Effect of powder shape and size on the properties of low- viscosity iron-based feedstock used in low-pressure powder injection molding

Majdi, Seyed Mohammad (2021). Effect of powder shape and size on the properties of low- viscosity iron-based feedstock used in low-pressure powder injection molding. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Low-pressure powder injection molding (LPIM) is a cost-effective advanced manufacturing technology to produce low or high production volumes of complex-shaped metal parts with good mechanical properties. Although there has been some study conducted on sphericalshaped metal powders, there is a poor understanding of the application of irregularly-shaped metal powders on the physical and micro-structural such as density of the sintered components produced by LPIM. The current research work presents an experimental approach to investigate the effect of powder shape and size on the properties of metallic parts fabricated by LPIM. Four low-viscosity feedstocks were prepared using three irregularly-shaped iron powders, sieved in three mesh sizes, and labeled as -10, -20, -45 μm, and one spherical carbonyl iron powder (CIP) with an average particle size of 4 m. The binder system consisted of 1 vol. % of stearic acid, 2 vol. % of carnauba wax, 2 vol. % of ethylene-vinyl acetate for their surfactant, demolding, and thickening effects, respectively, and where the balance of the binder was constituted of paraffin wax. Rectangular specimens were injected at constant volumetric flow and thermally wick-debound and sintered at high temperatures under a hydrogen atmosphere. The feedstock viscosity profiles were obtained using a rotational rheometer. The density of powder, polymeric binders, and feedstock were measured using a gas pycnometer. The melting point of the feedstocks and the binders' burnout temperatures were obtained using differential scanning calorimetry tests (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA), respectively. The density of sintered specimens was measured using the oilimpregnation method based on Archimedes’ principle. Finally, the debinding network and metallographic observations of the sintered parts were performed using a scanning electron microscope (SEM) and optical microscope, respectively. It has been shown that the -45 μm mesh irregular iron-based powder can be blended at higher solid loading as compared to -10 μm powder resulting in a slight increase in the relative density that was correlated with metallographic analysis showing a higher level of isolated pores in sintered part.

Titre traduit

Effet de la forme et de la taille de la poudre sur les propriétés des mélanges faible viscosité à base de fer utilisés dans le moulage par injection des poudres à basse pression

Résumé traduit

Le moulage par injection de poudre basse pression (LPIM) est une technologie avancée de fabrication rentable pour produire des volumes de production faibles ou élevés de pièces métalliques de forme complexe avec de bonnes propriétés mécaniques. Bien qu'il y ait eu quelques études menées sur les poudres métalliques de forme sphérique, il y a une mauvaise compréhension de l'application des poudres métalliques de forme irrégulière sur les propriétés mécaniques et la densité des composants frittés produits par LPIM. Les travaux de recherche de ce projet présentent donc une approche expérimentale pour étudier l'effet de la forme et de la taille de la poudre sur les propriétés des pièces métalliques fabriquées par LPIM. Quatre mélanges poudre-liant de faible viscosité ont été préparés en utilisant trois poudres de fer de forme irrégulière, tamisées suivant trois tailles de maille et étiquetées comme -10, -20, -45 μm, et une poudre de fer carbonyle sphérique (CIP) avec une taille moyenne de 4 μm. Le système de liant était composé de 1 vol. % d'acide stéarique, 2 vol. % de cire de carnauba, 2 vol. % d'éthylène-acétate de vinyle pour leurs effets tensioactifs, démoulants et épaississants, respectivement, et le reste du liant était composé de cire de paraffine. Des échantillons rectangulaires ont été injectés à débit volumétrique constant et déliantés thermiquement dans un média mèche et frittés à haute température sous hydrogène. Les profils de viscosité des mélanges ont été obtenus en utilisant un rhéomètre rotatif. La densité de la poudre, des liants polymériques et des mélanges ont été mesurés en utilisant un pycnomètre à gaz. En outre, pour obtenir le point de fusion des matières premières et la température de dégradation du liant, un test de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et une analyse thermogravimétrique (TGA) ont été effectués, respectivement. La densité des échantillons frittés a été mesurée en utilisant la méthode d’imprégnation à l’huile basée sur le principe d’Archimède. Enfin, la structure du réseau délianté et les observations métallographiques des pièces frittées ont été réalisées à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM) et d'un microscope optique, respectivement. Il a été montré qu'une poudre irrégulière à base de fer de -45 μm peut être mélangée avec une fraction volumique supérieure à la poudre -10 μm, ce qui entraîne une légère augmentation de la densité relative qui est corrélée avec l'analyse métallographique montrant un niveau plus élevé de pores isolés de la pièce frittée.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 61-68).
Mots-clés libres:	moulage par injection de poudre basse pression (LPIM), poudre de fer, particules irrégulières, liants, déliantage, température de pré-frittage, frittage
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Codirecteur:	Codirecteur Brailovski, Vladimir
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	10 janv. 2022 17:24
Dernière modification:	10 janv. 2022 17:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2812

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