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 °C) 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.