CC BY
22
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА КОМПОЗИТА ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ПРИ ЗАДАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ И ПЛОТНОСТИ
Л.С. КОХАН, д-р техн. наук, профессор А.В. ШУЛЬГИН, канд. техн. наук, доцент О.Ю. ЖИГУНОВА, аспирантка
Московский государственный вечерний металлургический институт 11250, Москва, Лефортовский вал, т. 8(495)361-14-80, shulgin00@mail.ru
В статье изложена методика определения состава композита из металлических порошков при заданных физических свойствах и плотности на примере материала «медь-цинк»
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: металлические порошки, относительная плотность, композиционные материалы.
Применение в промышленности композиционных материалов на основе металлических порошков получило достаточно большое распространение в электротехнике, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях.
Большое значение при изготовлении заготовок и изделий из композиционных материалов является возможность подбора концентрации компонентов с целью получения заданных физико-механических свойств композита. Для этого разработана методика подбора компонентов композиционным методом отличающаяся более высокой степенью точности по сравнению с использующиеся до этого методикой смеси. Для примера ниже отработана методика определения состава электроконтакта из композитного материала «медь-цинк» для получения заданной величины удельного электросопротивления Rзад = 0,035 Ом-мм2/м и заданной относительной плотности рзад = 0,71.
Приступаем к подбору концентрации компонентов из заданного удельного электросопротивления и относительной плотности.
1. Выбираем технологический маршрут изготовления электроконтакта состоящий из шихтования, горячего компактирования, спекания и горячего прессования.
2. По справочникам устанавливается сопротивления пластической деформации при горячем процессе для меди = 90 МПа, цинка c-j-ц = 40 МПа,
Ом • мм2 „,Ом • мм2 удельные сопротивления меди Ям = 0,02-, цинка Яц = 0,1
мм показатели пористости меди пм = 2 , цинка Пц = 1,8.
3. Устанавливается общая зависимость удельного электросопротивления для различных отношений концентраций цинка и меди:
0, 3
= 0,428;
Кц Км = 0,1 = 0,9 = 0,111; Кц Км = 0,2 = 0,8 = 0,25 ; Кц Км = 0,3 = 0,7
Кц = Км 05 = 1; 0,5 Кц: Км = 0,7 ~ 0,3 ' = 2,333; К ~к 0,8 =
= 4.
3.1. В качестве примера исследуем соотношение концентраций K 0 2
— = — = 0,25 при рзад = 0,71. Км 0,8 зад
Из условия равенства давлений между разными компонентами композита
сТм ' Рмм = сТц ' Рцц определяется связь плотностей
Рм =
i \1/ n
стТц
•рЩч/"м = 0,667 •р^9.
.сТм.
Линеаризуем полученную степенную функцию в уравнение рм = А • рц + В . Изменяя, плотность цинка в пределах рц = 0,6...0,95, получим для трех точек рц = 0,6...0,75...0,95 по указанной степенной функции плотность меди рм = 0,42...0,545...0,636. Тогда для крайних значений плотностей константы линейной функции для плотности цинка определяем по зависимостям
А = 0,636 ~ 0,42 = 0,617 и В = 0,42 - А-0,6 = 0,05,следовательно рм = 0,617-р.. +0,05. 0,95 - 0,6 м ц
Проверяем по средней точке интервала рц = 0,75, тогда плотность рм = 0,513 (отличие 5%). Далее по величине заданной плотности композита
рзад =рм -Км +рц -Кц =рц -Кц +(0,617-рц + 0,05)Км
определяем плотность цинка и меди в композите
рзяд - 0,05 • Км 0 71 - 0 05 • 0 8 - = Рзад-,-м = и,л = 0,966 ; = 0,966 • 0,617 + 0,05 = 0,646.
ц Кц + 0,617 • Км 0,2 + 0,617 • 0,8
Проверяем рзад = 0,966 • 0,2 + 0,646 + 0,8 = 0,71.
С полученными результатами по предлагаемой композиционной модели удельное электросопротивление будет равно:
Я = Я • опм • К + Я • оИц • К =
"ком "м км "-м ^"ц кц "-ц
о 1 й Ом • мм2 = 0,02 • 0,6462 • 0,8 + 0,1 • 0,9661,8 • 0,2 = 0,0265-.
м
По правилу смеси удельное электросопротивление будет равно:
Ом' мм
-
Ясмеси = *м 'Км + Яц 'Kц = 0,02' 0,2 + 0,646'0,8 = 0,036
м
По эксперименту Яэкс = 0,027 Ом-мм2/м и отличие по композиционной те 0,027 - 0,0265 . 0,036 - 0,027
рии Дком = —----100 = 5,5%, по теории смеси Д = —----100 = 25%.
ком 0,027 " 0,036
3.2. Исследуем точку с соотношением концентраций = = 1.
Так как интервал изменения плотностей не меняется, то линеаризацию определяет та же зависимость относительных плотностей рм = 0,617 -рц + 0,05 и
- Рзад - 0,05 - Км 0,71 - 0,05 - 0,5 _
рц =---=-= 0,847 , соответственно р; = 0,573.
ц Кц + 0,617 - Км 0,2 + 0,617 - 0,5
Проверим рзад = 0,847 - 0,5 + 0,573 + 0,5 = 0,71. Тогда по предлагаемой композиционной модели удельное электросопротивление будет равно: Я = Я - оим - К + Я - оиц - К =
"ком "м км "-м ^"ц кц "-ц
о 1 й Ом - мм2 = 0,02 - 0,5732 - 0,5 + 0,1 - 0,8471,8 - 0,5 = 0,0403 -.
м
По правилу смеси удельное электросопротивление будет равно:
Ом-мм2
Ясмеси = Ям - Км + Яц - Кц = 0,02 - 0,5 + 0,1 - 0,5 = 0,06-.
м
По эксперименту Яэкс = 0,042 Ом-мм2/м и отличие по композиционной тео-
0,042 - 0,0403 . 0,06 - 0,042
рии Дком = —----100 = 4,03%, по теории смеси Д.меси = —----100 = 30%.
ком 0,042 0,06
3.3. Исследуем точку с соотношением концентраций Кц/Км = 0,7/0,3 = 2,33.
тг - - 0,71 - 0,05 - 0,3
По установившейся методике находим рц =-= 0,783 и
ц 0,7 + 0,617 - 0,3
рм = 0,617 - 0,785 + 0,05 = 0,534.
Проверим рзад = 0,785 - 0,7 + 0,534 + 0,3 = 0,71. Тогда по предлагаемой композиционной модели удельное электросопротивление будет равно: Я = Я - опм - К + Я - оИц - К =
ком м м м ц ц ц
Ом - мм2
= 0,02 - 0,5342 - 0,3 + 0,1 - 0,7851,8 - 0,7 = 0,047-.
м
По правилу смеси удельное электросопротивление будет равно:
Ом - мм2
Ясмеси = Ям - Км + Яц - Кц = 0,02 - 0,3 + 0,1 - 0,7 = 0,076-.
м
По эксперименту Яэкс = 0,049 Ом-мм2/м и отличие по композиционной теории
0,049 - 0,047 4 0,76 - 0,049 1ПП
Дком =-'--100 = 4,1%, по теории смеси Д.мрси = —----100 = 35,5%.
ком 0,049 ^меси 0,076
3.4. Исследуем точку с соотношением концентраций Кц/Км = 0,8/0,2 = 4.
гт - - 0,71 - 0,05 - 0,2 п„со
По установившейся методики рц =-= 0,758 и
ц 0,8+0,617-0,2
рм = 0,758-0,617 + 0,05 = 0,528 .
Проверим рзад = 0,758 -0,8 + 0,518 + 0,2 = 0,71. Тогда по предлагаемой композиционной модели удельное электросопротивление будет равно:
Я = Я - рпм - К + Я - риц - К =
ком м м м ц ц ц
Ом - мм2
= 0,02 - 0,5182 - 0,2 + 0,1 - 0,7581,8 -0,8 = 0,0496-.
м
По правилу смеси электросопротивление будет равно:
Ясмеси = Ям - Км + Яц - Кц = 0,02 - 0,2 + 0,1 - 0,8 = 0,084
Ом - мм2
м
По эксперименту Яэкс = 0,052 Ом-мм2/м и отличие по композиционной теории
0,052 - 0,0496 . 0,84 - 0,052
Д ком = —----100 = 4,6%, по теории смеси Дсмеси = —----100 = 3 8%.
ком 0,052 смеси 0,084
Полученные результаты расчетов представлены на графике зависимости удельного электросопротивления от состава композита рис. 1.
4. Выбор состава композита по заданному удельному электросопротивлению Язад = 0,035 Ом-мм2/м.
По графику на рис. 1 для Язад устанавливается отношение Кц/Км = 0,57. Учитывая, что Кц + Км = 1 определяем концентрацию меди в композите
Г Кц ^ 11
1 +—— + = 1, следовательно Км =---— =-= 0,637 и Кц = 0,363 .
' м 1 + Кц 1,57 ц
Км
V Км у
Км
Получим относительные плотности каждого из компонентов композита: - _рзад - 0,05 - Км _ 0,71 - 0,05 - 0,637
рц
Кц + 0,617 - Км 0,363 + 0,617 - 0,637
= 0,897;
р = 0,617-р + 0,05 = 0,617-0,897 + 0,05 = 0,603 .
Проверим рзад = 0,897-0,363 + 0,603 + 0,637 = 0,71. Тогда по предлагаемой композиционной модели удельное электросопротивление будет равно:
Я = Я - рим - К + Я - рИц - К =
-"ком -"м км т кц
= 0,02 - 0,6032 - 0,637 + 0,1 - 0,8971,8 - 0,363 = 0,0345 Ом - мм .
м
По правилу смеси удельное электросопротивление будет равно:
Ом - мм2
Ясмеси = Ям - Км + Яц - Кц = 0,02 - 0,637 + 0,1 - 0,363 = 0,049 О-.
м
по - 0,035 - 0,0345 1ПП , ло. Отличие от Язад по композиционной теории Дком — ^--100 = 1,4%,
0,049 - 0,035 1ПП с„п/
тогда как по теории смеси Дсмеси = —----100 = 28,57% .
^ смеси 0 049
Использование предложенной методики позволяет значительно повысить точность определения концентраций компонентов в композиционном материале
0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Кц/Кш
данные по теории смеси—■— экспериментальные данные
данные по теории композита Рис. 1. График зависимости удельного электросопротивления от состава композита
на основе металлических порошков, что приводит к существенному сокращению расходов на изготовления конкретной продукции с заданными свойствами.
Л и т е р а т у р а
1. Кохан Л.С., Роберов И.Г., Линчевский Б.В., Шульгин А.В. Исследования процесса компактирования одно- и двухкомпонентных металлических порошков// Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - М.: МИСиС, 2007. - Вып. 9. - С. 26-28.
2. Kokhan L.S., Shulgin A.V., Semenova L.M. Physic-Mechanical Properties of an Iron-Copper-Zinc Composite// Metallurgist. - 2010. - Vol. 54, Numbers 7-8. - PP. 468-471.
3. Кохан Л.С., Шульгин А.В. Новое в теории формообразования композиционных порошковых материалов - М.: МГВМИ, 2011, 20 с.
R e f e r e n c e s
1. Kohan, L.S., Roberov, I.G., Linchevskij, B.V., Shul'gin, A.V. (2007). Issledovanija processa kompaktirovanija odno- i dvuhkomponentnyh metallicheskih poroshkov, Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Chernaja metallurgija, Moscow: MISiS, Vip. 9, 26-28.
2. Kokhan, L.S., Shulgin, A.V., Semenova, L.M. (2010). Physico-Mechanical Properties of an Iron-Copper-Zinc Composite, Metallurgist, Vol. 54, Numbers 7-8, 468-471.
3. Kohan L.S., Shul'gin A.V. (2011). Novoe v teorii formoobrazovanija kompozicionnyh porosh-kovyh materialov, Moscow: MGVMI, 20 p.
THE DEFINITION TECHNIQUE OF AGGREGATE COMPOSITION FROM METAL DUSTS WITH THE SET PHYSICAL PROPERTIES AND DENSITY
L.S. Kohan, A.V. Shulgin, O.Yu. Zhigunova
Moscow State Night Institute, Moscow
The definition technique of aggregate composition from metal dusts with the set physical properties and density is stated in the paper with "cuprum-zinc" example.
KEY WORDS: metal powder, relative density, composite materials.
