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

Формула изобретения

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:







где - сопротивление пластической деформации металлических порошков;

F - площадь контакта соприкосновения частиц металлических порошков, и уравнения плотности композита:



где - заданная относительная плотность композиционного материала,

при этом подбор компонентов материала осуществляют с использованием следующей зависимости



где С_ком - заданное свойство композиционного материала;

C_i - то же свойство i-го металлического порошка;

- 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).

Описание изобретения к патенту

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»: , 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: , где С_ком - заданное свойство композиционного материала; C_i., - то же свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала; - 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: ; ; , где - сопротивление пластической деформации составляющих (металлических порошков) композиционного материала;

F - площадь контакта соприкосновения частиц составляющих (металлических порошков) композиционного материала, и уравнения плотности композита: где - 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 ( ). 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: ; ; , где - сопротивление пластической деформации составляющих (металлических порошков) композиционного материала; F - площадь контакта соприкосновения частиц составляющих (металлических порошков) композиционного материала, и уравнения плотности композита: , где - заданная относительная плотность композиционного материала. Например, для двухкомпонентных композиционных материалов условие равенства контактных усилий будет равно: , а уравнение для расчета относительной плотности составляющих (металлических порошков) композиционного материала через заданную относительную плотность композита: 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: , где С_ком - заданное свойство композиционного материала; C_i - свойство i-го составляющего (металлического порошка) композиционного материала, соответствующее рассчитываемому; - 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 . Для данного состава, при равной площади контакта соприкосновения частиц порошков меди и цинка, условие равенства контактных усилий примет вид: или 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 Линиаризируем:

	0,5	0,6	0,7
	0,655	0,802	0,951

Получим . Подставим полученную зависимость в уравнение плотности для данного композита:

Тогда Подставив известные значения, получим: и Определим удельное электрическое сопротивление медно-цинкового композита (R_ком): 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:

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:

Таким образом, в предлагаемом способе точность подбора компонентов, исходя из заданного удельного электрического сопротивления для медно-цинкового композита, повышается в 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 =0,85. Запишем условие равенства контактных усилий между частицами порошков железа и меди, при равной площади контакта соприкосновения частиц: или 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 Линиаризируем:

	0,6	0,7	0,85
	0,621	0,774	1,0

Получим . Запишем условие равенства контактных усилий между частицами порошков железа и никеля, при равной площади контакта соприкосновения частиц: или 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 . Линиаризируем:

	0,6	0,7	0,85
	0,675	0,796	0,98

Получим . Подставим полученные зависимости в уравнение плотности для данного композита: .

Получим . Тогда и . Определим сопротивление пластической деформации железо-медно-никелевого композита

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: .

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:

Тогда отклонение расчетной величины по формуле «смеси» от экспериментального значения составит: .

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

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