Investigation on the Impact of Porosity on the Tribological and Mechanical Properties of PM Sintered Steel for Gear Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (thesis of Investigation on the Impact of Porosity on the Tribological and Mechanical Properties of PM Sintered Steel for Gear Applications) Iqinaby thesis 1.8.4 FINAL signed.pdf Restricted to Repository staff only until 19 May 2027. Download (16MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل : محمد رائد فهمي اقنيبي. عنوان الرسالة : دراسة تجريبية لتأثير نسبة المسامية على الخصائص الاحتكاكية والميكانيكية للفولاذ الملبّد من مسحوق المعدن لتطبيقات التروس. التخصص : ماجستير العلوم في الهندسة الميكانيكية. تاريخ الدرجة العلمية: أيار 2026. تُعدّ التروس من أهم العناصر الميكانيكية المستخدمة في طيف واسع من الأنظمة الهندسية والتطبيقات الصناعية. وفي السنوات الأخيرة برزت تقنية مسحوق المعادن بوصفها من أهم طرائق تصنيع التروس لما توفره من مزايا اقتصادية وتقنية. إلا أن التروس المصنّعة بهذه التقنية تعاني غالبًا من وجود المسامية، الأمر الذي ينعكس سلبًا على الاحتكاك والتآكل وبعض الخواص الميكانيكية، ومن ثم يؤثر في الكفاءة والعمر الخدمي والموثوقية. ومن بين المواد الشائعة في هذا المجال سبيكة Distaloy AQ، وهي سبيكة أساسها الحديد وتحتوي على نسب صغيرة من النيكل والموليبدينوم إلى جانب الكربون. في هذا العمل، جرى تصنيع السبيكة والعينات محليًا في مختبرات الجامعة، ثم لُبِّدت عند درجة حرارة ثابتة مقدارها 1000°م مع تغيير زمن المكوث للحصول على عينات ذات مستويات مختلفة من المسامية، مع تثبيت بقية ظروف المعالجة. وتمثل الهدف الرئيس للدراسة في تقصي أثر المسامية، المتحكم بها عبر زمن التلبيد، في الخواص الميكانيكية والتحاكية لفولاذ مسحوق المعادن المخصص لتطبيقات التروس. وقد خضعت العينات خلال مراحل التصنيع لفحوصات SEM وEDS، كما شملت مرحلة ما بعد التلبيد والتجهيز فحوصات OES وXRD وقياسات الخشونة السطحية واختبارات الصلادة والصلابة النانوية واختبارات الاحتكاك والتآكل. أظهرت النتائج أن التركيب الكيميائي والبنية البلورية بقيا متقاربين إلى حد كبير عند جميع أزمنة التلبيد، في حين تمثل الاختلاف الأبرز بين العينات في مستوى المسامية. وقد أدى ازدياد زمن التلبيد إلى خفض المسامية، وتحسين تجانس السطح، وتقليل الخشونة. ومن الناحية الميكانيكية، ارتبطت أزمنة التلبيد الأطول بانخفاض الصلادة وظهور استجابة سطحية أكثر ليونة بسبب اكاسيد السطح، في حين بينت نتائج التحاك أن العينات الأقل مسامية أظهرت احتكاكًا أقل ومقاومة أفضل للتآكل بوجه عام. ومع أن سلوك الاحتكاك والتآكل لم يتبع علاقة خطية تامة بسبب التداخل بين تأثيرات المسامية والأكسدة والصلادة، فإن الاتجاه العام كان واضحًا في تحسن الأداء مع انخفاض المسامية. وقد تبين أن العينات الملبدة لمدة ساعتين حققت أفضل توازن بين الخواص الميكانيكية والتحاكية، دون ظهور فائدة عملية واضحة من إطالة زمن التلبيد بعد ذلك، إذ أصبح التحسن في سلوك الاحتكاك والتآكل محدودًا بعدها، والزمن الاقصر يكون أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية لما يحققه من تقليل في زمن التشغيل واستهلاك الطاقة والكلفة الإنتاجية. وبناءً على ذلك، تؤكد هذه الدراسة أن التحكم بزمن التلبيد يمثل وسيلة عملية وفعالة لضبط المسامية والتكلفة وتحسين أداء فولاذ مسحوق المعادن في تطبيقات التروس.

English Abstract

Full Name : Mohammad Raed Fahmi Iqnaibi Thesis Title : Investigation on the Impact of Porosity Ratio on the Tribological and Mechanical Properties of PM Sintered Steel for Gear Applications Major Field : Mechanical Engineering- Materials and Manufacturing Date of Degree: May 2026 Powder metallurgy (PM) gears are widely used in automotive and industrial applications because they are economical, suitable for mass production, and capable of producing near-net-shape components. However, PM gears contain porosity, which can negatively affect friction, wear, and mechanical performance, especially under dry contact conditions. Therefore, controlling porosity is essential to achieve acceptable strength, durability, and service life in gear applications with affordable manufacturing cost. In this work, Distaloy AQ steel specimens were manufactured locally and sintered at a constant temperature of 1000°C for different holding times in order to obtain different porosity levels while keeping the other processing parameters unchanged. The aim was to investigate how porosity, controlled through sintering time, affects the mechanical and tribological behavior of PM sintered steel intended for gear applications. The samples were characterized throughout the manufacturing stages using SEM and EDS, while post-sintering evaluation included OES, XRD, hardness testing, nanoindentation, roughness measurement, and friction and wear tests. The results showed that the chemical composition and crystal structure remained almost unchanged for all sintering times, whereas the main microstructural difference between the samples was the porosity level. Increasing sintering time generally reduced porosity, improved surface homogenization, and lowered roughness. Mechanically, longer sintering times led to lower hardness and a softer local response due to oxide presence at surface, while the tribological results showed that lower-porosity samples generally exhibited lower friction and better wear resistance. Friction and wear behavior did not follow a perfectly linear trend because of the combined effects of porosity, oxidation, and hardness. However, the general trend indicated that samples with lower porosity exhibited better wear resistance and friction behavior. The samples sintered for 2 hours showed the best overall balance of mechanical and tribological properties, with no clear benefit from extending the sintering time further, since the improvement in friction and wear behavior became very limited beyond about 2 hours. In addition, from an economic point of view, a shorter sintering time with nearly similar performance is more favorable. These findings indicate that controlling sintering time is an effective and practical way for controlling porosity, needed energy and improve the performance of PM steel for gear applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Research > Corrosion Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Ahmed Sarhan,
Thesis Committee Members:	Ammar Alzaydi, Usman Ali,
Depositing User:	MOHAMMAD IQNAIBI (g202320670)
Date Deposited:	20 May 2026 07:27
Last Modified:	20 May 2026 07:27
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144373