Дослідження та моделювання термічної обробки сталевих елементів металоформ для напівсухого вібропресування

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorГордієнко, В. І.
dc.contributor.authorВасильченко, В. Ю.
dc.contributor.authorКоваленко, О. О.
dc.contributor.authorХижняк, Є. В.
dc.date.accessioned2026-02-20T11:36:45Z
dc.date.available2026-02-20T11:36:45Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractВ роботі досліджується процес повного циклу термічної обробки (цементація, загартування) елементів металоформ, що використовуються у виробництві бетонних виробів методом напівсухого об'ємного вібропресування. Високий абразивний знос робочих поверхонь металоформ вимагає оптимізації хіміко-термічної обробки. Традиційні методи не дозволяють точно спрогнозувати кінцевий фазовий склад та профіль твердості, особливо з урахуванням складного впливу концентрації вуглецю на кінетику загартування. Необхідна розробка чисельної моделі для прогнозування та контролю якості. Розроблено та реалізовано пов'язану мультифізичну 2D-модель (дифузія, теплообмін, фазові перетворення) для сталевого зразка 100 х 100 х 20 мм. Проведено моделювання цементації для двох початкових концентрацій вуглецю (0.08 та 0.2) з фінальним профілем насичення до 0.9 на поверхні. Після загартування у воді (типовий h ≈ 5000 Вт/(м2 К)), моделювання показало, що в цементованому шарі утворюється до 80-85 % мартенситу. Проте, у приповерхневій зоні зафіксовано підвищений вміст залишкового аустеніту (до 15-20 % масової частки). Наявність залишкового аустеніту в цементованому шарі пояснюється значним зниженням температури початку мартенситного перетворення (MS) через високу локальну концентрацію вуглецю. Це підтверджує, що навіть при високій швидкості охолодження (h ≈ 5000 Вт/(м2 К)), повне перетворення аустеніту в мартенсит не відбувається, що вимагає проведення додаткових термічних операцій. Використання моделі Koistinen-Marburger з інтегрованою концентраційною залежністю MS(c) та застосуванням нерівномірної сітки дозволило точно визначити межі цементованого та загартованого шарів. Це забезпечило кількісну оцінку профілю кінцевого фазового складу, необхідну для прогнозування твердості. Результати моделювання можуть бути використані інженерами-технологами для оптимізації режимів цементації (температура, час) та загартування (швидкість охолодження) з метою підвищення ресурсу сталевих металоформ, а також для обґрунтування необхідності проведення низького відпуску.
dc.description.abstractotherThis work investigates the full cycle of heat treatment (carburizing and quenching) of steel elements of metal molds used in the production of concrete products manufactured by the semi-dry vibrocompression method. Severe abrasive wear of the working surfaces of metal molds necessitates the optimization of chemical–heat treatment. Traditional methods do not allow accurate prediction of the final phase composition or hardness profile, particularly considering the complex influence of carbon concentration on quenching kinetics. Therefore, a numerical model for process prediction and quality control is required. A coupled multiphysics 2D model (diffusion, heat transfer, and phase transformations) was developed and implemented for a steel specimen with dimensions 100 × 100 × 20 mm. Carburizing simulations were performed for two initial carbon concentrations (0.08 and 0.2 wt.%) achieving a final surface concentration of up to 0.9 wt.%. After water quenching (typical heat-transfer coefficient h ≈ 5000 W/(m²·K)), the simulations demonstrated the formation of 80–85% martensite in the carburized layer. However, an increased content of retained austenite (15–20 %) was observed in the near-surface region. The presence of retained austenite in the carburized layer is explained by the significant reduction of the martensite-start temperature (MS) due to high local carbon enrichment. This confirms that even at high cooling rates (h ≈ 5000 W/(m²·K)), complete martensitic transformation does not occur, indicating the need for additional heat-treatment operations. The use of the Koistinen–Marburger model with concentration-dependent MS(c) and a locally refined mesh enabled accurate determination of the boundaries of the carburized and quenched layers. This provided a quantitative evaluation of the final phase composition profile, which is essential for hardness prediction. The simulation results can be applied by process engineers to optimize carburizing parameters (temperature and duration) and quenching conditions (cooling rate) to increase the service life of steel metal molds, as well as to justify the necessity of low-temperature tempering.
dc.format.pagerangeP. 515–522
dc.identifier.citationДослідження та моделювання термічної обробки сталевих елементів металоформ для напівсухого вібропресування / Гордієнко, В. І., Васильченко, В. Ю., Коваленко, О. О., Хижняк, Є. В. // Mechanics and Advanced Technologies. – 2025. – Vol. 9, No. 4(107). – P. 515–522. – Bibliogr.: 12 ref.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/2521-1943.2025.9.4(107).345047
dc.identifier.orcid0000-0002-9223-9013
dc.identifier.orcid0009-0003-4062-7035
dc.identifier.orcid0000-0002-5073-3507
dc.identifier.orcid0009-0000-8353-4240
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/78915
dc.language.isouk
dc.publisherIgor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
dc.publisher.placeKyiv
dc.relation.ispartofMechanics and Advanced Technologies, Vol. 9, No. 4(107)
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectзабруднення навколишнього середовища
dc.subjectматриця
dc.subjectпуансон
dc.subjectметалоформи
dc.subjectтермообробка
dc.subjectцементація
dc.subjectгартування
dc.subjectверстати ЧПК
dc.subjectматематичне моделювання
dc.subjectenvironmental pollution
dc.subjectmatrix
dc.subjectpunch
dc.subjectmetal molds
dc.subjectheat treatment
dc.subjectcarburizing
dc.subjectquenching
dc.subjectCNC machining
dc.subjectmathematical modeling
dc.subject.udc693.54:621.744.47:519.87:693.7
dc.titleДослідження та моделювання термічної обробки сталевих елементів металоформ для напівсухого вібропресування
dc.title.alternativeResearch and Simulation of Heat Treatment of Steel Elements of Metal Molds for Semi-Dry Vibrocompression
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
515–522.pdf
Розмір:
1.42 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Mechanics and Advanced Technologies, Vol. 9, No. 4(107)