регистрация /  вход

Композиционные материалы 2 (стр. 1 из 3)

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 df 1 = 91.00(мм)

Диаметр впадин зубьев шестерни df 2 – 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 h 3 =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
Al2 O3 3140 3 173000 2070
TiO2 4800 6,1 344000
BN 1900 2300-2500 6,8 10 90000 350000 1170-1380 1070-1420
В4 С

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).

Узнать стоимость написания работы
Оставьте заявку, и в течение 5 минут на почту вам станут поступать предложения!