Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні

ВПЛИВ РОЗМІРУ НАПОВНЮВАЧА НА СТРУКТУРУ ТА ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІМЕРНОЇ МАТРИЦІ

У. В. Підковинська — 2024-10-31

Мета роботи. Вивчення впливу розміру часток оксиду алюмінію (Al₂O₃) на механічні характеристики полімерного композиту з додаванням рубленого скловолокна. Вивчення взаємодії між частками оксиду алюмінію та рубленого скловолокна.

Методи дослідження. Було проведено дослідження зразків на розтяг за ДСТУ EN ISO 527-5:2018. Випробування проводили на розривній машині «MTS Criterion Model 43» з максимальним зусиллям 50 кН. Металографічний аналіз проводили на мікроскопі KEYENCE VHX при збільшеннях 50 та 500. Мікроструктуру полімерної матриці визначали на шліфах без травлення. Растровий електронний аналіз проводили на мікроскопі JEOL JSM-5510LV.

Отримані результати. Показано дослідження впливу введення різних розмірів фракції оксиду алюмінію на полімерну матрицю. Було виявлено, що зі збільшенням фракції міцність полімерної композиції зменшується. Також було проведене дослідження взаємодії рубленого скловолокна та різних фракцій оксиду алюмінію на механічні характеристики та морфологію з’єднання з полімерною композицією.

Наукова новизна. Взаємодія рубленого волокна з фракціями оксиду алюмінію може впливати на механічні властивості композиту, такі як міцність, жорсткість, та еластичність. Ця взаємодія може підвищити або зменшити механічну стійкість матеріалу залежно від характеру контакту та співвідношення компонентів. Вивчення морфології з’єднання між рубленим волокном і фракціями оксиду алюмінію може допомогти зрозуміти, як вони взаємодіють між собою у композитній структурі. Це включає аналіз адгезії між компонентами, структури підключень та можливих дефектів, що можуть виникнути під час процесу виготовлення. Дослідження цієї взаємодії відкриває можливості для розробки нових композитних матеріалів з покращеними властивостями та різноманітними застосуваннями в промисловості, будівництві, авіації, автомобільній промисловості та інших галузях.

Практична цінність. Практичне значення полягає також у вдосконаленні технологій виробництва та впровадженні нових матеріалів у промисловість. Можливість керувати механічними властивостями композитів шляхом зміни розміру фракції оксиду алюмінію може сприяти створенню більш ефективних матеріалів для виробництва автомобілів, літаків, будівельних конструкцій тощо.

Крім того, розуміння взаємодії рубленого скловолокна та фракцій оксиду алюмінію може відкрити нові можливості для розробки композитів з унікальними механічними характеристиками, що відповідають вимогам сучасних технологій та промислових виробництв.

УДОСКОНАЛЕННЯ СТРУКТУРИ СПЛАВУ СИСТЕМИ Ni-Cr-Со-W-Mo-Al-Ti-C

К. В. Обносов — 2024-10-30

Мета роботи. Полягає у встановленні специфіки впливу легувальних елементів на утворення карбідів у структурі, їх форму та можливість виділення ТЩП-фаз для системи типу Ni-Cr-Со-W-Mo-Al-Ti-C за допомогою розрахункового методу прогнозування CALPHAD у порівнянні з даними, одержаними методом растрової електронної мікроскопії.

Методи дослідження. Наведено результати експериментальних і розрахункових даних, сформованих на основі експериментальних і взятих з відкритих джерел результатів. Хімічний склад встановлювали на растровому електронному мікроскопі РЕМ-106І, що оснащений енергодисперсійним аналізом. Експериментальні значення оброблялися методом найменших квадратів з отриманням кореляційних залежностей типу «параметр-властивість» та встановленням математичних рівнянь регресійних моделей, які оптимально описують ці залежності.

Отриманні результати. Встановлено, що при збільшенні концентрації титану більше 4 % та молібдену більше 6 % і 15 % хрому, можливе утворення ТЩП-фаз (Р, s і m- фаз) які знижують експлуатаційні властивості сплаву. Виявлено, що при наявності у сплаві понад 25 % хрому, утворюється твердий розчин на основі хрому, який зменшує властивості сплаву (механічні та корозійні). Показано, що отримані залежності відповідають дійсності і мають збіжність з експериментальними даними на рівні 10 %.

Наукова новизна. Отримані залежності впливу легувальних елементів на хімічний склад карбідів дозволять прогнозувати властивості без проведення експериментів. Встановлено, що зміни в ході залежностей тісно корелюють з процесами, що відбуваються в структурі сплавів.

Практична цінність. отримані залежності можуть бути використані як для розробки нових жароміцних сплавів, так і для вдосконалення складів промислових сплавів.

ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ ФАЗОВОГО СКЛАДУ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ ВИСОКОЛЕГОВАНОЇ СТАЛІ 03Х17Н3Г9МБДЮЧ

Н. О. Євсєєва — 2024-10-31

Мета роботи. Оцінка впливу легувальних елементів корозійностійкої сталі 03Х17Н3Г9МБДЮч на фазовий склад та показники високотемпературної корозії.

Методи дослідження. З метою перевірки впливу хімічного складу на структуру сталі 03Х17Н3Г9МБДЮч виготовлені лабораторні сталі. Виготовлення цих сталей проводили в індукційній печі з основною футеровкою ємністю 50 кг. Отримані виливки кували на заготовки розміром 40´ 80 ´100 мм, з наступною гарячою прокаткою на зразки товщиною 25, 20 та 15 мм. Визначення границь плинності сталей проводили після витримки при температурі 850 °С на протязі 10000 годин. Корозійну стійкість дослідних зразків визначали гравіметричним методом після повного занурення зразків у розплавлений магній.

Отримані результати. Обґрунтовано вибір основних легувальних елементів та визначено їхній вплив на стійкість у агресивному середовищі відновлювального процесу виробництва губчастого титану. Виконано термодинамічний розрахунок енергії Гіббса в інтервалі робочих температур. Розглянуто та обрано необхідне співвідношення фаз сталі 03Х17Н3Г9МБДЮч на основі діаграм Шефлера де-Лонга та Потака-Сагалевіча.

Наукова новизна. Встановлено вплив зміни хімічного складу сталі 03Х17Н3Г9МБДЮч в межах технічних умов на фазові складові, границю повзучості та стійкість у агресивному середовищі відновлювального процесу виробництва губчастого титану

Практична цінність. Показано, що легувальний комплекс корозійностійкої сталі здатний суттєво підвищити фізико-механічні та технологічні властивості, розширити функціональне застосування.

СПОСІБ ЗБІЛЬШЕННЯ РОЗДІЛЬНОЇ ЗДАТНОСТІ ОПТИЧНОГО МІКРОСКОПА

Р. Е. Мохнач — 2024-10-31

Мета роботи. Збільшення роздільної здатності та збільшення оптичного мікроскопа для розширення можливостей спостереження та дослідження в різних галузях науки та технологій.

Методи дослідження. Теоретичний, експериментальний

Отримані результати. Проведено порівняльний аналіз ока людини як оптичної системи та оптичної системи мікроскопа. З’ясували, що ці системи мають подібну природу, а саме роздільне зображення двох близько розташованих об’єктів. Якщо розглядати око людини як світлочутливу матрицю, то для визначення роздільної здатності ока необхідно використати відношення усередненого значення кількості світлочутливих елементів (палички та колбочки), які припадають на сітківку, до площі самої сітківки (для ока людини це 0,1…0,2 мм). Для оптичного мікроскопа необхідно розділяти поняття «роздільна здатність» та «збільшення».

Також ми згадали фізичні основи роздільної здатності оптичних мікроскопів. Показали, що для сухого об’єктива межа роздільної здатності для λ = 555 нм складає 0,3 мкм.

Одним із способів підвищення роздільної здатності є використання імерсійних рідин. Однак, у певних дослідженнях її використання є недоречним або неможливим. Якщо замість звичайних освітлювачів (максимум інтенсивності при λ = 555 нм) використовувати ультрафіолетові (λ = 380…410 нм), то роздільну здатність можна збільшити у декілька разів, а збільшення – до 2000. Недоліком використання УФ освітлювачив є те, що необхідно використовувати світлофільтр при прямому спостереженні або монітор при опосередкованому методі, щоб уникнути негативного впливу на зір спостерігача.

Наукова новизна. Збільшення роздільної здатності та збільшення оптичного мікроскопа при використанні когерентних джерел світла замість імерсійних рідин дає більш деталізовану наукову інформацію та полегшує її обробку.

Практична цінність. Використання результатів нашого дослідження дозволяє отримати більш інформативне зображення при використанні когерентних джерел світла.

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ДЕТАЛЕЙ З NYLON ОТРИМАНИХ МОДЕЛЮВАННЯМ МЕТОДОМ НАПЛАВЛЕННЯ

Л. О. Тумарченко — 2024-10-31

Мета роботи. Комплексне дослідження впливу режимних параметрів процесу Моделювання Методом Наплавлення - Fused Deposition Modeling (FDM) на шорсткість поверхонь деталей.

Методи дослідження. Зразки для дослідження друкували методом FDM на 3д-принтері моделі Profi+. Використовували програмне забезпечення для нарізки CAD-моделі на шари та підготовки G-коду – Slic3rPE. Зразки друкували філаментом Nylon від компанії Plexiwire. Просушування матеріалу безпосередньо перед друком проводили у електропечі «ЕЛЕКТРОТЕРМ». Для визначення шорсткості зразків використовували профілометр 171621. Для статистичної обробки результатів використали програмний комплекс STATISTICA

Отримані результати. Досліджено вплив режимних параметрів друку FDM на шорсткість поверхонь деталей. Встановлено, що на шорсткість поверхні найбільше впливають одночасно декілька параметрів: швидкість друку, температура платформи, висота шару, щільність заповнення, екструзійний множник, кількість стінок, кількість суцільних верхніх та нижніх шарів, схема заповнення та температура екструзії.

Наукова новизна. Визначено раціональне поєднання режимних параметрів, при яких досягається мінімальна шорсткість поверхні. Таким чином було встановлено, що мінімальної шорсткості у досліджуваному діапазоні можна досягти при наступних режимних параметрах: схема заповнення – прямолінійна, густина заповнення 25 %, екструзійний множник 0,9, температура екструдера 265 °С, швидкість друку 40 мм/с, висота шару 0,15 мм, кількість суцільних стінок 2, температурі платформи 100 °С. При збільшенні температури платформи і швидкості друку значення шорсткості буде збільшуватись, також до цього призводить збільшення висоти шару і щільності заповнення. Підвищення значення екструзійного множника та зменшення температури екструдера – має негативний вплив на шорсткість поверхні. Інші досліджувані параметри не мали статистично значущого впливу на шорсткість поверхні.

Практична цінність. Результати дослідження дозволяють прогнозувати та підвищувати якість деталей з нейлону, виготовлених методом FDM, за рахунок встановлення раціональних режимів процесу.

РАЦІОНАЛЬНІ ЗМІЩЕННЯ ТВІРНОГО КОНТУРУ КОЛІС ЦИЛІНДРИЧНОЇ ПРЯМОЗУБОЇ ПЕРЕДАЧІ ДЛЯ ЗМЕНШЕННЯ ЗНОШУВАННЯ ЗУБІВ

О. Г. Попович — 2024-11-11

Мета роботи. Створити методику визначення таких коефіцієнтів зміщення твірного контуру для ведучого та веденого коліс циліндричної прямозубої передачі, за яких на найбільш підданих до зношування ділянках евольвентних поверхонь зубів буде мінімальною швидкість зношування поверхневого шару з часом роботи цієї передачі.

Методи дослідження базуються на комплексному застосуванні теорії евольвентної зубчастої передачі та закономірностей трибології; для мінімізації функції було застосовано метод золотого перерізу.

Отримані результати. Отримано безрозмірну величину, яка є функцією від коефіцієнтів зміщення твірного контуру для ведучого та веденого коліс циліндричної прямозубої передачі. Значення цієї функції пропорційні найбільшій серед швидкостей зношування в околі характерних точок на евольвентних профілях зубів цих коліс. Створено методику визначення раціональних коефіцієнтів зміщення твірного контуру, які мінімізують отриману безрозмірну функцію, та за яких буде максимальною тривалість роботи прямозубої передачі до того, коли найбільша товщина зношеного шару на активних поверхнях зубів досягне гранично допустимої величини.

Наукова новизна. Обґрунтовано, що збільшення товщини зношеного шару з часом роботи прямозубої передачі буде відбуватись найшвидше в околі певних характерних точок на евольвентних профілях зубів коліс. Розроблено розрахункову модель для визначення товщин зношеного шару в околі крайніх активних точок профілів зубів пари циліндричних прямозубих коліс та в околі нижніх і верхніх граничних точок однопарного зачеплення. У цій моделі враховано вплив питомих ковзань і чисел зубів коліс та твердостей їхнього поверхневого шару на швидкості зношування у характерних точках на профілях зубів. Крім того, враховано розподіл повної сили взаємодії цих коліс між двома парами зубів при двопарному зачепленні, а також зміну сили, яку передає одна пара зубів, при її вході або виході з однопарного зачеплення.

Практична цінність. Створену методику визначення коефіцієнтів зміщення твірного контуру доцільно застосовувати при проектуванні циліндричних прямозубих передач для машин і обладнання, що функціонують в умовах, за яких можливе потрапляння абразивних часток у зону зачеплення зубів. Наведено приклад застосування цієї методики у проектувальному розрахунку циліндричної прямозубої передачі.

ДІАГНОСТИКА ДЕФЕКТІВ ПІДШИПНИКІВ КОЧЕННЯ НА ОСНОВІ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛІЗУ

В. І. Дубровін — 2024-10-31

Мета роботи. Розробка та вдосконалення методу аналізу вібросигналів підшипників кочення на основі вейвлет-аналізу з метою виявлення та ідентифікації дефектів обладнання.

Методи дослідження. Застосовувався вейвлет-аналіз для обробки вібросигналів підшипників кочення. Застосовано порогову вейвлет-фільтрацію для виділення слабких імпульсних компонент у сигналах, а також використано вейвлет-Морле для забезпечення ефективності фільтрації.

Отримані результати. Запропонований метод з використанням вейвлет-фільтрації покращує швидкість та надійність діагностики вібраційних сигналів підшипників, що дозволяє ефективно виділяти характеристичні частоти, пов’язані з різними типами дефектів підшипників кочення.

У порівнянні з іншими методиками аналізу сигналів, використання розробленого методу на основі неперервного вейвлет-аналізу виявилося особливо ефективним для виділення характерних діагностичних частот. Цей метод дозволяє не лише ідентифікувати конкретні типи дефектів у підшипниках кочення, а й забезпечує універсальність, що дозволяє успішно застосовувати його для аналізу інших типів нестаціонарних сигналів.

Експериментальні дослідження підтвердили високу ефективність розробленого методу, особливо в ранніх стадіях розвитку дефекту. Використання цього методу виявляється не лише у здатності ефективно виділяти характеристичні частоти підшипників, але і у здатності проводити аналіз сигналів для ідентифікації дефектів обладнання взагалі. Це робить запропонований метод перспективним і універсальним інструментом для діагностики та моніторингу стану технічних систем.

Наукова новизна. Використання запропонованого метод обробки вібросигналів підшипників кочення на основі вейвлет-аналізу у контексті підвищення ефективності виявлення та ідентифікації дефектів обладнання.

Практична цінність. Розроблений метод може бути використаний в промисловому секторі для аналізу та діагностики підшипників кочення обладнання. Він дозволяє вчасно виявляти дефекти, зменшувати ризик відмов обладнання, та знижувати витрати на експлуатаційне обслуговування. Таким чином, цей метод має практичну цінність у підвищенні надійності та продуктивності промислового обладнання

ОСНОВНІ ЕТАПИ ПРОЕКТУВАННЯ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ ДЕФОРМАЦІЇ ЗЛИВКІВ НА ГІДРОПРЕСАХ

А. Ю. Матюхін — 2024-10-31

Мета роботи. Дослідження технологічного процесу кування крупних злитків на гідропресах з метою виявлення та зниження ресурсовитрат.

Методи дослідження. Метод скінченних елементів, що дає можливість оцінки напружено-деформованого стану заготовки, можливості його вирівнювання, гомогенізації за рахунок керування факторами, що формують оптимальний спосіб кування для даної заготовки.

Отримані результати. Розроблено ресурсозберігаючий технологічний процес, заснований на оптимальному способі кування, що дозволяє вивести на новий рівень якість проектованої продукції і призводить до підвищення техніко-економічних показників виробництва. Шляхом керування напружено-деформованого стану металу можна досягти високої якості кованих виробів та створити ресурсозберігаючі технології процесу кування поковок високолегованих марок сталей та сплавів. Метод скінченних елементів дозволяє спрогнозувати поля розподілу параметрів напружено-деформованого стану заготовки, мікроструктуру металу, розмір зерна.

Наукова новизна. Сформовано фактори, що формують раціональний ресурсозберігаючий технологічний процес пластичної формозміни і спосіб кування великих поковок з легованих, нержавіючих сталей і сплавів на гідропресах, і напрямки їх оптимізації.

Практичне застосування. Розроблені практично обґрунтовані рекомендації щодо оптимальних режимів кування злитків з інструментальних марок сталей. Це дозволить зменшити витрати енергоносіїв, заощадити час виробництва кованої продукції та в цілому інтенсифікувати процес пластичної формозміни. Запропоговані рекомендації можуть бути застосовані не лише в процесах кування інструментальних марок сталей але й при інших видах гарячої пластичної деформації металів широкої номенклатури.

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ УМОВ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНОГО ЗВАРЮВАННЯ ТОНКИХ ФОЛЬГ ПРИ ВИКОРИСТАННІ В КОНСТРУКЦІЯХ МЕМБРАННОГО ТИПУ

К. Б. Балушок — 2024-10-31

Мета роботи. Розробка оптимальної технології зварювання тонкостінних оболонок зі сталі 12Х18Н10Т (δ = 0,15 мм), що працюють при знакозмінних навантаженнях.

Методи дослідження. Для автоматичного аргонно-дугового зварювання (ААДЗ) використовувалось устаткування для орбітального зварювання, до складу якого входить джерело струму MW 2600 (фірми FRONIUS) із блоком програмного керування й зварювальна голівка закритого типу MW40. Дослідні роботи показали, що при даному виді зварювання для настільки малих товщин не вистачає концентрації зварювальної дуги, що не дозволяє стабільно формувати ванну й одержати суцільний рівномірний шов.

Для мікроплазмового зварювання використовувався спеціальний роботизований комплекс STARWELD 190H, до складу якого входять: джерело живлення чергової дуги INV 50; джерело живлення основної дуги INV 190; блок управління SIEMENS Simatic S 7-300; робот CR3-535M (MITSUBISНI); маніпулятор та плазмотрон HPH 80.

Контроль якості зварювання проводили візуальним оглядом та металографічним дослідженням. Враховуючи умови експлуатації деталей, згідно технічних умов креслення також був передбачений пневмогідравлічним метод контролю.

Отримані результати. Візуальний огляд зовнішньої поверхні зварних швів показав відсутність дефектів у вигляді пор, тріщин, раковин, не сплавлень, підрізів та ін. Геометричні розміри зварного шва відповідали вимогам нормативної документації, діючої на підприємстві. Проведені металографічні дослідження коробок мембранних, з’єднаних мікроплазмовим зварюванням, дали позитивний результат. Дефектів металургійного характеру в зварних швах не виявлено.

Практична цінність. Визначений оптимальний спосіб зварювання, що може бути застосований для виготовлення тонкостінних мембранних конструкцій, з огляду технологічності та економічної доцільності. Встановлено, що мікроплазмове зварювання дозволяє одержувати герметично щільний шов, при товщині деталей, що зварюються, близько 0,15 мм. Підтверджена працездатність зварних мембранних коробок у складі баростатичного клапана авіаційного двигуна. Встановлено, що мікроплазмове зварювання може бути застосоване при виготовленні тонкостінних оболонок зі сталі 12Х18Н10Т (δ = 0,15 мм), що працюють при знакозмінних навантаженнях. Технологічний процес зварювання впроваджений у серійне виробництво.

ОПТИМІЗАЦІЯ РЕЖИМУ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НОВОГО БІОДЕГРАДУЮЧОГО СПЛАВУ Mg-Zr-Nd З ПІДВИЩЕНИМИ МЕХАНІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

М. Д. Айкін — 2024-10-31

Мета. Розробити раціональний режим термічної обробки нового біодеградуючого магнієвого сплаву системи Mg-Zr-Nd для забезпечення підвищених механічних властивостей протягом всього періоду обробки.

Методи дослідження. Диференціально-термічний аналіз (ДТА) використовувався для визначення температур фазових перетворень. Аналіз мікроструктури проводився за допомогою оптичної мікроскопії («Neophot 32» та «OLYMPUS IX 70») та скануючої електронної мікроскопії з енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією (SELMI РЕМ-106I). Механічні властивості визначалися на випробувальній машині INSTRON 2801. Вплив швидкості охолодження на мікроструктуру та властивості вивчався за допомогою програмного забезпечення ProCAST. Термічна обробка проводилася в шахтній печі типу Bellevue та печі ПAП-4M. Рентгенівський аналіз використовувався для виявлення внутрішніх дефектів у зразках.

Результати. Розроблено новий режим термічної обробки для біодеградуючого сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn (мас.%). За допомогою диференціально-термічного аналізу та дослідження мікроструктури при різних температурах гартування встановлено оптимальну температуру гартування 560°C. Розраховано емпіричні залежності, що описують вплив параметрів термічної обробки на мікроструктуру сплаву. Новий режим термічної обробки (гартування від 560°C протягом 8 годин, охолодження на повітрі + старіння при 200°C протягом 16 годин) призвів до покращення механічних властивостей (σ_B= 276-282 МПа, δ = 5,2–5,8%) порівняно зі стандартним режимом T6.

Наукова новизна. Вперше проведено комплексне дослідження впливу параметрів термічної обробки на структуру та властивості нового сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn (мас.%) з підвищеним вмістом легуючих елементів. Встановлено нові залежності, що описують вплив температури гартування на розмір зерна сплаву.

Практична цінність. Розроблено новий режим термічної обробки біодеградуючого магнієвого сплаву, який забезпечує повне розчинення псевдоевтектичної фази та формування зміцнюючих фаз, що призводить до покращення механічних властивостей порівняно зі стандартним сплавом Mg-2,5Nd-0,4Zn-0,5Zr (мас.%) та стандартним режимом T6.