1. Введение
В настоящее время широкое распространение в производстве автодеталей получили порошковые материалы, армированные дискретными хаотично ориентированными волокнами. Многие отрасли современной техники своими успехами в значительной мере обязаны развитию порошковой металлургии ставшей во второй половине ХХ века одним из важнейших направлений научно - технического прогресса.
Практически в любой из отраслей промышленности применяют те или иные материалы и изделия, полученные методом порошковой металлургии. В частности, при изготовлении шестерен редукторов навесных узлов используются порошковые материалы на основе железного порошка, как правило, полученного распылением расплава. По химическому составу такие порошки принадлежат к низколегированным конструкционным сталям. Кроме распыленных порошков применяют порошки, полученные методом совместного восстановления, обычно это ПЖВС (Белоруссия) или «ULTRAPAK» (Швеция). Специфика химического состава таких дисперсных материалов проявляется при охлаждении от температуры спекания.
В настоящей работе предлагается армировать дискретными волокнами матрицу, что приводит к повышению прочностных свойств и увеличению коэффициента использования материала. Основной результат, достигнутый при проектировании, состоит в предложенном приспособлении, оснастке, технологии, элементе оборудования для прессования.
2.Техническое задание
2.1. Габариты и обозначения.
Диаметр зубьев df1= 91.00(мм)
Диаметр впадин зубьев шестерни df2 – 88.70 (мм)
Делительный диаметр d= 90.00 (мм)
Диаметр ступицы Dc = 28.00 (мм)
Диаметр впадины Db = 50.00(мм)
Диаметр вала Dv= 12.00 (мм)
Ширина венца В = 10.00 (мм)
Глубина впадины h3=3,00 (мм)
Высота зуба h = 3.00 (мм)
Неуказанные предельные отклонения по 1Т 14/2.
2.2. Масса изделия.
М = 450гр.
2.3. Температурные характеристики
Рабочая температура до 25о С
2.4. Окружающая среда.
Атмосферный воздух.
2.5. Характеристики долговечности.
Срок эксплуатации 300000 ч. Угловая скорость n = 150.00 (об/мин)
3. Обзор технической литературы.
Из данных технического задания известно, что для изготовления шестерён редукторов требуется разработать легкий и износостойкий композиционный материал с плотностью меньше сталей. В качестве матричного материала можно взять порошок на металлической основе. В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства конструкционных металлических материалов с достоинствами композитов вообще [3].
Для них характерны высокие значения прочностных характеристик, модулей упругости, вязкости разрушения, ударной вязкости, обладают малой чувствительностью к тепловым ударам и поверхностным дефектам. В таблице 1 приведены физико-химические свойства матричного материала на различных основах. Для улучшения прочностных свойств проектируемого изделия из КМ возникает необходимость армирования порошкового изделия. Для армирования железных матриц широко применяются металлические, керамические, углеродные и полимерные волокна. Физико-механические свойства этих волокон приведены в таблице 2
Волокна, кроме того, что повышают прочность при изгибе, ещё и снижают плотность шестерён. Повышение Пн необходимо для повышения долговечности изделий, увеличения прочности при растяжении. Всё это приводит к увеличению реального базового числа нагружений зубьев шестерён. Некоторые металлические волокна имеют большую плотность (титановые), а некоторые большую стоимость (бериллиевые), алюминиевые и кремниевые имеют недостаточные механические
свойства. У карбидокремниевых и керамических волокон большая себестоимость. Поэтому за базовый вариант примем углеродные волокна.
Углеродные волокна обладают комплексом уникальных механических и физических свойств [3]. Им присуща высокая теплоёмкость, низкий коэффициент трения и термического расширения. Они могут иметь сильно развитую поверхность, большие значения удельных механических характеристик. Углеродные волокна применяют для армирования конструкционных материалов. Перед формованием
углеродные волокна напыляют алюминием, для того чтобы они не растворялись в железном порошке. Специфика химического состава таких дисперсных материалов проявляется при охлаждении от температуры изотермической выдержки спекания. Происходит закалка на пересыщенный твёрдый раствор непосредственно в газовой среде нагревательного устройства, чему способствует присутствие легирующих элементов в порошках. С течением времени идёт естественное старение, что даёт значительное повышение физико-механических свойств.
Затем, после закалки, проводится отпуск с последующим искусственным старением. Спечённые детали изготавливаются из смесей порошков железа с легирующими порошками и порошков углеродистых и легированных сталей.
Изделия из них получают холодным прессованием, горячей штамповкой.
Термическая обработка проводится только в защитных средах. Охлаждение рекомендуется проводить в масле или в воде для исключения окисления. Для повышения коррозионной стойкости поверхности, проводят операции ворошения и фосфорации, парогазооксидирования. В порошковой смеси, легированной медью до 3% при контролируемом охлаждении в агрегатах спекания достигают структуры, способной выделить Е-фазу при старении.
Таким образом, в качестве матричного материала возьмем железный порошок ПЖ2ВР со следующими характеристиками γ = 7700 кг/м3; Е = 300 МПа; Пв= 450 МПа; \|/ = 30%; НВ - 400 МПа, γ - плотность. В качестве армирующего элемента возьмём волокна ВМН - 4 с напылением из Ре.
Для того, чтобы скомпенсировать усадку в металлическую матрицу из порошка железа усилия прессования вводят до 0,3% стеарата цинка, для повышения коррозионной стойкости и улучшения спекания вводят техническую серу в количестве 0,03% для повышения обрабатываемости резанием. Для того, чтобы матрица из стального порошка воспринимала закалку и другие виды термообработки её легируют углеродом (графит) в количестве 0,67%.
Металлический железный порошок экономически выгодно использовать, а углеродные волокна распространены в промышленности. Поэтому в качестве базового варианта проекта выбирается композит на основе железа армированный углеродистыми волокнами.
Шестерни изготавливаются холодного прессования с последующим спеканием, закалкой и отпуском.
Таблица 1. Физико-механические свойства матричного материала.
| Марка | Плотность | Прочность | Модуль | ||
| материала | у, кг/м3 | Пв, МПа | Юнга | ||
| Е,МПа | |||||
| 1. На основе титана: | |||||
| ВТ 1-0 | 4510 | 343 | 103-108 | 30 | 60 |
| ВТ 6-6 | 4430 | 186 | 103-108 | 20 | 80 |
| Т1 -56215 | 4510 | 914 | 116 | 7 | 38 |
| 2. На основе никеля: | |||||
| НП-2 | 8900 | 450 | 175 | 50 | 77 |
| ХН70Ю | 7900 | 750 | 100 | 45 | 45 |
| 3. Железный порошок | |||||
| ПЖ2ВР | 7700 | 450 | 100 | 30 | 30 |
| 4. На основе кобальта ПК-1 | 8900 | 370 | 2,3 | 2,95 | |
| 5. Легированный медью | |||||
| на основе порошка | 6-8 | 12-25 | |||
| СП90ДЗ - 4 | 7800 | 540-900 |
Таблица 2.Физико - механические свойства волокон
| Марка волокон | Плотность у, | Диаметр | Модуль Юнга | Проч- | п,% |
| кг/м3 | ОД мкм | Е,МПа | ность ав, | ||
| МПа | |||||
| 1.Борные волокна | 2500 | 100 | 358000-448000 | 2500-3800 | 0,90 |
| 2.Карбидокремниевые | 3300 | 400000-500000 | 0,50 | ||
| З.Углеродные | |||||
| ВМН-3 | 1710 | 70 | 250000 | 1430 | 0,60 |
| ВМН-4 | 1710 | 6,0 | 270000 | 2210 | 0,80 |
| КУЛОН | 1900 | 400000-600000 | 2000 | 0,40 | |
| ВЭН-210 | 9,9 | 343000 | 1470 | 0,40 |
| 4. Металлические | 30800 | 72000 70000 | 1455 140 | |
| Al | 2700 | 310000 120000 | ||
| Ве | 1850 | |||
| 4500 | ||||
| Ti | ||||
| Si | 2500 | |||
| Al2O3 | 3140 | 3 | 173000 | 2070 |
| TiO2 | 4800 | 6,1 | 344000 | |
| BN | 1900 2300-2500 | 6,8 10 | 90000 350000 | 1170-1380 1070-1420 |
| В4С |
4. Конструкторская часть.
Научные основы проектирования КМ составляет принцип комбинирования. В свою очередь, он основан на совокупности двух принципов:
- сочетания физико-химической и механической совместимости. Принцип сочета
ния подразумевает сложение физических свойств компонентов аддитивным
образом. Второй принцип даёт границы возможности сочетания композитов и
подразумевает сохранение всех отличительных принципов КМ при его изготов
лении и эксплуатации. Основными математическими выражениями принципа
комбинирования компонентов в КМ являются:
- зависимости структурных соотношении компонентов;
- зависимости концентрационных соотношений компонентов;
- зависимости физико-механических соотношений материалов компонентов;
- зависимости, отражающие технологическое создание композитов и
- оказывающие влияние на их проектирование.
В отличие от традиционной методики выбора КМ, в случае применения его в деталях шестеренных передач, первой и основной расчетной зависимостью выбора компонентов КМ являются аддитивные выражения твёрдости, а не прочности. Расчет основывается на методике [6] дополненной выражениями, интерпретирующими принцип комбинирования. Исходными данными являются: геометрические размеры шестерни, набор которых соответствует ГОСТ 13755-81, ГОСТ1643 - 80, ГОСТ 9584 -82; масса детали, её пористость, рабочая температура и параметры среды, время работы (срок службы), угловая скорость вращения, твёрдость поверхности. В практике порошковой металлургии принято изготавливать шестерни мало и средненагруженного класса (НВ до 1500 МПа) холодным прессованием порошковых смесей и последующим спекании полуфабриката. Особенностью выбора арматуры КМ является ограничение по наибольшему из размеров частиц, волокон или пленок. Этот размер не должен превышать 240 нм для деталей подвергающихся напылению рабочей поверхности. В нашем случае применяют порошок ПЖ2ВР со смесью: медь (3%), стеарат цинка (0,3%), феррофосфор (1%), техническая сера (0,03%), с легированием углеродом (графит) (0,67%). Армирующим элементом являются волокна ВМН-4 (углеродные).