Способ получения композиционного материала из металлических порошков с заданным физико-механическим свойством

Способ получения композиционного материала из металлических порошков с заданным физико-механическим свойством

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при производстве изделий из порошковых металлических композиционных материалов.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ получения композиционного материала из металлических порошков с заданным физико-механическим свойством, в котором подбор компонентов для получаемого материала осуществляют исходя из требуемого физико-механического свойства композита, которое определяется составом, свойствами и концентрацией металлических порошков. Например, модуль упругости композиционного материала из металлических порошков (E_ком) рассчитывают по формуле «смеси»: E к о м = ∑ i − 1 k E i ⋅ K i , где E_i - модуль упругости i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; K_i - концентрация i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; i - номер компонента (металлического порошка) композиционного материала (i=1…k). Аналогичным образом осуществляют подбор компонентов, рассчитывая и другие требуемые физико-механические свойства композита, - теплопроводность, удельное электрическое сопротивление, сопротивление пластической деформации и др. После подбора компонентов производят их смешивание, а затем выполняют обработку давлением полученной смеси (Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. - М.: Изд-во Интекст. - 2005, с.62).

Недостатком прототипа является значительное несоответствие рассчитываемых свойств от экспериментальных данных из-за того, что в известном способе не учитывается форма порошков, их деформационное и напряженное состояния при процессах обработки давлением, объединяющих отдельные порошки в единый композиционный материал, что приводит к увеличению затрат на производство композиционного материала из металлических порошков с заданным физико-механическим свойством.

Задачей изобретения является снижение затрат на производство композиционных материалов из металлических порошков за счет повышения точности определения заданных физико-механических свойств композитов.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе получения композиционного материала из заданных металлических порошков с заданным физико-механическим свойством, включающем подбор компонентов материала, их смешивание и обработку давлением полученной смеси, отличающийся тем, что подбор компонентов осуществляют из выражения: C к о м = ∑ i = 1 k C i ⋅ ρ i ¯ n i ⋅ K i , где С_ком - заданное свойство композиционного материала; C_i., - то же свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; ρ ¯ i - относительная плотность i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; n_i - показатель пористости частиц i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала;

K_i - концентрация i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; i - номер компонента (металлического порошка) композиционного материала (i=1…k), а относительную плотность составляющих (металлических порошков) композиционного материала определяют из условия равенства контактных усилий: σ т 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ т 2 ⋅ ρ 2 ¯ n 2 ⋅ F ; σ т 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ т 3 ⋅ ρ 3 ¯ n 3 ⋅ F ; σ т 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ т k ⋅ ρ k ¯ n k ⋅ F , где σ T 1 … k - сопротивление пластической деформации составляющих (металлических порошков) композиционного материала;

F - площадь контакта соприкосновения частиц составляющих (металлических порошков) композиционного материала, и уравнения плотности композита: ρ ¯ к о м = ∑ i = 1 k K i , где ρ ¯ к о м - заданная относительная плотность композиционного материала.

Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо при производстве изделий из порошковых металлических композиционных материалов.

Предлагаемый способ получения композиционных материалов из заданных металлических порошков с заданными физико-механическими свойствами осуществляется следующим образом.

Сначала производят подбор компонентов композиционного материала для заданного физико-механического свойства (теплопроводность, удельное электрическое сопротивление, сопротивление пластической деформации, модуль упругости, предел усталости и др.). Отличительной особенностью предлагаемого способа является использование для подбора компонентов величин относительной плотности металлических порошков, составляющих композит, возведенной в степень показателя пористости соответствующего порошка ( ρ i ¯ n i ). Данный параметр учитывает форму порошков в результате осуществления пластической деформации при процессах обработки давлением (прессование, прокатка, осадка и др.), связанных с компактированием и последующим формообразованием для получения геометрии изделия. Причем для многокомпонентных порошков относительную плотность составляющих (металлических порошков) композиционного материала определяют из условия равенства контактных усилий: σ T 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ T 2 ⋅ ρ 2 ¯ n 2 ⋅ F ; σ T 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ T 3 ⋅ ρ 3 ¯ n 3 ⋅ F ; σ T 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ T k ⋅ ρ k ¯ n k ⋅ F , где σ T 1 … k - сопротивление пластической деформации составляющих (металлических порошков) композиционного материала; F - площадь контакта соприкосновения частиц составляющих (металлических порошков) композиционного материала, и уравнения плотности композита: ρ ¯ к о м = ∑ i = 1 k ρ ¯ i ⋅ K i , где ρ ¯ к о м - заданная относительная плотность композиционного материала. Например, для двухкомпонентных композиционных материалов условие равенства контактных усилий будет равно: σ T 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ T 2 ⋅ ρ 2 ¯ n 2 ⋅ F , а уравнение для расчета относительной плотности составляющих (металлических порошков) композиционного материала через заданную относительную плотность композита: ρ ¯ K O M = ρ ¯ 1 ⋅ K 1 + ρ ¯ 2 ⋅ K 2 . Для расчета относительной плотности композиционных материалов, состоящих из трех и более компонентов, необходимо составить условие равенства контактных усилий сначала между первым компонентом и вторым, затем между первым компонентом и третьим, далее между первым компонентом и компонентом k. Таким образом, выражение для подбора компонентов композиционных материалов из заданных металлических порошков с заданными физико-механическими свойствами примет следующий вид: C к о м = ∑ C i ⋅ ρ i ¯ n i ⋅ K i , где С_ком - заданное свойство композиционного материала; C_i - свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала, соответствующее рассчитываемому; ρ ¯ i - относительная плотность i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; n_i - показатель пористости частиц i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; K_i - концентрация i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; i - номер компонента (металлического порошка) композиционного материала (i=1…k).

Примеры получения композиционных материалов с заданными свойствами

Пример №1. Проверим заданное удельное электрическое сопротивление медно-цинкового композита с К_меди=0,20, К_цинка=0,80 при относительной плотности композита ρ ¯ K O M = 0,70 . Для данного состава, при равной площади контакта соприкосновения частиц порошков меди и цинка, условие равенства контактных усилий примет вид: σ т   м е д и ⋅ ρ ¯ м е д и n м е д и = σ T   ц и н к а ⋅ ρ ¯ ρ ц и н к а n ц и н к а   или 56 ⋅ ρ ¯ м е д и 2,0 = 30 ⋅ ρ ¯ ц и н к а 1,8 , где 56, 30 - сопротивления пластической деформации при горячих процессах обработки давлением порошков меди и цинка соответственно, МПа; 2,0; 1,8 - показатели пористости частиц порошков меди и цинка соответственно. Из условия равенства контактных усилий ρ ¯ ц и н к а = 1,414 ⋅ ρ ¯ м е д и 1,111 . Линиаризируем:

ρ ¯ м е д и	0,5	0,6	0,7
ρ ¯ ц и н к а	0,655	0,802	0,951

Получим ρ ¯ ц и н к а = 1,48 ⋅ ρ ¯ м е д и − 0,085 . Подставим полученную зависимость в уравнение плотности для данного композита: ρ ¯ K O M = ρ ¯ м е д и ⋅ К м е д и + ρ ¯ ц и н к а ⋅ К ц и н к а = ρ ¯ м е д и ⋅ К м е д и + ( 1,48 ⋅ ρ ¯ м е д и − 0,085 ) ⋅ К ц и н к а .

Тогда ρ ¯ м е д и = ρ ¯ К О М + 0,085 ⋅ К ц и н к а К м е д и + 1,48 ⋅ К ц и н к а . Подставив известные значения, получим: ρ ¯ м е д и = 0,70 + 0,085 ⋅ 0,80 0,20 + 1,48 ⋅ 0,80 = 0,768 1,384 = 0,555 и ρ ¯ ц и н к а = 1,48 ⋅ 0,555 − 0,085 = 0,736. Определим удельное электрическое сопротивление медно-цинкового композита (R_ком): R к о м = R м е д и ⋅ ρ ¯ м е д и n м е д и ⋅ К м е д и + R ц и н к а ⋅ ρ ¯ ρ ц и н к а n ц и н к а   ⋅ К ц и н к а = 0,0172 ⋅ 0,555 2,0 ⋅ 0,20 + 0,10 ⋅ 0,736 1,8 ⋅ 0,80 = 0,047  Ом ⋅ м м 2 / м . Из эксперимента удельное электрическое сопротивление медно-цинкового композита с K_меди=0,20, K_цинка=0,80, равно 0,049 Ом·мм²/м (Жданов Л.С., Маранджян В.А. Курс физики. Ч. 2. Электричество, оптика, атомная физика. - М.: Наука, 1966. - С.89). Тогда отклонение расчетной величины от экспериментальной составит: Δ = 0,049 − 0,047 0,049 ⋅ 100 = 4 % .

Рассчитаем удельное электрическое сопротивление медно-цинкового композита с K_мeди=0,20, K_цинкa=0,80 по формуле «смеси» из способа, выбранного в качестве прототипа изобретения: R_ком=R_меди·R_меди+R_цинка·K_цинка=0,0172·0,20+0,10·0,80=0,083 Ом·мм²/м. Тогда отклонение расчетной величины по формуле «смеси» от экспериментальной составит: Δ = 0,083 − 0,049 0,083 ⋅ 100 = 41 %

Таким образом, в предлагаемом способе точность подбора компонентов, исходя из заданного удельного электрического сопротивления для медно-цинкового композита, повышается в 41 4 ≈ 10 раз, что позволит снизить затраты на производство изделий из заданных порошковых металлических композиционных материалов за счет сокращения количества изделий с недопустимым отклонением от требуемых физико-механических свойств (брак).

Особенно важным является повышение точности определения заданных физико-механических свойств композитов при прочностных расчетах. Так, например, повышение точности расчета сопротивления пластической деформации позволит использовать оборудование с меньшим усилием, что приведет к снижению затрат на производство изделий из порошковых металлических композиционных материалов.

Пример №2. Проверим заданное сопротивление пластической деформации железо-медно-никелевого композита с K_железа=0,70, K_меди=0/20, K_никеля=0,10 при относительной плотности композита ρ ¯ к о м =0,85. Запишем условие равенства контактных усилий между частицами порошков железа и меди, при равной площади контакта соприкосновения частиц: σ т ж е л е з а ⋅ ρ ¯ ж е л е з а n ж е л е з а = σ т м е д и ⋅ ρ ¯ м е д и n м е д и или 100 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а 3,0 = 56 ⋅ ρ ¯ м е д и 2,0 , где 100,56 - сопротивления пластической деформации при горячих процессах обработки давлением порошков железа и меди соответственно, МПа; 3,0, 2,0 - показатели пористости частиц порошков железа и меди соответственно. Из условия равенства контактных усилий ρ ¯ м е д и = 1,336 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а 1,5 . Линиаризируем:

ρ ¯ ж е л е з а	0,6	0,7	0,85
ρ ¯ м е д и	0,621	0,774	1,0

Получим ρ ¯ м е д и = 1,516 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а − 0,289 . Запишем условие равенства контактных усилий между частицами порошков железа и никеля, при равной площади контакта соприкосновения частиц: σ т ж е л е з а ⋅ ρ ¯ ж е л е з а n ж е л е з а = σ т н и к е л я ⋅ ρ ¯ н и к е л я n н и к е л я или 100 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а 3,0 = 65 ⋅ ρ ¯ н и к е л я 2,8 , где 100, 65 - сопротивления пластической деформации при горячих процессах обработки давлением порошков железа и никеля соответственно, МПа; 3,0, 2,8 - показатели пористости частиц порошков железа и никеля соответственно. Из условия равенства контактных усилий ρ ¯ н и к е л я = 1,166 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а 1,071 . . Линиаризируем:

ρ ¯ ж е л е з а	0,6	0,7	0,85
ρ ¯ н и к е л я	0,675	0,796	0,98

Получим ρ ¯ н и к е л я = 1,22 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а − 0,057 . Подставим полученные зависимости в уравнение плотности для данного композита: ρ ¯ к о м = ρ ¯ ж е л е з а ⋅ К ж е л е з а + ρ ¯ м е д и ⋅ К м е д и + ρ ¯ н и к е л я ⋅ К н и к е л я = ρ ¯ ж е л е з а ⋅ 0,70 + ( 1,516 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а − 0,289 ) ⋅ 0,20 + ( 1,22 ⋅ ρ ¯ ж е л е з а − 0,057 ) ⋅ 0,10 .

Получим ρ ¯ ж е л е з а = ρ ¯ к о м + 0,0635 1,1252 = 0,85 + 0,0635 1,1252 = 0,9135 1,1252 = 0,812 . Тогда ρ ¯ м е д и = 1,516 ⋅ 0,812 − 0,289 = 0,942 и ρ ¯ н и к е л я = 1,22 ⋅ 0,812 − 0,057 = 0,934 . Определим сопротивление пластической деформации железо-медно-никелевого композита ( σ т к о м ) : σ т к о м = σ т ж е л е з а ⋅ ρ ¯ ж е л е з а n ж е л е з а ⋅ К ж е л е з а + σ т м е д и ⋅ ρ ¯ м е д и n м е д и ⋅ К м е д и + σ т н и к е л я ⋅ ρ ¯ н и к е л я n н и к е л я ⋅ К н и к е л я = 100 ⋅ 0,812 3,0 ⋅ 0,70 + + 56 ⋅ 0,942 2,0 ⋅ 0,20 + 65 ⋅ 0,934 2,8 ⋅ 0,10 = 52, 79 МПа .

Из эксперимента сопротивление пластической деформации железо-медно-никелевого композита K_железа=0,70, K_меди=0,20, K_никеля=0,10 равно 55 МПа (Кохан Л.С., Коростелев А.Б., Роберов И.Г., Мочалов А.Н. Обработка давлением металлов и заготовок из скомпактированных спеченных металлических порошков. - М.: ВИНИТИ, 2008. - 253 с.). Тогда отклонение расчетной величины от экспериментального значения составит: Δ = 55 − 52,79 55 ⋅ 100 = 4 % .

Рассчитаем сопротивление пластической деформации железо-медно-никелевого композита с K_железа=0,70, K_меди=0,20, K_никеля=0,10 по формуле «смеси» из способа, выбранного в качестве прототипа изобретения:

σ т к о м = σ т ж е л е з а ⋅ К ж е л е з а + σ т м е д и ⋅ К м е д и + σ т н и к е л я ⋅ К н и к е л я = 100 ⋅ 0,70 + 56 ⋅ 0,20 + 65 ⋅ 0,10 = 87,7   М П а

Тогда отклонение расчетной величины по формуле «смеси» от экспериментального значения составит: Δ = 87,7 − 55 87,7 ⋅ 100 = 37 % .

Таким образом, в предлагаемом способе точность подбора компонентов, исходя из заданного сопротивления пластической деформации для железо-медно-никелевого композита, повышается в 37 4 ≈ 9 раз.

После подбора компонентов производят их смешивание, а затем выполняют обработку давлением полученной смеси.

Способ получения металлического композиционного материала с заданным физико-механическим свойством из заданных металлических порошков, включающий задание физико-механического свойства материала подбором компонентов с учетом заданного свойства порошков и их концентрации, смешивание и обработку давлением полученной смеси, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину относительной плотности металлических порошков, составляющих композиционный материал из условия равенства контактных усилий: σ т 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ т 2 ⋅ ρ 2 ¯ n 2 ⋅ F ; σ т 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ т 3 ⋅ ρ 3 ¯ n 3 ⋅ F ; σ т 1 ⋅ ρ 1 ¯ n 1 ⋅ F = σ т k ⋅ ρ k ¯ n k ⋅ F , где σ T 1 … k - сопротивление пластической деформации металлических порошков;F - площадь контакта соприкосновения частиц металлических порошков, и уравнения плотности композита: ρ ¯ к о м = ∑ i = 1 k ρ ¯ i ⋅ K i , где ρ ¯ к о м - заданная относительная плотность композиционного материала,при этом подбор компонентов материала осуществляют с использованием следующей зависимости C к о м = ∑ i = 1 k C i ⋅ ρ i ¯ n i ⋅ K i , где С_ком - заданное свойство композиционного материала;C_i - то же свойство i-го металлического порошка; ρ ¯ i - относительная плотность i-го металлического порошка;n_i - показатель пористости частиц i-го металлического порошка;K_i - концентрация i-го металлического порошка;i - номер металлического порошка (i=1…k).