Прессование и обработка пластиковых материалов Моделирование теплофизических свойств продуктов синтеза и оболочки

Моделирование теплофизических свойств продуктов синтеза и оболочки

 

Материалы, получаемые методом СВС-прессования, являются, как правило, твердыми сплавами и состоят из твердой износостойкой основы и металлической связки. Твердой основой служат карбиды или бориды переходных металлов. Среди СВС-прессованных твердых сплавов наибольшее распространение получили твердые сплавы на основе карбида или борида титана с различными связующими металлами. СВС-процесс осуществляется за счет сильноэкзотермических реакций взаимодействия титана с углеродом или с бором и образования карбида титана или боридов титана. Для улучшения эксплуатационных свойств в исходную шихту вводят легирующие элементы, образующие при синтезе сложные многокомпонентные соединения. При температуре горения и деформирования в продуктах синтеза наряду с твердой тугоплавкой фазой может присутствовать расплав легкоплавких компонентов или соединений.

Достаточно достоверные сведения о физических свойствах гетерогенных материалов могут дать только эмпирические данные. Однако проведение экспериментов для определения теплофизических свойств при температурах СВС, составляющих 2000-2500 оС и выше, связано с большими трудностями. Кроме того, для СВС-прессованных материалов подробно изучают механические и эксплуатационные свойства, которые, прежде всего, отвечают функциональному назначению твердых сплавов. В настоящее время для материалов, получаемых СВС-прессованием, экспериментальных данных о теплофизических свойствах при температурах синтеза нет, и в настоящей работе они определялись расчетным путем.

При расчете теплофизических свойств многофазных материалов необходимо иметь данные как о качественном и количественном фазовом составе при высоких температурах, так и о свойствах самих фаз. Проведение специального анализа фазового состава и исследование свойств многокомпонентного легированного твердого сплава представляет сложную и самостоятельную материаловедческую задачу, поэтому целесообразно провести исследование на простых СВС-системах, для которых имеются надежные и достоверные данные о высокотемпературном фазовом составе и свойствах самих фаз. В качестве такой модельной системы выбрана система Ti-C-Ni, которая является базовой при синтезе твердых сплавов на основе карбида титана TiC. Инертный никель служит связкой, и продукты синтеза образуют твердый сплав состава TiC-Ni.

Подпись:
Р и с. 2.1. Диаграмма состояния системы TiC-Ni
На рис. 2.1 приведена диаграмма состояния системы TiC-Ni. На диаграмме указаны температуры горения Тг при различном содержании никеля в шихте, взятые из работы. При содержании инертного никеля свыше 50% (мас.) химической энергии недостаточно, и процесс СВС становится невозможным. Температура горения термореагирующих составов системы Ti-C-Ni превосходит эвтектическую температуру Тэвт системы TiC-Ni, составляющую Тэвт=1280 оС. Соответственно продукты синтеза представляют собой двухкомпонентную смесь твердых частиц карбида титана и карбидоникелевого расплава, который, в свою очередь, является двухкомпонентным раствором. При расчете теплофизических свойств принималась модель механической смеси с взаимопроникающими компонентами. Компоненты в структурах с взаимопроникающими компонентами являются геометрически равноправными и обладают инвариантностью при замене местами компонент. В настоящей работе использовался метод последовательного сведения многокомпонентной смеси к бинарной, теплофизические свойства которой находятся по известным формулам. Первой бинарной смесью будем считать расплав карбида титана и никеля. Вторую бинарную смесь образуют твердые частицы карбида титана и карбидоникелевый расплав, и она представляет собой собственно продукты синтеза. Теплофизические характеристики карбидоникелевого расплава будем индексировать буквой L, продуктов синтеза – аббревиатурой СВС.

Свойства механических смесей определяются их составом. Для первой бинарной смеси (карбидоникелевый расплав) в качестве характеристики состава выбрана массовая концентрация никеля в расплаве xNi, для второй бинарной смеси (твердожидкие продукты синтеза) – массовая концентрация жидкой фазы хL. Эти параметры определялись по диаграмме состояния системы TiC-Ni для соответствующей температуры. Согласно уравнению теплопроводности искомыми теплофизическими свойствами являются гравиметрическая плотность d, коэффициент теплопроводности l и удельная теплоемкость С.

Гравиметрическая плотность первой dL и второй dСВС бинарных смесей рассчитывалась по правилу механической смеси:

     Моделирование теплофизических свойств продуктов синтеза и оболочки;    Моделирование теплофизических свойств продуктов синтеза и оболочки,       (2.1)

где dNi, dTiC – гравиметрические плотности никеля и карбида титана. Принималось, что гравиметрическая плотность не зависит от температуры и агрегатного состояния веществ.

Коэффициент теплопроводности карбидоникелевого расплава lL определяли по зависимости

      Моделирование теплофизических свойств продуктов синтеза и оболочки,        (2.2)

где lNi, lTiC – коэффициенты теплопроводности расплавов никеля и карбида титана. Для расчета коэффициента теплопроводности беспористых твердожидких продуктов синтеза lСВС использовали формулу

         Моделирование теплофизических свойств продуктов синтеза и оболочки.          (2.3)

Здесь lTiC – коэффициент теплопроводности твердого карбида титана; mL – объемная доля жидкой фазы. Величина mL рассчитывалась по зависимости

                                Моделирование теплофизических свойств продуктов синтеза и оболочки,                                 (2.4)

где xTiC – массовая концентрация твердого карбида титана.

Согласно данным работы зависимость коэффициента теплопроводности карбида титана в интервале температур 1200-2300 оС является линейной. В результате осреднения экспериментальных данных для зависимости теплопроводности карбида титана от температуры получено

 

                                  lTiC = 18,5 + 0,01×Т.                                    (2.5)

 

Удельную теплоемкость расплава СL и беспористых твердожидких продуктов синтеза ССВС рассчитывали по правилу аддитивности:

 

СL = СNixNi + СTiCж (1 – xNi); ССВС = СLxL +СTiC(1 – xL),                       (2.6)


Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика