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 к о м = i = 1 k C i ρ i ¯ n i K i , где Ском - заданное свойство композиционного материала; Сi - то же свойство i-го металлического порошка; ρ ¯ i - относительная плотность i-го металлического порошка; ni - показатель пористости частиц i-го металлического порошка; Ki - концентрация i-го металлического порошка; i - номер металлического порошка (i=1…k). Относительную плотность 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 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. 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 (Eком) рассчитывают по формуле «смеси»: E к о м = i 1 k E i K i , где Ei - модуль упругости i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; Ki - 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 Ском - заданное свойство композиционного материала; Ci., - то же свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; ρ ¯ i - относительная плотность i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; ni - показатель пористости частиц i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала;

Ki - 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 Ском - заданное свойство композиционного материала; Ci - свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала, соответствующее рассчитываемому; ρ ¯ i - относительная плотность i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; ni - показатель пористости частиц i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; Ki - 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 Кмеди=0,20, Кцинка=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 (Rком): 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 Kмеди=0,20, Kцинка=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 Kмeди=0,20, Kцинкa=0,80 по формуле «смеси» из способа, выбранного в качестве прототипа изобретения: Rком=Rмеди·Rмеди+Rцинка·Kцинка=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 Kжелеза=0,70, Kмеди=0/20, Kникеля=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 Kжелеза=0,70, Kмеди=0,20, Kникеля=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 Kжелеза=0,70, Kмеди=0,20, Kникеля=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 Ском - заданное свойство композиционного материала;
Ci - то же свойство i-го металлического порошка;
ρ ¯ i - относительная плотность i-го металлического порошка;
ni - показатель пористости частиц i-го металлического порошка;
Ki - концентрация i-го металлического порошка;
i - номер металлического порошка (i=1…k).



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и, в частности, к получению слитков из алюминиевых сплавов с недендритной структурой. Способ включает введение в расплав алюминиевого сплава модифицирующей добавки и кристаллизацию расплава, при этом в качестве модифицирующей добавки используют лигатуру Al-Sc-Zr, содержащую 0,002-0,02% Sc и 0,002-0,02% Zr, которую вводят в расплав в виде прутка перед кристаллизацией.

Изобретение относится к производству алюминиевых сплавов, в частности алюминиевых сплавов, содержащих обладающий высокой реакционной способностью магний. При приготовлении алюминиевого сплава, содержащего Mg, к расплаву сплава добавляют Са, Sr и Ва в таком количестве, чтобы содержание кальция составляло 0,001-0,5 мас.%, а их соотношение находилось в пределах, заключенных между линиями, соединяющими пять точек на фиг.1: точку Е (Са: 28 ат.%, Sr: 0 ат.%, Ва: 72 ат.%), точку F (Са: 26 ат.%, Sr: 30 ат.%, Ва: 44 ат.%), точку G (Са: 54 ат.%, Sr: 46 ат.%, Ва: 0 ат.%), точку Н (Са: 94 ат.%, Sr: 6 ат.%, Ва: 0 ат.%), точку I (Са: 78 ат.%, Sr: 0 ат.%, Ва: 22 ат.%), при исключении соотношений на образованных между указанными точками линиях.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению высокопористых ячеистых материалов на основе жаростойкого сплава. Может применяться для получения фильтров, носителей катализаторов, шумопоглотителей, теплообменников в энергетике, машиностроении и химической промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюмоматричным композиционным материалам, и может быть использовано при получении изделий, к которым предъявляются требования низкого удельного веса в сочетании с высоким уровнем поглощения при нейтронном излучении.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения изделий на основе железного порошка, и может быть использовано при изготовлении средне- и тяжелонагруженных конструкционных деталей, испытывающих динамические и истирающие нагрузки.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению жаростойких высокопористых проницаемых ячеистых сплавов. Может использоваться для получения блочных высокотемпературных носителей катализаторов, высокотемпературных фильтров газов и расплавов.
Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано для производства сплавов на основе алюминия, например, силуминов, применяемых в авиастроении, ракетной технике, машиностроении и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению литых композиционных сплавов для отливок ответственного назначения. .
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению изделий и полуфабрикатов из пеноалюминия. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к дисперсно-упрочненным композиционным материалам. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу гранулирования пластифицированного материала. Может использоваться для получения изделий из непластичных порошков, обладающих плохой формуемостью.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению легко выделяемых и передиспергируемых наночастиц переходных металлов. Может использоваться в качестве ИК-поглотителей, в частности в прозрачных термопластичных или сшиваемых полимерах для архитектурного или автомобильного застекления.

Изобретение относится к получению пригодных для использования на воздухе пассивированных тонкодисперсных порошков металлов или сплавов. Порошок со средним размером частиц менее 10 мкм состоит из одного из реакционноспособных металлов: циркония, титана или гафния, или содержит один из указанных реакционноспособных металлов, получают путем металлотермического восстановления их оксидов или галогенидов посредством восстанавливающего металла, который флегматизируют путем добавления пассивирующего газа или газовой смеси в процессе и/или после восстановления оксидов или галогенидов и/или путем добавления пассивирующего твердого вещества перед восстановлением оксидов или галогенидов, причем как восстановление, так и флегматизацию выполняют в едином вакуумируемом и газогерметичном реакционном сосуде.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению спеченных изделий на основе железа из порошковой композиции, содержащей распыленный водой предварительно легированный стальной порошок.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению спеченных деталей из порошковой композиции на основе распыленного водой порошка на основе железа.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алюминиевой гранулированной пудры. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению порошка на основе железа, содержащего небольшое количество углерода. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению высокоазотистой аустенитной порошковой стали с нанокристаллической структурой. .
Изобретение относится к технологии получения таблеток из шихты оксида цинка методом прессования, а в частности к его промежуточной стадии - спеканию. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к твердосплавным композициям. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составу шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Может использоваться для изготовления каталитических блоков нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, фильтров для очистки сточных вод гальванических ванн в металлургической промышленности, масляных фильтров в системе смазки двигателей внутреннего сгорания. Шихта содержит, мас.%: железная окалина 42-47, α-оксид алюминия 32-39, ферросилиций ФС 1-5, медный порошок, являющийся отходом при травлении и механической обработке биметалла 1-5, алюминий АСД-1 - остальное. Обеспечивается нейтрализация отработавших газов ДВС посредством фильтрующих элементов из пористого проницаемого материала, повышается устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и снижается материалоемкость изделий. 1 табл., 1 пр.

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: Cком∑i1kCi⋅ρi¯ni⋅Ki, где Ском - заданное свойство композиционного материала; Сi - то же свойство i-го металлического порошка; ρ¯i - относительная плотность i-го металлического порошка; ni - показатель пористости частиц i-го металлического порошка; Ki - концентрация i-го металлического порошка; i - номер металлического порошка. Относительную плотность определяют из условия равенства контактных усилий: σт1⋅ρ1¯n1⋅Fσт2⋅ρ2¯n2⋅F;σт1⋅ρ1¯n1⋅Fσт3⋅ρ3¯n3⋅F;σт1⋅ρ1¯n1⋅Fσтk⋅ρk¯nk⋅F,где σT1…k - сопротивление пластической деформации металлических порошков; F - площадь контакта соприкосновения частиц металлических порошков и уравнения плотности композита: ρ¯ком∑i1kρ¯i⋅Ki, где ρ¯ком - заданная относительная плотность композиционного материала. Обеспечивается повышение точности определения заданных физико-механических свойств композитов. 2 пр.

Наверх