cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2025-2-66-75cvmet-1692Research ArticleЛитейное производствоFoundryИсследование влияния режимов получения слитков методом непрерывно-пошагового литья вверх на структуру и свойства антифрикционной бронзы БрО10С2Н3Structure and properties of C92900 antifriction bronze produced by upward continuous castinghttps://orcid.org/0009-0002-5289-9735МитеваЛ. Д.MitevaL. D.

Людмила Димитровна Митева – аспирант кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ)

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Ludmila D. Miteva – Postgraduate Student, Department of Foundry Technologies and Material Art Working (FT&MAW)

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

miteva.ld@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3326-7778ТитовА. Ю.TitovA. Yu.

Андрей Юрьевич Титов – к.т.н., доцент кафедры ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Andrey Yu. Titov – Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

titov.ay@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0465-7865БарановИ. И.BaranovI. I.

Иван Ильич Баранов – аспирант кафедры ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Ivan I. Baranov – Postgraduate Student, Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

baranov.ii@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9517-5871БазловаТ. А.BazlovaT. A.

Татьяна Алексеевна Базлова – к.т.н., доцент кафедры ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Tatiana A. Bazlova – Cand. Sci. (Eng.), Docent, Associate Professor, Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

bazlova.ta@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5399-0330НикитинаА. А.NikitinaA. A.

Анна Андреевна Никитина – учебный мастер 1-й категории кафедры ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Anna A. Nikitina – Laboratory Assistant, Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

a.nikitina@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3607-8144БеловВ. Д.BelovV. D.

Владимир Дмитриевич Белов – д.т.н., профессор, зав. кафедрой ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Vladimir D. Belov – Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

vdbelov@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian Federation2025270620253126675Copyright © Митева Л.Д., Титов А.Ю., Баранов И.И., Базлова Т.А., Никитина А.А., Белов В.Д., 20252025Митева Л.Д., Титов А.Ю., Баранов И.И., Базлова Т.А., Никитина А.А., Белов В.Д.Miteva L.D., Titov A.Y., Baranov I.I., Bazlova T.A., Nikitina A.A., Belov V.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1692

Антифрикционные оловянные бронзы используются в авиастроении для изготовления деталей, работающих в узлах трения при повышенных температурах. Это обусловлено хорошим сочетанием антифрикционных, механических и коррозионных свойств сплава. В частности, в таких изделиях широко используется оловянная бронза БрО10С2Н3. Из нее изготавливают узлы систем торможения и детали плунжерных насосов. В настоящее время детали из этой бронзы производят механической обработкой слитка, полученного наполнительным литьем с направленной кристаллизацией. Однако такой способ имеет низкий коэффициент использования материала, который составляет 5–15 %. Наиболее перспективным методом получения слитков из бронзы БрО10С2Н3 является непрерывно-пошаговое литье вверх, которое позволяет максимально приблизить размеры слитка к размеру детали, что значительно сокращает трудоемкость механической обработки и повышает коэффициент использования металла до 95 %. В настоящей работе приведены результаты отработки режимов литья слитков диаметром 15 мм из оловянной бронзы БрО10С2Н3 по этой технологии. Также исследованы их структура и свойства. Показано, что с увеличением скорости литья с 90 до 360 мм/мин в слитках возрастает объемная доля интерметаллидной фазы γ-Cu3Sn, а количество твердого раствора на основе олова практически не изменяется. При этом распределение фаз в бронзе становится более дисперсным. Макроструктура бронзы состоит из столбчатых и равноосных кристаллов. С увеличением скорости литья столбчатые кристаллы меняют свой наклон относительно направления теплоотвода, твердость возрастает с 127 ± 2,73 до 136 ± 4,25 HB, а предел прочности и относительное удлинение незначительно повышаются при скорости литья до 250 мм/мин, а затем снижаются при 360 мм/мин, что связано с приближением макроструктуры к транскристаллитной форме. В работе также проанализированы дефекты (ужимины и ликваты) в слитках, полученных при скорости литья 150 мм/мин, и причины их возникновения. В заключение сформулированы рекомендации по режимам литья слитков диаметром 15 мм при непрерывно-пошаговом литье вверх. 

Antifriction tin bronzes are used in the aerospace industry to manufacture components that operate in friction assemblies at elevated temperatures. This is due to the alloy’s favorable combination of antifriction, mechanical, and corrosion properties. In particular, tin bronze C92900 (alloy Cu–10Sn–3Ni–2Pb (wt. %)) is widely used in such applications. It is employed in the production of braking system components and plunger pump parts. Currently, these parts are manufactured by machining ingots produced through casting with directional solidification. However, this method has a low material utilization rate, typically between 5 % and 15 %. The most promising method for producing C92900 ingots is upward continuous casting technology, which allows the ingot dimensions to closely match those of the finished part. This significantly reduces machining effort and increases metal utilization to 95 %. This study presents the results of process development for the upward continuous casting technology of 15 mm diameter C92900 ingots. The structure and properties of the castings were also investigated. It was shown that as the casting speed increased from 90 to 360 mm/min, the volume fraction of the γ-Cu3Sn intermetallic phase increased, while the amount of tin-based solid solution remained nearly unchanged. At the same time, the phase distribution became more refined. The macrostructure consisted of columnar and equiaxed grains. As the casting speed increased, the columnar grains became more tilted relative to the direction of heat removal. The hardness increased from 127 ± 2.73 to 136 ± 4.25 HB, and the tensile strength and elongation slightly increased up to 250 mm/min, then decreased at 360 mm/min, which was associated with the macrostructure approaching a transcrystalline form. The study also examined shrinkage cavities and segregation defects in ingots cast at 150 mm/min and analyzed their causes. Finally, the paper provides recommendations for optimal casting parameters for 15 mm diameter ingots produced by upward continuous casting technology

непрерывно-пошаговое литье вверхантифрикционная бронзаБрО10С2Н3механические свойствадефекты в слиткахupward continuous casting technologyantifriction bronzeC92900mechanical propertiesingot defectsReferencesГруздева И.А., Сулицин А.В., Мысик Р.К., Сокунов Б.А. Влияние электромагнитного перемешивания на структуру и свойства оловянных бронз. Литейщик России. 2006;(11):27—29. GGruzdeva I.A., Sulitsyn A.V., Mysik R.K., Sokunov B.A. Effect of electromagnetic mixing on tin bronze structure and properties. Liteishik Rossii. 2006;(11):27—29. (In Russ.).Song K., Zhou Y., Zhao P., Zhang Y., Bai N. Cu—10Sn—4Ni—3Pb alloy prepared by crystallization under pressure: An experimental study. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2013;26(2):199—205. https://doi.org/10.1007/s40195-012-0118-0Song K., Zhou Y., Zhao P., Zhang Y., Bai N. Cu—10Sn—4Ni—3Pb alloy prepared by crystallization under pressure: An experimental study. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2013;26(2):199—205. https://doi.org/10.1007/s40195-012-0118-0Герасименко Е.А., Коновалов А.Н., Белов В.Д. О затвердевании слитков из бронзы Бр010С2Н3 при литье в изложницы с донным водяным охлаждением. Литейщик России. 2013;(7):15–17.Gerasimenko E.A., Konovalov A.N., Belov V.D. On solidification of ingots from bronze C92900 when casting in bottom water-cooled casters. Liteishchik Rossii. 2013;(7):15-17.Ozerdem M.S., Kolukisa S. Artificial neural network approach to predict the mechanical properties of Cu—Sn—Pb—Zn—Ni cast alloys. Materials & Design. 2009;30(3):764—769. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2008.05.019Ozerdem M.S., Kolukisa S. Artificial neural network approach to predict the mechanical properties of Cu—Sn—Pb—Zn—Ni cast alloys. Materials & Design. 2009;30(3):764—769. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2008.05.019Белов В.Д., Герасименко Е.А., Гусева В.В., Коновалов А.Н. Влияние условий затвердевания заготовок из оловянистой бронзы БРО10С2Н3 на ее структуру. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016;(2):26—33. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-2-26-33Belov V.D., Gerasimenko E.A., Guseva V.V., Konovalov A.N. Effect of solidification conditions for castings of BrO10S2N3 tin bronze on their structure. Izvestiya. NonFerrous Metallurgy. 2016;(2):26—33. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-2-26-33Ежов Ю.А., Железняк Л.М. Улучшение качества непрерывнолитых слитков сложнолегированных латуней и бронз. В сб: Сборник трудов XVII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (5—9 декабря 2016 г.). Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2016. Ч. 1. С. 19—23.Ежов Ю.А., Железняк Л.М. Улучшение качества непрерывнолитых слитков сложнолегированных латуней и бронз. В сб: Сборник трудов XVII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (5—9 декабря 2016 г.). Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2016. Ч. 1. С. 19—23.Баженов В.Е., Титов А.Ю.. Шкалей И.В., Марукович Е.И., Плисецкая И.В., Мезрин А.М., Колтыгин А.В., Белов В.Д. Юдин В.А. Исследование влияния скорости литья на структуру и свойства прутков из бронзы БрО10С2Н3. Металлург. 2021;(7):44—51.Bazhenov V.E., Titov A.Yu., Shkalei I.V., Marukovich E.I., Plisetskaya I.V., Mezrin А.M., Koltygin A.V., Belov V.D., Yudin V.A. Investigation of effect of casting speed on structure and properties of bronze rods C92900 obtained by continuous casting upwards. Metallurgist. 2021;65(7-8):735—745. https://doi.org/10.52351/00260827_2021_07_44Таволжанский С.А., Пашков И.Н. Особенности непрерывного литья заготовок малого сечения из сплавов на основе меди. Металлург. 2020;64(9-10): 74—80.Tavolzhanskiy S.A., Pashkov I.N. Features of the continuous casting of small-section billets from copperbased alloys. Metallurgist. 2021;64(9-10):1068—1076. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01088-yТаволжанский С.А., Пашков И.Н., Колетвинов К.Ф. Особенности непрерывного литья заготовок малого сечения из сплавов на основе меди Литейщик России. 2020;(12):18—23.Tavolzhanskiy S.A., Pashkov I.N., Koletvinov K.F. Features of continuous casting of small-section billets from copper-based alloys. Liteyshik Rossii. 2020;(12):18— 23. (In Russ.).Якубович Е.А. Особенности формирования двухфазной зоны слитка при непрерывном литье. Современные материалы, техника и технологии. 2016;3(4):144—148.Yakubovich E.A. Peculiarities of two-phase ingot zone formation at continuous casting. Sovremennye materialy, tehnika i tehnologii. 2016;3(4):144—148. (In Russ.).Gupta R., Srivastava S., Kumar N.K., Panthi S.K. High leaded tin bronze processing during multi-directional forging: Effect on microstructure and mechanical properties. Materials Science and Engineering: A. 2016;654:282—291. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.12.068Gupta R., Srivastava S., Kumar N.K., Panthi S.K. High leaded tin bronze processing during multi-directional forging: Effect on microstructure and mechanical properties. Materials Science and Engineering: A. 2016;654:282—291. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.12.068Potekhin B.A., Ilyushin V.V., Khristolyubov A.S., Zhilyakov A.Yu. Formation of structure and properties of composite bronzes reinforced by steel dendrites. The Physics of Metals and Metallography. 2014;115(4): 413—419. https://doi.org/10.1134/S0031918X14010128Potekhin B.A., Ilyushin V.V., Khristolyubov A.S., Zhilyakov A.Yu. Formation of structure and properties of composite bronzes reinforced by steel dendrites. The Physics of Metals and Metallography. 2014;115(4): 413—419. https://doi.org/10.1134/S0031918X14010128Ludwig A., Gruber-Pretzler M., Wu M., Kuhn A., Riedle J. About the formation of macrosegregations during continuous casting of Sn-bronze. Fluid Dynamics & Materials Processing. 2005;1(4):285—300. https://doi.org/10.3970/fdmp.2005.001.285Ludwig A., Gruber-Pretzler M., Wu M., Kuhn A., Riedle J. About the formation of macrosegregations during continuous casting of Sn-bronze. Fluid Dynamics & Materials Processing. 2005;1(4):285—300. https://doi.org/10.3970/fdmp.2005.001.285Kreil A., Vosskühler H., Walter K. The continuous casting of copper and its alloys. Metallurgical Reviews. 1960;5(1):413—446. https://doi.org/10.1179/mtlr.1960.5.1.413Kreil A., Vosskühler H., Walter K. The continuous casting of copper and its alloys. Metallurgical Reviews. 1960;5(1):413—446. https://doi.org/10.1179/mtlr.1960.5.1.413Korchmit A.V., Martyushev N.V., Drozdov Yu.Yu. The influence of the pouring temperature on the structure andproperties of copper metal alloys. Key Engineering Materials. 2016;685:450—454. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.685.450Korchmit A.V., Martyushev N.V., Drozdov Yu.Yu. The influence of the pouring temperature on the structure andproperties of copper metal alloys. Key Engineering Materials. 2016;685:450—454. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.685.450Мальцева Л.А., Гриб С.В., Столбовский А.В. Ликвация в сплавах. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2006. 21 с.Мальцева Л.А., Гриб С.В., Столбовский А.В. Ликвация в сплавах. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2006. 21 с.Scott D.A., Schwab R. Metallography in archaeology and art. The Structure of Metals and Alloys. 2019:69—261. https://doi.org/10.1007/978-3-030-11265-3Scott D.A., Schwab R. Metallography in archaeology and art. The Structure of Metals and Alloys. 2019:69—261. https://doi.org/10.1007/978-3-030-11265-3Мысик Р.К., Сулицин А.В., Брусницын С.В., Ожгихин И.В. Проблемы производства литых заготовок из меди. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2014;7(4):394—399.Mysik R.K., Sulicin A.V., Brusnicyn S.V., Ozhgihin I.V. Problems of production of copper castings. Zhurnal Sibirskogo federalnogo universiteta. Seriya: Tehnika i tehnologii. 2014;7(4):394—399. (In Russ.).Kim Y.-Y., Kim H.-S. Prediction of grain structure of thin bronze slab produced by horizontal continuous casting. Metals and Materials International. 2019;25:465—472. https://doi.org/10.1007/s12540-018-00231-wKim Y.-Y., Kim H.-S. Prediction of grain structure of thin bronze slab produced by horizontal continuous casting. Metals and Materials International. 2019;25:465—472. https://doi.org/10.1007/s12540-018-00231-wБаженов В.Е., Титов А.Ю., Шкалей И.В., Санников А.В., Таволжанский С.А., Мезрин А.М., Колтыгин А.В., Никитина А.А., Плисецкая И.В., Белов В.Д., Юдин В.А. Исследование свойств бронзы БРО10С2Н3, полученной наполнительным литьем, непрерывным литьем вверх и горячей экструзией. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021;27(3):24—36. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-3-24-36Bazhenov V.E., Titov A.Yu., Shkalei I.V., Sannikov A.V., Tavolzhanskii S.A., Mezrin A.M., Koltygin A.V., Nikitina A.A., Plisetskaya I.V., Belov V.D., Yudin V.A. Investigation of C92900 bronze properties obtained by permanent mold casting, continuous upcasting and hot extrusion. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy. 2021;(3):24—36. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-3-24-36Sergejevs A., Kromanis А., Ozolins Ya., Gerins E. Influence of casting velocity on mechanical properties and macro-structure of tin bronzes. Key Engineering Materials. 2016;674:81—87. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.674.81Sergejevs A., Kromanis А., Ozolins Ya., Gerins E. Influence of casting velocity on mechanical properties and macro-structure of tin bronzes. Key Engineering Materials. 2016;674:81—87. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.674.81Колетвинов К.Ф., Таволжанский С.А., Пашков И.Н. Получение заготовок высокотемпературных припоев на медной основе методом непрерывного литья вверх. Литейщик России. 2015;(11):29—31.Koletvinov K.F., Tavolzhanskij S.A., Pashkov I.N. Obtaining copper-based high-temperature solder blanks by continuous up-casting method. Liteyshik Rossii. 2015;(11):29—31. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.