3. Обзор технической литературы.
Из данных технического задания известно, что для изготовления шестерен редукторов требуется разработать легкий и износостойкий композитный материал с плотностью меньше стали (10%). В качестве матричного материала можно взять порошки на металлической основе. В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства конструкционных металлических материалов с достоинствами композитов вообще [1]. 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 - механические свойства материалов на различных основах. Для улучшения прочностных свойств проектируемого изделия из КМ возникает необходимость армировать порошковые изделия из КМ. Для армирования железных матриц широко применяют металлические, керамические, углеродные и карбидокремниевые волокна. В таблице 2 приведены физико - механические свойства армирующих волокон. Волокна, кроме того, что повышают прочность при изгибе, еще и снижают плотность шестерен. Увеличение а„ необходимо для повышения долговечности изделий и прочности при растяжении. Все это приводит к увеличению реального базового тела, нагружений зубьев шестерен. Некоторые металлические волокна имеют большую плотность (титановые), а некоторые большую стоимость (бериллий), алюминиевые и кремневые имеют недостаточные механические свойства. У карбидокремниевых и керамических волокон большая себестоимость. Поэтому за базовый вариант принимаем углеродные волокна. Они обладают комплексом полезных свойств, а по ряду показателей и уникальные механических и физических свойств. Им присуща высокая теплостойкость, низкий коэффициент трения и термического расширения. Они могут иметь сильно развитую поверхность, большие значения удельных
механических характеристик. УВ применяют для армирования конструкционных материалов. Перед формованием УВ напыляют алюминием для того, чтобы они не растворялись в железном порошке.
Специфика химического состава таких дисперсных материалов проявляется при охлаждении от температуры изотермической температуры спекания. Происходит закалка на пересыщенный твердый раствор непосредственно в газовой фазе нагревательного устройства, чему способствует присутствие легирующих элементов в порошке. С течением времени идет естественное старение, что дает значительное повышение физико - механических свойств. Затем, после закалки, проводится отпуск с последующим искусственным старением. Спеченные детали изготавливаются из смесей порошков железа с легирующими порошками и порошков углеродистых и легированных сталей. Изделия из них получают холодным прессованием, горячем прессованием, штамповкой. ТО проводится только в защитных средах. Для повышения коррозионной стойкости поверхности, проводят операции воронения и фосфорации, парогазооксидирования. В порошковой смеси легированной Си до 3% при контролируемом охлаждении в агрегатном спекании достигают структуры, способную выделить е-фазу при старении.
Таким образом, в качестве матричного материала возьмем порошок на железной основе легированный медью, СП90ДЗ-4 со следующими характеристиками: плотность - у = 7800 кг/м3 , ов = 2210 МПа, 8 = 7%, у = 15%, НВ = 400МПа.
В качестве армирующего элемента возьмем волокна ВМН-4 с напылением из железа. Для того, чтобы скомпенсировать усадку в металлическую матрицу из порошка железа вводят Си; для снижения усилия прессования вводят до 0,3% стеарата цинка; для повышения коррозионной стойкости и улучшения спекания вводят феррофосфор до 1%, а также вводят техническую серу до 0,03% для повышения обрабатываемости резанием. Для
того, чтобы матрица из металлического порошка применяют закалку и другие виды ТО, и легируют углеродом (графитом) в количестве 0,67%. Металлический железный порошок экономически выгодный в использовании, а углеродные волокна широко распространены в промышленности. Поэтому в качестве базового варианта проекта выбираем композит на основе железа, армированный УВ.
Шестерни изготавливают
методом холодного прессования с
последующим спеканием, закалкой и
спеканием.