Керування процесами формування із порошків сплавів заліза деталей складної форми з підвищеними фізико-механічними властивостями
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
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.
Опис
Ключові слова
виливок, густина, зв’язувальні матеріали, мікроструктура, неметалеві включення, порошкові вуглецеві сталі, порошок, твердість, термоциклування, фазовий склад, molding, density, binder materials, microstructure, non-metallic inclusions, sintered carbon steels, powder, hardness, thermal cycling, phase composition
Бібліографічний опис
Завадюк, С. В. Керування процесами формування із порошків сплавів заліза деталей складної форми з підвищеними фізико-механічними властивостями : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Завадюк Сергій Вікторович. – Київ, 2024. – 145 с.