 — доломит; сульфат кальция CaSO4 — ангидрид; 
дигидрат сульфата кальция CaSO4·2H2O — гипс, белая земля;

3) силикаты, например, волластонит, каолин;
4) отдельные элементы, например, различные металлы, графит.
Оксид алюминия — корунд, преимущественно применяется в качестве 

огнеупорного материала, а также катализатора, адсорбента, инертного наполнителя. 
Из корунда изготавливают абразивные порошки и инструменты. 
Прозрачные разновидности корунда (сапфир, рубин) — драгоценные камни, 
которые используют в ювелирном деле. Высококачественные корунды 

Лекция 1

применяют при изготовлении точных механизмов, лазеров и других оптических 
устройств. β-оксид алюминия представляет собой смешанный оксид 
алюминия и натрия. Оксид алюминия и соединения с ним вызывают большой 
научный интерес как металлопроводящие твердые электролиты.

В числе перспективных порошков искусственного происхождения вы-

деляют технический углерод, аэросил, технические алмазы, кубический нитрид 
бора, порошкообразные металлы.

Технический углерод — это техническое название сажи. Сажа представляет 

собой порошкообразный продукт черного цвета, получаемый при неполном 
сгорании или термическом разложении углеводородов. Применение сажи 
в качестве черного красящего вещества известно с глубокой древности. Сажу 
использовали для изготовления черной туши, которой написаны старинные 
китайские манускрипты, относящиеся к 4-му тысячелетию до н. э. В Древнем 
Египте тексты папирусов писали черными чернилами на основе сажи.

Технический углерод состоит из частиц сферической формы, диаметр 

которых менее 50 нм. Частицы образуют более или менее разветвленные 
цепочки. Свойства технического углерода определяются, главным образом, 
двумя характеристиками: удельной поверхностью, которая зависит от размера 
дисперсных частиц, и степенью структурированности дисперсных частиц 
углерода в цепочки. Оба этих параметра зависят от технологических 
парамет ров процесса пиролиза.

Свыше 90 % технического углерода в настоящее время получают печ-

ным способом: нефть впрыскивают в реактор с горячими продуктами сгорания 
топлива, где она термически разлагается с образованием дисперсных 
частиц технического углерода. Большую часть полученного продукта гранулируют 
для удобства транспортирования, хранения и использования. Кроме 
печного, в меньших масштабах используют другие способы получения сажи: 
канальный, термический, ламповый, ацетиленовый.

Около 95 % технического углерода расходуется на нужды резинотехни-

ческой промышленности и только менее 5 % используют в качестве наполнителя, 
преимущественно — упрочнителя полимеров. Кроме того, технический 
углерод повышает устойчивость полимеров к воздействию теплоты 
и УФ-излучения, улучшает их перерабатываемость, а также позволяет изменять 
электрическую проводимость полимеров. Технический углерод часто 
применяют для окраски полимеров, придавая им непрозрачность даже при 
очень малых концентрациях.

Аэросил представляет собой дисперсные частицы диоксида кремния 

сферической формы диаметром до 10 нм, иногда этот материал называют 
«белой сажей». Его получают гидролизом хлорида кремния в токе кислородно-
водородного пламени. Аэросил не токсичен, безвреден, даже при больших 
концентрациях не вызывает силикоза. Его применяют для наполнения 
резин и полимеров. Он хорошо диспергируется в большинстве полимеров, 
однако снижает их жидкотекучесть.

Технические алмазы — карбонадо, балласы, борты и др. В нашей 

стране все шире применяются инструменты из новых синтетических 

Введение в порошковую металлургию и основы порошкового материаловедения

поликристаллических алмазов крупных размеров — балласов (АСБ) и карбонадо (
АСПК), впервые синтезированных в Институте физики высоких 
давлений АН СССР под руководством академика Л.Ф. Верещагина. Физико-
механические свойства поликристаллов исследованы еще не полностью, 
однако установлено, что по твердости, теплостойкости, теплопроводности 
и прочности они близки к природным алмазам.

Благодаря интенсивному развитию физики высоких давлений разрабо-

таны промышленные методы получения и созданы высокопроизводительные 
оборудование и аппаратура для производства поликристаллических алмазов 
размером до 8 мм. Каталитическим методом получают поликристаллы 
типов баллас и карбонадо, спеканием микропорошков алмазов с металлической 
связкой под высоким давлением — компакс, синдит, без металлической 
связки под высоким давлением — спеки типов СВ и мегадаймонд.

Баллас кристаллизуется при относительно низких давлениях и темпера-

турах. Он состоит из более крупных кристаллов (до 100 мкм), чем карбонадо. 
Алмазы АСБ имеют шаровидную форму, четко выраженную радиально-лучистую 
структуру, термостойкость на воздухе 700…800 °С.

Алмазы АСПК имеют форму цилиндра диаметром 2,0…4,5 мм и высо-

той 3…5 мм; структура их также радиально-лучистая, но более тонко сформированная 
и совершенная, термостойкость на воздухе 900 °С. В настоящее 
время поликристаллы выпускают в основном сферической, полусфериче-
ской и цилиндрической формы. Такие формы позволяют применять синтетические 
поликристаллы для изготовления инструментов различных типов.

Алмазы типов АСБ и АСПК используют для оснащения резцов, обра-

батывающих цветные металлы и их сплавы, стеклопластики, пластмассы 
и другие неметаллические и труднообрабатываемые материалы.

Карбонадо предназначен для обработки цветных металлов и их сплавов, 

твердых сплавов, стеклопластиков, пластмасс, сшивов титана и других неметаллических 
и труднообрабатываемых материалов. Из него изготовляют 
режущие части лезвийных инструментов для станков с ЧПУ, где фактор размерной 
стойкости приобретает особое значение.

Поликристаллические алмазы обладают рядом преимуществ перед моно-

кристаллами, широко применяемыми в правящих, буровых и камнеобрабатывающих 
инструментах, в первую очередь, отсутствием ограничений 
по форме и размерам. Технология изготовления поликристаллов позволяет 
также создать более равномерные, чем у природных алмазов, физико-механические 
свойства по сечению заготовки.

Одним из наиболее перспективных видов поликристаллов является ал-

мазный материал, недавно созданный институтом ВНИИалмаз совместно 
с Томилинским заводом алмазного инструмента. Материал представляет 
собой двухслойные пластины круглой, квадратной, трехгранной или ше-
стигранной формы. Пластины имеют вписанный диаметр 4,5…11 мм и толщину 
3…4 мм. Нижний слой состоит из безвольфрамового твердого сплава 
или специальной стали, верхний режущий слой — из поликристаллического 
алмаза. Такие пластины можно применять для режущих инструментов 

Лекция 1

с механическим креплением в державке. Металлическая подложка позволяет 
легко крепить их к державке методом пайки или склейки. Основное преимущество 
пластин — наличие большого количества режущих кромок, что 
увеличивает ресурс работы режущего инструмента до переточки в 5–6 раз. 
Алмазоносный слой толщиной 0,5…1,5 мм значительно облегчает переточку 
режущих кромок после затупления. Пластины выпускают 25 типоразмеров, 
поэтому ими можно оснащать инструмен ты различных видов (резцы, 
фрезы и т. д.).

Кубический нитрид бора (боразон) — электронный аналог углерода. Как 

химическое соединение он известен уже свыше 100 лет. Различные способы 
позволяют получать нитрид бора гексагональной структуры, имеющей большое 
сходство со структурой графита. Его плотность составляет 3,45 г/см3.

Исходный материал порошков: железо, сталь и сплавы на основе желе-

за, цветные металлы и сплавы на их основе, а также металлы с неметаллами.

Изделия порошковой металлургии сегодня применяют в широком спек-

тре отраслей, от автомобильной и аэрокосмической промышленности до 
производства бытовой техники (рис. 1.1).

Порошковая металлургия экономически выгодна, она обеспечивает 

получение деталей с высоким коэффициентом использования материала 
и требуемой точностью размеров, а также обладающих особыми свойствами 
или заданными характеристиками.

Рис. 1.1. Распределение изделий порошковой металлургии в мире по отраслям

Введение в порошковую металлургию и основы порошкового материаловедения

Применяемые в науке, технике и производстве термины и определения 

понятий в области порошковой металлургии устанавливают ГОСТ 17359–82 
и Международный стандарт ИСО 3252:2019. Согласно документу, порошковой 
металлургией называют «область науки и техники, охватывающую производство 
металлических порошков, а также изделий из них или их смесей 
с неметаллическими порошками».

Порошки, используемые в порошковой металлургии, регламентирова-

ны ГОСТ 23148–98, разработанным на основе Международного стандарта 
ИСО 3954–77.

Типовая технология производства изделий из порошков включает следу-

ющие основные операции: 1) получение порошка; 2) формование; 3) спекание; 
4) окончательная обработка. Каждая операция оказывает значительное 
влияние на формирование свойств готового изделия. Во всех технологических 
подходах важное значение имеют форма и размер исходного порошка. Порошок 
одного и того же материала в зависимости от метода получения имеет 
разные свойства, определяющие его применимость для той или иной цели.

Таким образом, порошковая металлургия является отраслью науки 

и техники, охватывающей область производства металлических порошков, 
а также изделий из них (или их смесей) с неметаллическими порошками.

Возможности порошковой металлургии для изготовления машинострои-

тельных материалов с различными свойствами практически ничем не ограничены. 
Методами порошковой металлургии получают изделия со специальными 
свойствами: антифрикционные детали узлов приборов и машин (втулки, 
вкладыши, опорные шайбы и т. д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки 
и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструменты (резцы, 
пластины резцов и фрез, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, 
магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической 
промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

К основным преимуществам порошковой металлургии традиционно 

относят высокий коэффициент использования металла, минимальную механическую 
обработку, возможность получения изделий сложной формы 
с уникальными свойствами, эффективный рециклинг.

Контрольные задания и вопросы

1. Когда зародилась порошковая металлургия?
2. Кому принадлежит заслуга в становлении технологического метода 

переработки порошков в изделия?

3. Какие преимущества порошковой металлургии определяют применяе-

мость порошковых изделий?

4. Как классифицируют порошки по химическому составу?
5. Какие основные операции включает традиционная технология произ-

водства порошковых изделий?

6. Какая из технологических операций оказывает значительное влияние 

на формирование свойств готового изделия?