Керування процесами формування із порошків сплавів заліза деталей складної форми з підвищеними фізико-механічними властивостями

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЛобода, П. І.
dc.contributor.authorЗавадюк, Сергій Вікторович
dc.date.accessioned2024-05-10T09:09:55Z
dc.date.available2024-05-10T09:09:55Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractЗавадюк 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.
dc.description.abstractotherZavadiuk S. V. “Control of the process for forming iron-based alloy powders to produce parts with complex geometry and improved physical and mechanical properties”. - Qualifying scientific work. As a manuscript. Thesis for the Doctor of Philosophy Degree in specialty 132 Materials Science. - National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2024. The dissertation work is devoted to the solution of an actual problem, specifically the investigation of materials and technological parameters used in the manufacturing of components with complex shapes and enhanced mechanical properties using the Powder Injection Molding (PIM) technology. The PIM technology has gained widespread use in the production of components for firearms and special equipment. This technology enables the production of complex parts in large quantities at low cost. However, these components are subject to increased requirements for reliability and faultlessness throughout the entire product's operational life. Components of firearms predominantly operate under conditions of impact-abrasive wear, hence the materials used in their production must exhibit high fatigue strength, hardness, and impact toughness. Mechanical properties of sintered materials are influenced by factors such as carbon content and microstructure, including porosity, grain size, pore size, pore shape, and homogeneity of chemical composition. The study analyzes sintered steels Catamold 8740 and PolyPOM 8740, which are widely used in the PIM technology for manufacturing components of firearms. In the work, relevant scientific tasks have been formulated and solved regarding the improvement of the mechanical properties of components with complex shapes manufactured using the Powder Injection Molding (PIM) technology from low-alloy steels. This is achieved by investigating the influence of the chemical composition of the initial powders, technological parameters of forming processes, debinding, sintering, and heat treatment on structural-geometric characteristics (grain size, porosity), strength, plasticity, hardness, and impact toughness of the material. The results of the systematic research have identified the influence of: - the chemical and physical properties of Catamold8740 and PolyPOM8740 powders on the processes of compaction, formation of microstructure, and phase composition of the powder material during shaping and sintering in industrial production conditions and on production equipment; - the parameters of molding, binder removal, and sintering processes on the residual porosity, pore size, grain size, and possible ways to increase the density and mechanical properties of products made from Catamold8740 and PolyPOM8740 powders; – technological parameters of manufacturing processes and subsequent heat treatment on the mechanical properties of sintered low-alloy steels ILP. – the granulometric composition, average particle size of iron powder before and after sintering, the stress-strain state of compacts during and after sintering, degree of compaction, shapes, and sizes of pores; – the stress-strain state of the sintered material from a mixture of Catamold8740 and PolyPOM8740 powders on impact toughness. The analysis of the obtained results allowed formulating theoretical and technological principles for obtaining industrial-grade products of complex shape and structural purpose from specified powders. The dissertation includes an analytical review of scientific sources related to the theme of the research. A comparison of the PIM process with other methods of forming components is presented, outlining the main advantages and disadvantages of the process. An analysis of the chemical composition and physic-mechanical properties of the most widely used materials for the PIM process is conducted. Chapter 2 describes the raw materials, the methodology for producing material samples, methods for studying microstructure, chemical and phase composition, and physic-mechanical properties. Chapter 3 conducts an analysis of the granulometric and chemical composition of the initial materials. It is established that Catamold8740 and PolyPOM8740 powders significantly differ in granulometric composition, with the average particle size of PolyPOM8740 being smaller than that of Catamold8740. X-ray analysis shows the absence of micro-stresses for both initial powders but reveals a large number of local defects. Local micro X-ray spectral chemical analysis indicates that these inhomogeneities are inclusions of silicon oxide. In Chapter 4, the influence of sintering parameters and the granulometric composition of powders on porosity after sintering is described. To understand the impact of locally uneven compaction on the speed and completeness of sintering, the kinetics of compaction processes of compacts made from a mixture of iron powders with particle sizes of 5 and 100 m were investigated. The mixtures were taken in proportions of 100% - 5 m, 70/30, 50/50, 30/70, 100% - 100 m. As the content of the powder fraction in the mixture increases, the heterogeneity of pores in terms of size increases, allowing the modeling, within the framework of a physical experiment, of the influence of locally uneven distribution of driving forces on locally uneven compaction and, consequently, on shrinkage and the formation of microstructure throughout the volume of the compact. It is demonstrated that the compaction rate (kinetic curves) increases as the average particle size of iron powder decreases in the mixture. The increase in heating rate activates the compaction process. The highest level of micro-stresses is formed in sintered compacts with the smallest particle size of 5 m. Stress relief correlates with the sizes of coherent scattering regions. The larger the coherent scattering regions, the lower the stresses observed in the compact after sintering, indicating a more complete progress of the sintering process in locally uneven areas of the compact. Thus, it is established that sintering polydisperse powders intensifies locally uneven compaction, which in turn leads to an increase in coherent scattering regions and stress relief. In Chapter 5, the influence of manufacturing and heat treatment parameters on the mechanical properties of Catamold 8740 and PolyPOM 8740 materials is demonstrated. It has been determined that the Charpy impact toughness is at its peak for notched samples of PolyPOM 8740 when sintered at a temperature of 1340°C, with a heating rate of 5°C/min and a dwell time of 30 minutes, in comparison to other samples. PolyPOM 8740 material exhibits higher impact toughness both after sintering and after heat treatment compared to Catamold8740, attributed to the more dispersed particles in the initial powder, higher density, and chemical homogeneity. It is found that these materials have a significant variation in tensile strength after sintering, which may be related to different phase compositions and grain sizes. After heat treatment, the samples have the same tensile strength values independent of material density. It's worth noting that even samples with low density (7.27-7.28 g/cm³) have high tensile strength values of 1000-1100 MPa, corresponding to the mechanical properties of forged steel 40Х under the given heat treatment conditions (1150 MPa with a hardness of 326 HB). To study the influence of residual porosity on the impact toughness of the sintered Catamold8740, experiments were conducted to increase the density of sintered materials using the hot isostatic pressing (HIP) method. The experiment showed a slight increase in impact toughness immediately after HIP (12.31 J/cm²) due to significant grain size. However, subsequent heat treatment allows optimizing the microstructure and achieving an impact toughness level of up to 19.9 J/cm². Thus, it is established that the hot isostatic pressing process significantly increases the density and impact toughness of sintered materials. However, the presence of foreign inclusions in sintered materials without optimizing sintering parameters does not allow achieving impact toughness at the level of forged materials.
dc.format.extent145 с.
dc.identifier.citationЗавадюк, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/66755
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectвиливок
dc.subjectгустина
dc.subjectзв’язувальні матеріали
dc.subjectмікроструктура
dc.subjectнеметалеві включення
dc.subjectпорошкові вуглецеві сталі
dc.subjectпорошок
dc.subjectтвердість
dc.subjectтермоциклування
dc.subjectфазовий склад
dc.subjectmolding
dc.subjectdensity
dc.subjectbinder materials
dc.subjectmicrostructure
dc.subjectnon-metallic inclusions
dc.subjectsintered carbon steels
dc.subjectpowder
dc.subjecthardness
dc.subjectthermal cycling
dc.subjectphase composition
dc.subject.udc621.762.5
dc.titleКерування процесами формування із порошків сплавів заліза деталей складної форми з підвищеними фізико-механічними властивостями
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Zavadiuk_dys.pdf
Розмір:
13.57 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

Дисертації (ВТМПМ)
Дисертації (вільний доступ)