Важливою частиною виготовлення якісних заготовок з пластифікованих керамічних матеріалів методом інжекційного формування є підтримка стабільного температурного градієнту [1]. Оскільки процес заповнення форми і остигання відбувається в закритому середовищі, то дослідити його можливо лише за рахунок комп’ютерного моделювання. Так задача моделювання при розрахунку температурних полів розглядає лише половину кулі і вважається вісесиметричною, відповідно достатньо провести розрахунок для сегменту і симетрично його відобразити [2]. Експериментальне підтвердження комп’ютерних розрахунків пов’язано з випробовуваними на перерізах зразків у вигляді кулі, що проходять крізь вісь обертання. Дослідження проводились методом мікроіндентування, як непрямим, оскільки він є достатньо чутливим для визначення ущільнення матеріалу в результаті процесу заповнення форми [3].

При постановці експериментальної задачі було зроблено ряд припущень:

–    максимальне ущільнення є в центральній зоні осьового перерізу сформованої заготовки в формі кулі, де мають місце максимальне значення температури (див. рис. 1, б, г) і, відповідно, найповільніше остигання;

–    заповнення є рівномірним без можливого відриву застиглих частинок термопластичної маси біля стінок прес-форми в результаті дії гідравлічного удару;

–    при отриманні полів твердості треба чітко враховувати вісь кулі, що проходить крізь точку інжектування, для врахування впливу гравітації на однорідність пластифікованих керамічних матеріалів.

Рис. 1. Поле температури через 7 с після інжектування: 2D-зображення Ø22 (а), 3D-зображення Ø22 (б), 2D-зображення Ø36 (в), 3D-зображення Ø36 (г)

Рис. 2. 3D-зображення поля мікротвердості в площині осьового перерізу заготовки в формі кулі: а – пластифіковані керамічні матеріали на основі SiC Ø22; б – пластифіковані керамічні матеріали на основі SiC Ø36; в – пластифіковані керамічні матеріали на основі AlN Ø22; г – пластифіковані керамічні матеріали на основі AlN Ø36; д – пластифіковані керамічні матеріали на основі WC Ø22;                е – пластифіковані керамічні матеріали на основі WC Ø36

Попередньо для даних матеріалів було проведено процедуру калібрування, згідно якої було встановлено оптимальне навантаження на індентор, а також крок між уколами. Оскільки переміщення зразку відносно індентора здійснювалось за допомогою мікрометричних гвинтів крок можна було варіювати в широких діапазонах із точністю до 5 мкм. Було прийнято рішення провести серію уколів по всій поверхні перерізів із кроком 500 мкм. Перерахунок параметрів відбитка при заданому зусиллі дозволив сформувати матрицю мікротвердості та побудувати 3D-мапу розподілу по площині осьового перерізу зразка (рис. 2).

Як видно, максимальні значення мікротвердості мають місце в зоні найповільнішого застигання (див. рис. 2), що відповідає максимальному ущільненню пластифікованого керамічного матеріалу заготовки при її застиганні в прес-формі. Таким чином, утримання тиску в прес-формі протягом декількох десятків секунд після інжектування є рекомендованим технологічним рішенням, що забезпечує допресовку термопластичної маси для заготовок в формі кулі. Також було показано, що у випадку куль більшого діаметру навіть для дрібнодисперсних порошків, як у випадку AlN, WC, агломерати знаходяться в більшості в нижній частині сформованого напівфабрикату, що пов’язано із гравітаційними впливом. Більш наглядним і очевидним є випадок для зразків в формі кулі діаметром 36 мм виготовлених з пластифікованих керамічних матеріалів на основі SiC, як можна побачити з рис. 2, б основна концентрація таких агломератів є саме в нижній частині дослідних зразків, що підтверджує гравітаційну теорію, та можливо пов’язано із більш повільним застиганням пластифікованих керамічних матеріалів ніж показано в розрахунках. Середнє значення мікротвердості по перерізу наведено у таблиці.

Таблиця 1 – Середнє значення мікротвердості* по перерізу для пластифікованих керамічних матеріалів на основі SiC, SiC, WC

*– значення в таблиці наведено в МПа.

Література:

1. Визначення  параметрів процесу інжекційного формування на основі комп’ютерного моделювання / Т.О. Цисар // Вісн. НТУУ «КПІ». Сер. Машинобудування. – 2010. – №58. – С.116-121.

2. Розробка технології інжекційного лиття керамічних виробів з використанням комп’ютерного моделювання / Т.О. Псярнецька, О.Г. Кіркова, О.О. Лєщук, М.Б. Штерн, В.В. Івженко // Порошк. металургія, 2021. – №3/4. – С.28-44.

3. Мікротвердість кільцевих виробів з керамічного матеріалу  на основі SiC після інжекційного лиття / Т.О. Псярнецька, М.О. Цисар, О.О. Лєщук, Т.О. Косенчук, В.В. Івженко, В.І. Шидловський // Інструментальне матеріалознавство, 2021. – вип. 24. – С. 400-407.