Дисертації (ВТМПМ)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Керування процесами формування із порошків сплавів заліза деталей складної форми з підвищеними фізико-механічними властивостями(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Завадюк, Сергій Вікторович; Лобода, П. І.Завадюк С. В. Керування процесами формування із порошків сплавів заліза деталей складної форми з підвищеними фізико-механічними властивостями. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 132 Матеріалознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної проблеми, а саме дослідженню матеріалів та технологічних параметрів, які використовуються при виготовленні деталей складної форми з підвищеними фізико-механічними властивостями за технологією інжекційного лиття порошків (ІЛП). Технологія ІЛП набула широкого поширення у виготовленні деталей вогнепальної зброї та спецзасобів. Дана технологія дозволяє виготовляти складні деталі у великих кількостях з низькою собівартістю. Проте, до таких деталей пред’являються підвищені вимоги щодо надійності та безвідмовності впродовж всього терміну експлуатації виробу. Деталі вогнепальної зброї переважно працюють в умовах ударно-абразивного зносу, тому матеріали, які використовуються для їх виготовлення повинні мати високі показники втомної міцності, твердості та ударної в’язкості. Як відомо, механічні характеристики спечених матеріалів залежать від різних факторів, таких як вміст вуглецю та мікроструктура. Остання включає в себе такі параметри, як пористість, розмір зерна, розмір пор, форма пор та гомогенність хімічного складу. В роботі проведено аналіз спечених сталей Catamold8740 та PolyPOM8740. Зазначені матеріали широко застосовуються в технології ІЛП при виготовленні деталей стрілецької зброї. У роботі поставлені та вирішені актуальні наукові завдання щодо підвищення фізико-механічних властивостей деталей складної форми, що виготовляються за технологією інжекційного лиття порошків із низьколегованих сталей шляхом встановлення впливу хімічного складу вихідних порошків, технологічних параметрів процесів формування, видалення зв’язки , спікання та термообробки на структурно-геометричні характеристики (розмір зерна, пористість), міцність, пластичність, твердість , ударну в’язкість матеріалу виробу. За результатами системних досліджень встановлено вплив: - хімічних та фізичних властивостей порошків Catamold8740 та PolyPOM8740 на процеси ущільнення та формування мікро-структури та фазового складу порошкового матеріалу під час формування та спікання в умовах промислового виробництва та на виробничому обладнанні; - параметрів процесів лиття, видалення зв’язки та спікання на величину залишкової пористості, розмір пор, розмір зерна та визначити можливі шляхи підвищення щільності та механічних властивостей матеріалу виробів із порошків Catamold8740 та PolyPOM8740; - технологічних параметрів процесів виготовлення і наступної термообробки на механічні властивості спечених низьколегованих сталей ІЛП. - гранулометричного складу, середнього розміру частинок порошку заліза на напружено-деформований стан пресовок під час та після спікання, ступінь ущільнення, форми і розміри пор; - напружено-деформованого стану спеченого матеріалу із суміші порошків Catamold8740 та PolyPOM8740 на ударну в’язкість; Аналіз отриманих результатів дозволив сформулювати теоретичні та технологічні засади отримання із порошків промислових марок виробів складної форми конструкційного призначення з заданим рівнем властивостей. У роботі представлено аналітичний огляд наукових джерел за тематикою дисертаційного дослідження. Зроблено порівняння процесу ІЛП з іншими способами формування деталей, показано основні переваги та недоліки процесу. Проведено аналіз хімічного складу та фізико-механічних властивостей найбільш поширених матеріалів для процесу ІЛП. У розділі 2 описано вихідні матеріали, методику виготовлення зразків, методи дослідження мікроструктури, хімічного і фазового складу та фізикомеханічні властивості. У розділі 3 проведено аналіз гранулометричного та хімічного складу вихідних матеріалів. Встановлено, що порошки Catamold8740 та PolyPOM8740 суттєво відрізняються за гранулометричним складом та середнім розміром частинок порошку – середній розмір частинок порошку PolyPOM8740 менший ніж у Catamold8740. Аналіз рентгенограм показав відсутність мікронапружень для обох вихідних порошків. Встановлено велику кількість локальних дефектів. Як показав локальний мікрорентгеноспектральний хімічний аналіз, такі неоднорідності є включеннями оксидів кремнію. У розділі 4 описано вплив параметрів спікання, гранулометричного складу порошків на пористість після спікання. Для з’ясування впливу локальнонеоднорідного ущільнення на швидкість і повноту спікання пресовок досліджували кінетику процесів усадки пресовок із суміші порошків заліза з розміром частинок 5 і 100 мкм взятих в співвідношенні 100% – 5 мкм, 70/30, 50/50, 30/70, 100% – 100 мкм. Зі збільшенням вмісту фракції порошку в суміші збільшується неоднорідність пор за розмірами, що дозволяє змоделювати в рамках фізичного експерименту вплив локально-неоднорідного розподілу рушійних сил на локальнонеоднорідне ущільнення і відповідно на усадку та формування мікроструктури по об’єму пресовки. Доведено, що швидкість ущільнення (кінетичні криві) збільшується по мірі зменшення середнього розміру частинок порошку заліза в суміші. Підвищення швидкості нагрівання активує процес ущільнення. Найбільший рівень мікронапружень формується в спечених пресовках з найменшим розміром частинок порошку 5 мкм. Зняття напружень корелює з розмірами областей когерентного розсіювання. Чим більші області когерентного розсіювання, тим менші напруження виявляються в пресовці після спікання, що може бути свідченням більш повного протікання процесу спікання в локально-неоднорідних областях пресовки. У розділі 5 показано вплив технологічних параметрів виготовлення та термічної обробки на механічні властивості матеріалів Catamold 8740 та PolyPOM 8740. Виявлено, що при спіканні матеріалу PolyPOM 8740 за температури 1340°С, зі швидкістю нагріву 5°С/хв та витримкою 30 хв, ударна в'язкість за Шарпі для зразків з надрізом є найвищою порівняно з іншими випробуваними зразками. Встановлено, що матеріал PolyPOM 8740 відрізняється більшою ударною в’язкістю як після спікання, так і після термічної обробки в порівнянні з Catamold 8740 за рахунок більш дисперсних частинок вихідного порошку, більшої щільності та хімічної однорідності. Встановлено, що дані матеріали мають суттєву варіацію границі міцності після спікання, що може бути пов’язано з різним фазовим складом та розміром зерен. Після вирівнювання фазового складу шляхом термічної обробки, зразки мають однакові значення граничної міцності, яка не залежить від густини матеріалу. З метою вивчення впливу залишкової пористості на ударну в’язкість спеченого матеріалу Catamold8740 проведено експерименти по підвищенню щільності спечених матеріалів методом гарячого ізостатичного пресування. В результаті експерименту було встановлено незначне підвищення ударної в’язкості безпосередньо після ГІП (12,31 Дж/см2), що пов’язано зі значним розміром зерен. Натомість, наступна термообробка дозволяє оптимізувати мікроструктуру та досягти рівня ударної в’язкості – 19,9 Дж/см2. Таким чином, встановлено, що процес гарячого ізостатичного пресування дозволяє значно підвищити щільність спечених матеріалів та ударну в’язкість. Проте наявність сторонніх включень для спечених матеріалів без оптимізації параметрів спікання не дозволяє отримати ударну в’язкість на рівні кованих матеріалів.Документ Відкритий доступ Закономірності отримання порошкових сплавів Al–Fe триботехнічного призначення(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Тесля, Сергій Юрійович; Степанчук, Анатолій МиколайовичДисертаційна робота присвячена дослідженню закономірностей отримання порошків сплав Al–15Fe методом механічного диспергування розплавів та технологій подальшого компактування виробів з них методами пресування з наступним спіканням та гарячим штампуванням. Особливу увагу приділено сплавам Al–15Fe з добавками твердих мастил графіту та дисульфіду молібдену, як найбільш перспективних систем для використання в області триботехнічних матеріалів. У роботі наведено літературний огляд останніх досліджень за темою дисертаційної роботи. Було розглянуто найбільш поширені матеріали триботехнічного призначення на основі міді, заліза та графіту. Показано, що на сьогодні перспективними матеріалами які можуть бути використані в парах тертя є порошкові сплави алюмінію леговані залізом. Унаслідок аналізу методів отримання порошків сплавів Al–Fe показано, що найбільш ефективним методом отримання порошків з дисперсно-зміцненою структурою є розпилювання розплавів рідинами та газами високого тиску. За даних умов їх отримання відбувається формування дисперсних фаз інтерметалідів за рахунок швидкості охолодження продуктів диспергування у межах 105 – 106 °С/с. В ході аналізу літературних джерел встановлено, що збереження дисперсної структури фазових складових може бути досягнути шляхом використання імпульсних методів ущільнення таких як гаряче штампування та короткочасне спікання сплавів. У розділі 2 дисертаційної роботи наведено загальну характеристику вихідних матеріалів, методів отримання порошків Al–15Fe методами механічного диспергування та їх подальше ущільнення методами пресування з наступним спіканням та гарячого штампування. Наведено короткий опис стандартних методів дослідження мікроструктури, фазового, хімічного складу та експлуатаційних властивостей. Розглянуто теоретичні та технологічні засади отримання порошків сплавів Al–15Fe. Відповідно до аналітичного опису процесів диспергування встановлено, що швидкість охолодження в досліджуваних умовах змінюється від 1 × 107 °С/с до 2,2 × 107 °С/с і в середньому складає 1,5 × 107 °С/с. Зі зменшенням розміру частинок швидкість охолодження збільшується від 1,23 × 107 °С/с для частинок розміром 250 мкм до 2,05 × 107 °С/с для частинок розміром 50 мкм (за температури розплаву 1250 °С). Збільшення розміру частинок призводить до зниження швидкості охолодження та підвищенню імовірності утворення крупних за розміром фаз інтерметалідів в об’ємі частинок порошків. Показано, що мікроструктура порошків складається з матриці із твердого розчину алюмінію та рівномірно розподілених фаз інтерметалідів. Відмічається утворення стабільної Al13Fe4 та метастабільної фази Al6Fe, яка кристалізується у вигляді дисперсних частинок розміром 1 – 3 мкм та у вигляді стільникової евтектики яка складається з двох взаємо переплетених дендритів a-Al та Al6Fe. У наслідок проведеного аналітичного опису процесу пресування порошків отриманих диспергуванням розплаву Al–15Fe, згідно теоретичних засад процесів ущільнення закладених М. Ю. Бальшиним, встановлено механізм компактування. Показано, що під час збільшення ступеня деформації фактор пресування L в рівнянні пресування за М. Ю. Бальшиним не залишається постійним, а збільшується. Останнє вказує на те, що в основі ущільнення лежить не тільки пластична деформація, а приймають участь й інші процеси. У нашому випадку це може бути пружна деформація і крихке руйнування наявних в матриці частинок твердих фаз Al13Fe4 та Al6Fe. Дослідженням процесів спікання встановлено, що ущільнення пресовок зі сплаву Al–15Fe під час нагрівання в інтервалі температур 500 – 600 °С протягом 30 хв в середовищі водню, супроводжується проявами від’ємної усадки, яка зростає зі збільшенням часу ізотермічної витримки. Останнє зумовлено трансформацією метастабільної фази Al6Fe у Al13Fe4 , яка супроводжується збільшенням питомого об’єму. Застосування для компактування порошків з сплаву Al–15Fe імпульсного методу ущільнення гарячим штампуванням за встановленими оптимальними умовами (енергія штампування 2,5 кДж та температура попереднього нагріву 500 °С) сприяє отриманню практично безпористих матеріалів зі спадкуванням структури і фазового складу вихідних порошків. Проведено експериментальні дослідження щодо отримання та вивчення властивостей чистого інтерметаліду Al13Fe4. Отримані фундаментальні дані властивостей Al13Fe4, а саме модуль пружності складає 180 ± 10 ГПа, мікротвердість 1000 ± 15 HV, межа міцності на згин – 63 ± 5 МПа, коефіцієнт теплопровідності 20 ± 3 Вт/м×К, питомий електроопір – 2 ± 0,7×10-6 Ом×м. Отримані дані лягли в основу моделювання властивостей сплавів Al–15Fe. Було встановлено, що розрахункові згідно розроблених моделей значення міцності на розтяг складають 350 ± 12 МПа, в той же час для сплавів отриманих гарячим штампуванням експериментальні значення міцності на розтяг складає 250 ± 8 МПа, а для спечених 150 ± 10 МПа. Оскільки, більшість триботехнічних матеріалів працюють в умова стискальних навантажень, було проведено дослідження механічних властивостей в умовах стиску залежно від методу отримання матеріалу. Показано, що сплави отримані гарячою штамповкою мають межу текучості на рівні 350 ± 10 МПа, натомість після спікання 240 ± 13 МПа, що може бути зумовлено різним механізмом формування металевого контакту між вихідними частинками порошку під час їх ущільнення. Виходячи з вимог до матеріалів триботехнічного призначення відносно їх високої теплопровідності були досліджені теплофізичні характеристики сплавів Al–15Fe. Оцінку теплових властивостей проводили відповідно до стандартних моделей Максвелла, Левіса-Нельсона та за методом скінчених елементів. Вимірювання властивостей проводили методом «гарячої-холодної» плит. Отримані значення теплопровідності сплавів Al–15Fe змінюються в межах 145 – 150 ± 8 Вт/м×К залежно від умов їх отримання. Виходячи з тепло-фізичних умов тертя можливе розігрівання матеріалу тертя та контр тіла до високих температур. Згідно проведених модельних розрахунків в зоні тертя, для пари «сплав Al–15Fe» – «сталь» можливе виникнення температури 450 – 500 ºС і більше. Тому актуальним є дослідження стійкості матеріалів до окиснювання. В роботі були проведені дослідження по вивченню процесів окиснення сплавів за температур 300 ºС, 500 ºС, 700 ºС та 900 ºС протягом різного часу витримки в межах 30 – 120 хв на повітрі. Аналіз отриманих результатів окиснення показує, що за температур 300 – 500 ºС процеси зміни маси і, відповідно, окиснення практично не відбуваються. Подальше збільшення температури до появи рідкої фази сприяє значному збільшенню маси зразків, що свідчить про окиснення матеріалу. Згідно проведеним термодинамічним розрахункам за цих умов компоненти сплаву можуть взаємодіяти з киснем повітря з утворенням шпінелі FeAl2O4, оксиду алюмінію Al2O3 та оксиду заліза Fe2O3. Відповідно до рентгенівських досліджень за температур окиснення 300 °С – 700 °С також ідентифікуються рефлекси фаз k-Al2O3, Al, Al6Fe. Для отримання сплавів триботехнічного призначення в роботі проведені дослідження умов отримання та властивості матеріалів на основі сплаву Al–15Fe з добавками твердих мастил на основі графіту та дисульфіду молібдену в концентраціях 1 – 3 мас. % та 0,5 – 1,5 мас. % відповідно. Вивчені процеси компактування сплавів пресуванням з наступним спіканням та гарячим штампуванням та досліджені їх триботехнічні характеристики. Унаслідок аналізу процесів тертя встановлено, що в їх основі лежать процеси крихкого руйнування інтерметалідів та їх проникнення в матрицю алюмінію яка додатково зміцнюється дисперсними фазами. Як наслідок спостерігається збільшення зносостійкості матеріалу та зниження коефіцієнту тертя. За наявності твердих мастил в зоні тертя, продукти руйнування та шари мастил змішуються, утворюючи вторинні структури. Встановлено, що оптимальним складом сплавів антифрикційного призначення є введення 1,5 % дисульфіду молібдену та отримання їх методом гарячого штампування.Документ Відкритий доступ Створення нових конструкційних армованих матеріалів на основі титану та його сплавів із підвищеними фізикомеханічними властивостями(2021) Ремізов, Дмитро Олексійович; Лобода, Петро ІвановичДокумент Відкритий доступ Створення армованих керамічних матеріалів на основі B4C для роботи в екстремальних умовах експлуатації(2021) Втерковський, Михайло Ярославович; Лобода, Петро ІвановичДокумент Відкритий доступ Одержання, структура та властивості спрямовано закристалізованих сплавів систем B4C-NbB2-SiC і B4C-TaB2-SiC(2021) Упатов, Микита Ігорович; Богомол, Юрій ІвановичДокумент Відкритий доступ Закономірності формування структури та властивостей порошкових композиційних матеріалів на основі заліза та самофлюсівних сплавів багатофункціонального призначення(2021) Демиденко, Олександр Анатолійович; Степанчук, Анатолій МиколайовичДокумент Відкритий доступ Створення фізико-технологічних основ виготовлення високощільних порошкових матеріалів(2020) Мініцький, Анатолій Вячеславович; Лобода, Петро Іванович