Способ изготовления биметаллических зубчатых колес

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 157 А 19) ( ТЕН АНИ кий институт нев, А.А,Кот тров И,И. ВеВ 9, с.62-64. Я БИМЕТАЛСпорошковой ние долговеч- виброактивковои изгоолес с агнитдолго- броакнении ковой обра ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛ(57) Изобретение относитсяметаллургии. Цель - повышености колес за счет снижения Изобретение относится к порош металлургии, в частности к способам товления биметаллических зубчатых к нелинейной образующей методом м но-импульсного прессования; Цель изобретения - повышение вечности колес за счет снижения ви тивности при одновременном сохра высокой прочности сцепления порош части с основой,Способ осуществляют следующимэом.МетодомСования на спищу напресоснове желеную оболочкурительноетемпературеру плавления магнитно-импульсного престальную цилиндрическую стуовывают слой из порошка на за, используя медную тонкостенДалее осуществляют предваспекание прессовки при не превышающей температумеди (примерно 1080 С), По 1)5 В 22 Г 7/04, 5/08 ности, Методом магнитно-импульсного прессования на стальную цилиндрическую ступицу напрессовывают слой порошка на основе железа, прессовку спекают, пропитывают рэсплавом меди, воздействуют на нее обжимающим импульсным магнитным полем определенной напряженности, охлаждают и дополнительно пропитывают расплавом демпфирующего материала, на. пример свинца, после чего проводят механическую обработку. Способ позволяет снизить виброэктивность колес путем создания между зубчатым венцом и стальной ступицей демпфирующей прослойки при одновременном сохранении высокой прочности сцепления порошковой части с основой. сле предварительного спекания проводят нагрев прессовки до расплавления медной оболочки и пропитку ее внешнего слоя расплавом меди. Толщину оболочки для магнитно-импульсного прессования, а также режимы прессования выбирают из условия, чтобы суммарный объем пор напрессованного слоя превышал объем оболочки. Это дает возможность осуществить принудительную магнитно-импульсную миграцию меди к основе и пропитать освободившиеся поры прессовки демпфирующим металлом (свинцом).После пропитки медью прессовки проводят ее магнитно-импульсную обработку при условии пребывания меди в расплавленном состоянии. Режимы обработки выбирают из условияХ 1,5Х - параметр, м;й,- высота зубьев колеса и глубинавнешнего пропитанного слоя прессовки;б - средний диаметр пар прессовки;Н - амплитудная напряженность магнитного поля;оп - поверхностное натяжение расплава меди;дг - предел текучести материала пори 15стого каркаса прессовки;0 - угол смачивания медью частиц порошка;5 - скин-слой материала внешнегопропитанного слоя прессовки;)с и уРе - соответственно удельнаяэлектропроводность расплава меди и пористого каркаса прессовки,Далее прессовку охлаждают до кристаллизации меди, после чего образующийсявнутренний слой прессовки пропитываютрасплавом свинца, После полного охлаждения производят механическую обработкузаготовки и нарезание венца в объемевнешнега композиционного слоя системы"железо-медь", Полученное таким образомзубчатое колесо характеризуется многослойной структурой; венец и слой, кантактируощий со стальной ступицей, выполненыиз материала системы "железо-медь", амежду ними располагается демпфирующаяпрослойка системы "хселеза-свинец".Выбор напряженности магнитного поля, обеспечивающей принудительную миграцию определенного количествалегкоплавкого компонента по напргвленио 4 Ок основе. осуществляется следующим образом,Пусть- толщина пропитанного внешнего слоя прессовки да ее магнитно-импульсной обработки; и - высота зубьев колеса; 45б - средний диаметр пор прессовки; 0- уголсмачивания медью пропитанного материала порошка; Я - скин-слой материала внешнего пропитанного слоя прессовки, т.е.слой; в котором происходит практически 5 Ополное поглощение электромагнитного поля: Уп - поверхностное натяжение расплавамеди.3 =йцо "гз т )где уз - удельная электраправадность мате 55риала внешнего пропитанного слоя;т - частота электромагнитного поля примагнитно-импульсной обработке. где йПри воздействии на заготовку импульсным магнитным полем на ее поверхности электромагнитное давление отсутствует. По направлению к стальной основе давление монотонно возрастает (по мере затухания напряженности поля), Действие электромагнитного поля на расплав проявляется на определенной критической глубине Х, при которой капиллярное давление равно электромагнитному в расплаве. В результате расплав, находящийся в более глубоких зонах, мигрирует по направлению действия электромагнитных сил, Таким образом, непосредственно после магнитно-импульсной обработки композиционного материала поверхностный слой глубиной Х не претерпевает каких-либо структурных изменений; промежуточный слой, непосредственно примыкающий к поверхностному, обеднен медью, а внутренний слой, контактирующий с основой, - обогащен медью, Это создает необходимые условия для повышения прочности сцепления порошкового материала с основой. а также для заполнения промежуточного слоя демпфирующим материалом.Перед магнитно-импульсной обработкой расплав меди удерживается в объеме заготовки капиллярными силами. Поэтому условие принудительной миграции расплава па направлению к основе имеет видРс Р, (2) где Рсц - электромагнитное давление, действующее на расплав;Рк - капиллярнае давление.Для цилиндрических капилляров имеют4 %соэО(3)б Действие вне поля общим давле рошковый железн меди, т,е,Рм = РРе+ где Рге - электро ствующее на желе Общее электр равнонего электромагнитного нием испытывают как поый каркас, так и расплавРСОмагнитное давлезный каркас,омагнитное давле 2Ро Н (1 - 2 М) 4 Значения давлений Рре и Рсц при одной и той же напряженности магнитного поля определяются удельной электропроводностью порошкового железного каркаса и расплава, т.е.Рее )Ре(6)Рс, )сгде уге и ус соответственно удельная электропроводность порошкового каркаса и расплава меди.Из (2) - (6) после несложных преобразований находим амплитудное значение напряженности магнитного поля, обеспечивающее принудительную миграцию расплава на глубине, превышающей Х:(7) Н 4 выражения (7) показывает, что твления миграции расплава меозиционного слоя во внутренний объем прессовки, необходимо,Анали для осуще ди из комп пористый чтобы,и од ус 1(1 е ) гдето Х,В случае, если ХЬ, происходит миграция меди из внешнего слоя прессовки, предназначенного для венца, и формирование в конечном счете пористости непосредственно в нем. При Хмиграция меди невозможна.С другой стороны, максимально возможная напряженность магнитного поля должна исключать деформацию порошкового железного каркаса, т.е, давление, действующее на каркас Рге, должно быть меньше предела тРге(10) Из (4)т е(2 з 9) и 12) имею о О 7 сд где Ь Х ,Выражение (13 мый диапазон нап поля, при котором о ние из пор карка строго определенн) определяет н ряженности ма беспечивается а жидкого мет ой глубине пре обходи- нитного ытеснеалла на совки и ЬХ ,где- глубина пропитанного слояки;Ь- высота зубьев колеса,Из (7) и (8) имеют екучести стОг. - (6) и (10) определяю2 - ;2 Х/ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 одновременно исключается деформация,.или разрушение каркаса.П р и м е р 1, Зубчатое колесо с высотойзубьев 4 мм и числом зубьев 38 изготавливалось путем магнитно-импульсной напрессовки на стальную цилиндрическую ступицустального порошка, имеющего состав, о; Геоснова; С 0,03 - 0,04; Сг 13 - 14; Мп 1,8 -2,2; 3 1,6 - 2,0; Мц до 0,03; Р 0,013. Плотность после прессования составляла 80 -82 оь, Далее напрессованный слой толщиной 8,5 мм спекали при 950 С в течение2,5 ч. После предварительного спеканияпрессовку нагревали до 1150 С и пропитывали внешний слой прессовки толщиной5,5 мм с исключением в нем остаточной пористости, Непосредственно после пропитки(чтобы исключить рассасывание по прессовке меди) заготовку вносили в объем многовиткого магнитно-импульсного индуктораи осуществляли на него разряд высоковольтного емкостного накопителя магнитно-импульсной установки МИУ-ЗО.Напряженность поля в объеме между заготовкой и индуктором 1,8 10 А/м,Выбор напряженности производили поформуле(13) при условии ус 11 =5 10 (ОмХХм); сов 9=0,9; ио =4 л 10 Гн/м; пп=м=1,25 Дж/м; б = 1,6 10 м; уге =.1,8 )Х 10 10 м м", Г = 5,5 10 м; Ь = 4 10" м;Я =6,8 10 м;Х=4,5 10 м,При этом получали1,9 10Н2,1 10 А/м.В результате магнитно-импульсной обработки в прессовке сформирован внутренний кольцевой пористый слой толщиной3 мм. Непосредственно к стальной ступицепримыкал композиционный слой (практически беспористый) системы Ге - Сц толщиной1 мм.При магнитно-импульсной обработкенапряженностью Н1,9 10 А/м не проис 6ходила миграция меди. При обработке с напряженностью Р2,1 10 А/м разрушалсякаркас прессовки.После магнитно-импульсной обработкипрессовку охлаждали до 350 С, пропитывали внутренний пористый слой расплавомсвинца, а после полного охлаждения проводили нарезание зубчатого профиля. Прочность сцепления зубчатого порошковоговенца со стальной ступицей 180 - 200 МПа,П р и м е р 2, Изготавливали биметаллические червячные колеса фартука токарного станка 16 К 20 (высота зуба 4,2 мм).Колеса изготавливались по примеру 1. Диаметр стальной ступицы 52 мм, толщина напрессованного слоя 11 мм, его плотностьпосле магнитно-импульсного прессования82 - 84/ Использовали порошок на основежелеза с добавлением графита, хрома, серыи никеля,Напряженность магнитного поля примагнитно-импульсной обработке пропитанногомедьюслояпрессовкиН=1,6 10 А/м,Для расчета принимали уапц = 5 10 (ОмХХм) "; уе = 1,7 10 (Ом.м); д = 1,6 10 м;оп = 1,2 Дж/м; сов О= 0,9; = 5,6 10 з м;й =4,2 10м; 3 = 6,4 10м; Х = 4,8 10 м. 10При этом в результате расчета по формуле (13) имели2,1 10 Н 2,2 10 А/м,При напряженности Н2,1 10 А/м непроисходило принудительной миграции меди из внешнего пропитанного слоя прессовки, а при Н 2,2 10 А/м наблюдалисьслучаи пластической деформации железного каркаса прессовки, Далее внутреннийслой пропитывали расплавом свинца. Прочность сцепления порошкового слоя с основой 195 - 200 МПа.Исследование виброактивности зацепления и ее влияния на долговечность колеспроводили на испытательном стенде с разомкнутым потоком мощности. При этом регистрировались уровни вибрации подействующим и амплитудным значениямвиброускорений в диапазоне частот 50 -20000 Гц с помощью третьоктавных спектрометров-индикаторов. Результатыисследований показали, что максимальныйуровень вибрации составляет 70-72 и 62 - 64дБ при испытаниях колес, изготовленных попримеру 1 (Мкр =- 50 Н м; и = 1000 об/мин) 35и по примеру 2 (Укр = 120 Н м; Ч = 3,0 м/с)соответственно, В случае использования колес, изготовленных известным способом,данный показатель составляет соответственно 76 - 79 и 66 - 67 дБ. Износ зубьев потолщине(пример 1) при длительности испытаний 6 10 циклов снизился с 0,014 до0,010 мм, Одновременно верхний диапазончастотного спектра вибраций смещался всторону более низких значений частот (с12500 - 12600 до 8100 - 8150 Гц),Повышение долговечности зубчатых колес за счет снижения виброактивности обусловлено, главным образом, снижениемдинамических составляющих нагрузки при 50зацеплении, изменением частотного спектра нагружения, а также равномерностью егораспределения по длине контактных линий,В предложенном способе снижение виброактивности зацепления обеспечивается путем создания между венцом и ступицей демпфирующего слоя, Данный слой формируется путем магнитно-импульсной обработки на строго заданных режимах порошковой композиционной заготовки и последующей пропитки демпфирующим металлом определенной зоны заготовки.Формула изобретения Способ изготовления биметаллических зубчатых колес, включающий магнитоимпульсное напрессовывание на стальную ступицу порошка на основе железа, спекание прессовки, пропитку ее внешнего слоя расплавом меди на глубину, превышающую высоту зубьев колеса, охлаждение и механическую обработку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения долговечности колес за счет снижения виброактивности, после пропитки на прессовку воздействуют обжимающим импульсным магнитным полем напряженностью где Н - амплитудная напряженность магнитного поля, А/м;й Х1,1 - высота зубьев колеса, м;1 - толщина внешнего пропитанного слоя прессовки, м;Х - параметр,м;оп - поверхностное натяжение расплава меди, Дж/м,о - предел текучести матстого каркаса прессовки, кг/мг0 - угол смачивания медьрошка;5 - скин-слой материала внешнего пропитанного слоя прессовки, м;ус - удельная электропроводлава меди, Ом м;уге - удельная электропроводность пористого каркаса прессовки, Ом мб - средний диаметр пор прессовк,и - начальная магнитная пронемость, Гн/м,а после охлаждения образующреннюю пористую прослойку прполнительно пропитываютдемпфирующего материала,свинцом. ериала порию частиц поность распи,м; ицауюся внутессовки дорасплавом например