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

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к подбору состава материала при производстве изделий из порошковых металлических композиционных материалов с заданным физико-механическим свойством. Подбор компонентов осуществляют с использованием следующей зависимости: $$C_{ком}={\displaystyle \sum _{i=1}^k{C}_i\cdot {\overline{{\rho }_i}}^{n_i}\cdot K_i}$$ , где С_ком - заданное свойство композиционного материала; С_i - то же свойство i-го металлического порошка; $${\overline{\rho }}_i$$ - 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). Относительную плотность определяют из условия равенства контактных усилий: $${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{т2}\cdot {\overline{{\rho }_2}}^{n_2}\cdot F;$$ $${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{т3}\cdot {\overline{{\rho }_3}}^{n3}\cdot F;$$ $${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{тk}\cdot {\overline{{\rho }_k}}^{nk}\cdot F,$$

где $${\sigma }_{{}_{T1\dots k}}$$ - сопротивление пластической деформации металлических порошков; F - площадь контакта соприкосновения частиц металлических порошков и уравнения плотности композита: $${\overline{\rho }}_{ком}={\displaystyle \sum _{i=1}^k{\overline{\rho }}_i}\cdot K_i$$ , где $${\overline{\rho }}_{ком}$$ - заданная относительная плотность композиционного материала. Обеспечивается повышение точности определения заданных физико-механических свойств композитов. 2 пр.

 

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»: $$E_{ком}={\displaystyle \sum _{i-1}^k{E}_i\cdot K_i}$$ , 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: $$C_{ком}={\displaystyle \sum _{i=1}^k{C}_i\cdot {\overline{{\rho }_i}}^{n_i}\cdot K_i}$$ , где С_ком - заданное свойство композиционного материала; C_i., - то же свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; $${\overline{\rho }}_i$$ - 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: $${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{т2}\cdot {\overline{{\rho }_2}}^{n_2}\cdot F$$ ; $${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{т3}\cdot {\overline{{\rho }_3}}^{n3}\cdot F$$ ; $${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{тk}\cdot {\overline{{\rho }_k}}^{nk}\cdot F$$ , где $${\sigma }_{{}_{T1\dots k}}$$ - сопротивление пластической деформации составляющих (металлических порошков) композиционного материала;

F - площадь контакта соприкосновения частиц составляющих (металлических порошков) композиционного материала, и уравнения плотности композита: $${\overline{\rho }}_{ком}={\displaystyle \sum _{i=1}^k{K}_i},$$ где $${\overline{\rho }}_{ком}$$ - 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 ( $${\overline{{\rho }_i}}^{n_i}$$ ). 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: $${\sigma }_{T1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{T2}\cdot {\overline{{\rho }_2}}^{n_2}\cdot F$$ ; $${\sigma }_{T1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{T3}\cdot {\overline{{\rho }_3}}^{n3}\cdot F$$ ; $${\sigma }_{T1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{Tk}\cdot {\overline{{\rho }_k}}^{nk}\cdot F$$ , где $${\sigma }_{T1\dots k}$$ - сопротивление пластической деформации составляющих (металлических порошков) композиционного материала; F - площадь контакта соприкосновения частиц составляющих (металлических порошков) композиционного материала, и уравнения плотности композита: $${\overline{\rho }}_{ком}={\displaystyle \sum _{i=1}^k{\overline{\rho }}_i}\cdot K_i$$ , где $${\overline{\rho }}_{ком}$$ - заданная относительная плотность композиционного материала. Например, для двухкомпонентных композиционных материалов условие равенства контактных усилий будет равно: $${\sigma }_{T1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{T2}\cdot {\overline{{\rho }_2}}^{n_2}\cdot F$$ , а уравнение для расчета относительной плотности составляющих (металлических порошков) композиционного материала через заданную относительную плотность композита: $${\overline{\rho }}_{KOM}={\overline{\rho }}_1\cdot K_1+\overline{\rho }2\cdot K_2.$$ 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: $$C_{ком}={\displaystyle \sum C_i\cdot }{\overline{{\rho }_i}}^{n_i}\cdot K_i$$ , где С_ком - заданное свойство композиционного материала; C_i - свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала, соответствующее рассчитываемому; $${\overline{\rho }}_i$$ - 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 $${\overline{\rho }}_{KOM}=\mathrm{0,70}$$ . Для данного состава, при равной площади контакта соприкосновения частиц порошков меди и цинка, условие равенства контактных усилий примет вид: $${\sigma }_{тмеди}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}^{n_{меди}}={\sigma }_{Tцинка}\cdot {\overline{\rho }}_{{\rho }_{цинка}}^{n_{цинка}}$$ или $$\text{56}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}^{\mathrm{2,0}}=30\cdot {\overline{\rho }}_{цинка}^{\mathrm{1,8}},$$ 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 $${\overline{\rho }}_{цинка}=\mathrm{1,414}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}^{\mathrm{1,111}}.$$ Линиаризируем:

$${\overline{\rho }}_{меди}$$	0,5	0,6	0,7
$${\overline{\rho }}_{цинка}$$	0,655	0,802	0,951

Получим $${\overline{\rho }}_{цинка}=\mathrm{1,48}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}-\mathrm{0,085}$$ . Подставим полученную зависимость в уравнение плотности для данного композита: $${\overline{\rho }}_{KOM}={\overline{\rho }}_{меди}\cdot {К}_{меди}+{\overline{\rho }}_{цинка}\cdot {К}_{цинка}={\overline{\rho }}_{меди}\cdot {К}_{меди}+\left(\mathrm{1,48}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}-\mathrm{0,085}\right)\cdot {К}_{цинка}.$$

Тогда $${\overline{\rho }}_{меди}=\frac{{\overline{\rho }}_{КОМ}+\mathrm{0,085}\cdot {К}_{цинка}}{{К}_{меди}+\mathrm{1,48}\cdot {К}_{цинка}}.$$ Подставив известные значения, получим: $${\overline{\rho }}_{меди}=\frac{\mathrm{0,70}+\mathrm{0,085}\cdot \mathrm{0,80}}{\mathrm{0,20}+\mathrm{1,48}\cdot \mathrm{0,80}}=\frac{\mathrm{0,768}}{\mathrm{1,384}}=\mathrm{0,555}$$ и $${\overline{\rho }}_{цинка}=\mathrm{1,48}\cdot \mathrm{0,555}-\mathrm{0,085}=\mathrm{0,736.}$$ Определим удельное электрическое сопротивление медно-цинкового композита (R_ком): $$R_{ком}=R_{меди}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}^{n_{меди}}\cdot {К}_{меди}+R_{цинка}\cdot {\overline{\rho }}_{{\rho }_{цинка}}^{n_{цинка}}{}_{}^{{}_{}}\cdot {К}_{цинка}=\mathrm{0,0172}\cdot {\mathrm{0,555}}^{\mathrm{2,0}}\cdot \mathrm{0,20}+\mathrm{0,10}\cdot {\mathrm{0,736}}^{\mathrm{1,8}}\cdot \mathrm{0,80}=\mathrm{0,047}\text{ Ом}\cdot м{м}^2/м.$$ 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: $$\Delta =\frac{\mathrm{0,049}-\mathrm{0,047}}{\mathrm{0,049}}\cdot 100=4\text{\%}\text{.}$$

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: $$\Delta =\frac{\mathrm{0,083}-\mathrm{0,049}}{\mathrm{0,083}}\cdot 100=41\text{\%}$$

Таким образом, в предлагаемом способе точность подбора компонентов, исходя из заданного удельного электрического сопротивления для медно-цинкового композита, повышается в $$\frac{41}{4}\approx 10$$ 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 $${\overline{\rho }}_{ком}$$ =0,85. Запишем условие равенства контактных усилий между частицами порошков железа и меди, при равной площади контакта соприкосновения частиц: $${\sigma }_{тжелеза}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}^{n_{железа}}={\sigma }_{тмеди}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}^{n_{меди}}$$ или $$100\cdot {\overline{\rho }}_{железа}^{\mathrm{3,0}}=56\cdot {\overline{\rho }}_{меди}^{\mathrm{2,0}},$$ 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 $${\overline{\rho }}_{меди}=\mathrm{1,336}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}^{\mathrm{1,5}}.$$ Линиаризируем:

$${\overline{\rho }}_{железа}$$	0,6	0,7	0,85
$${\overline{\rho }}_{меди}$$	0,621	0,774	1,0

Получим $${\overline{\rho }}_{меди}=\mathrm{1,516}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}-\mathrm{0,289}$$ . Запишем условие равенства контактных усилий между частицами порошков железа и никеля, при равной площади контакта соприкосновения частиц: $${\sigma }_{тжелеза}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}^{n_{железа}}={\sigma }_{тникеля}\cdot {\overline{\rho }}_{никеля}^{n_{никеля}}$$ или $$100\cdot {\overline{\rho }}_{железа}^{\mathrm{3,0}}=65\cdot {\overline{\rho }}_{никеля}^{\mathrm{2,8}},$$ 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 $${\overline{\rho }}_{никеля}=\mathrm{1,166}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}^{\mathrm{1,071}}.$$ . Линиаризируем:

$${\overline{\rho }}_{железа}$$	0,6	0,7	0,85
$${\overline{\rho }}_{никеля}$$	0,675	0,796	0,98

Получим $${\overline{\rho }}_{никеля}=\mathrm{1,22}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}-\mathrm{0,057}$$ . Подставим полученные зависимости в уравнение плотности для данного композита: $${\overline{\rho }}_{ком}={\overline{\rho }}_{железа}\cdot {К}_{железа}+{\overline{\rho }}_{меди}\cdot {К}_{меди}+{\overline{\rho }}_{никеля}\cdot {К}_{никеля}={\overline{\rho }}_{железа}\cdot \mathrm{0,70}+\left(\mathrm{1,516}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}-\mathrm{0,289}\right)\cdot \mathrm{0,20}+\left(\mathrm{1,22}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}-\mathrm{0,057}\right)\cdot \mathrm{0,10}$$ .

Получим $${\overline{\rho }}_{железа}=\frac{{\overline{\rho }}_{ком}+\mathrm{0,0635}}{\mathrm{1,1252}}=\frac{\mathrm{0,85}+\mathrm{0,0635}}{\mathrm{1,1252}}=\frac{\mathrm{0,9135}}{\mathrm{1,1252}}=\mathrm{0,812}$$ . Тогда $${\overline{\rho }}_{меди}=\mathrm{1,516}\cdot \mathrm{0,812}-\mathrm{0,289}=\mathrm{0,942}$$ и $${\overline{\rho }}_{никеля}=\mathrm{1,22}\cdot \mathrm{0,812}-\mathrm{0,057}=\mathrm{0,934}$$ . Определим сопротивление пластической деформации железо-медно-никелевого композита $$\left({\sigma }_{тком}\right):$$ $$\begin{array}{l}{\sigma }_{тком}={\sigma }_{тжелеза}\cdot {\overline{\rho }}_{железа}^{n_{железа}}\cdot {К}_{железа}+{\sigma }_{тмеди}\cdot {\overline{\rho }}_{меди}^{n_{меди}}\cdot {К}_{меди}+{\sigma }_{тникеля}\cdot {\overline{\rho }}_{никеля}^{n_{никеля}}\cdot {К}_{никеля}=100\cdot {\mathrm{0,812}}^{\mathrm{3,0}}\cdot \mathrm{0,70}+\\ +56\cdot {\mathrm{0,942}}^{\mathrm{2,0}}\cdot \mathrm{0,20}+65\cdot {\mathrm{0,934}}^{\mathrm{2,8}}\cdot \mathrm{0,10}=\mathrm{52,}\text{79 МПа}\text{.}\end{array}$$

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: $$\Delta =\frac{55-\mathrm{52,79}}{55}\cdot 100=4\%$$ .

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:

$${\sigma }_{тком}={\sigma }_{тжелеза}\cdot {К}_{железа}+{\sigma }_{тмеди}\cdot {К}_{меди}+{\sigma }_{тникеля}\cdot {К}_{никеля}=100\cdot \mathrm{0,70}+56\cdot \mathrm{0,20}+65\cdot \mathrm{0,10}=\mathrm{87,7}МПа$$

Тогда отклонение расчетной величины по формуле «смеси» от экспериментального значения составит: $$\Delta =\frac{\mathrm{87,7}-55}{\mathrm{87,7}}\cdot 100=37\%$$ .

Таким образом, в предлагаемом способе точность подбора компонентов, исходя из заданного сопротивления пластической деформации для железо-медно-никелевого композита, повышается в $$\frac{37}{4}\approx 9$$ 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:
$${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{т2}\cdot {\overline{{\rho }_2}}^{n_2}\cdot F;$$
$${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{т3}\cdot {\overline{{\rho }_3}}^{n3}\cdot F;$$
$${\sigma }_{т1}\cdot {\overline{{\rho }_1}}^{n_1}\cdot F={\sigma }_{тk}\cdot {\overline{{\rho }_k}}^{nk}\cdot F,$$
где $${\sigma }_{{}_{T1\dots k}}$$ - сопротивление пластической деформации металлических порошков;
F - площадь контакта соприкосновения частиц металлических порошков, и уравнения плотности композита:
$${\overline{\rho }}_{ком}={\displaystyle \sum _{i=1}^k{\overline{\rho }}_i}\cdot K_i,$$
где $${\overline{\rho }}_{ком}$$ - заданная относительная плотность композиционного материала,
при этом подбор компонентов материала осуществляют с использованием следующей зависимости
$$C_{ком}={\displaystyle \sum _{i=1}^k{C}_i\cdot {\overline{{\rho }_i}}^{n_i}\cdot K_i},$$
где С_ком - заданное свойство композиционного материала;
C_i - то же свойство i-го металлического порошка;
$${\overline{\rho }}_i$$ - 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).