Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства бронзы БрО10С2Н3

В машиностроении для изготовления деталей, работающих на трение, применяются антифрикционные оловянные бронзы. В частности, бронза БрО10С2Н3 нашла применение в узлах системы торможения самолетов. Одним из способов повышения свойств оловянно-свинцовых бронз является увеличение скорости охлаждения при кристаллизации. В настоящей работе исследовали влияние скорости охлаждения и изменения содержания легирующих элементов (в пределах, установленных ОСТ 1 90054-72) на свойства бронзы БрО10С2Н3. Для обеспечения различной скорости охлаждения приготовленные сплавы заливали в формы из холодно-твердеющий смеси, стали и графита, для которых скорость охлаждения составила 0,4, 5,0 и 14,6 °С/с соответственно. Изучали влияние скорости охлаждения и состава бронзы на интервал кристаллизации, макроструктуру, микроструктуру, теплопроводность, механические и трибологические свойства. С помощью дифференциально-термического анализа было показано, что легирование бронзы БрО10С2Н3 по верхнему пределу приводит к снижению температуры солидуса на 40 °С, что следует учитывать при деформационной и термической обработках. Увеличение скорости охлаждения при затвердевании слитков из бронзы БрО10С2Н3 приводит к значительному измельчению зерна, изменяет количество, размер и морфологию фаз. Так, например, при литье в металлическую и графитовую формы уменьшается размер и повышается сферичность частиц свинца. Изменение содержания Sn в пределах, установленных ОСТ, оказывает значительное влияние на долю интерметаллической фазы γ-(Cu,Ni)₃Sn. Увеличение скорости охлаждения практически не влияет на теплопроводность бронзы БрО10С2Н3, но приводит к повышению твердости на 30 HB, а также предела текучести и предела прочности при испытаниях на растяжение. Трибологические исследования, проведенные по схеме «вал – частичный вкладыш» в среде керосина со стальным контртелом, показали, что увеличение скорости охлаждения при затвердевании приводит к повышению интенсивности изнашивания бронзы с ~0,4·10^–8 до ~1,2·10^–8, а изменение состава в пределах ОСТ практически не влияет на интенсивность изнашивания, но вызывает небольшой рост коэффициента трения.

1. Груздева И.А., Сулицын А.В., Мысик Р.К., Сокунов Б.А. Влияние электромагнитного перемешивания на структуру и свойства оловянных бронз. Литейщик России. 2006. No. 11. С. 27—29. Gruzdeva I.A., Sulitsyn A.V., Mysik R.K., Sokunov B.A. The effect of electromagnetic stirring on the structure and properties of tin bronzes. Liteishchik Rossii. 2006. No. 11. Р. 27—29 (In Russ.).

2. Song K., Zhou Y., Zhao P., Zhang Y., Bai N. Cu—10Sn— 4Ni—3Pb alloy prepared by crystallization under pressure: An experimental study. Acta Metall. Sin. 2013. Vol. 26. P. 199—205.

3. Белов В.Д., Герасименко Е.А., Гусева В.В., Коновалов А.Н. Влияние условий затвердевания заготовок из оловянистой бронзы БрО10С2Н3 на ее структуру. Литейное производство. 2016. No. 2. С. 26—33. Belov V.D., Gerasimenko E.A., Guseva V.V., Konovalov A.N. Influence of solidification conditions of tin bronze BrO10S2N3 parts on its structure. Liteinoe proizvodstvo. 2006. No. 2. Р. 26—33 (In Russ.).

4. Ozerdem M.S., Kolukisa S. Artificial neural network approach to predict the mechanical properties of Cu— Sn—Pb—Zn—Ni cast alloys. Mater. Design. 2009. Vol. 30. P. 764—769.

5. Бронтвайн Л.Р. Исследование механических свойств бронзы в зависимости от способа литья. Литейное производство. 1966. No. 12. С. 31. Brontvain L.R. Investigation of the mechanical properties of bronze depending on the casting method. Liteinoe proizvodstvo. 1966. No. 12. Р. 31 (In Russ.).

6. Nyyssцnen T. Leaded tin bronzes: The effects of casting method on dry sliding behavior. Tribologia — Finnish Journal of Tribology. 2012. Vol. 31. P. 4—11.

7. Chen X., Wang Z., Ding D., Tang H., Qiu L., Luo X., Shi G. Strengthening and toughening strategies for tin bronze alloy through fabricating in-situ nanostructured grains. Mater. Design. 2015. Vol. 66. P. 60—66.

8. Prasad B.K., Patwardhan A.K., Yegneswaran A.H. Factors controlling dry sliding wear behaviour of a leaded tin bronze. Mater. Sci. Technol. 1996. Vol. 12. P. 427— 435.

9. Prasad B.K. Sliding wear behaviour of bronzes under varying material composition, microstructure and test conditions. Wear. 2004. Vol. 257. P. 110—123.

10. Equey S., Houriet A., Mischler S. Wear and frictional mechanisms of copper-based bearing alloys. Wear. 2011. Vol. 273. P. 9—16.

11. Aksoy M., Kuzucu V., Turhan H. A note on the effect of phosphorus on the microstructure and mechanical properties of leaded-tin bronze. J. Mater. Process. Technol. 2002. Vol. 124. P. 113—119.

12. Белоусов А.А., Пастухов Э.А., Ченцов В.П. Влияние растворенного никеля и температуры на кинетику окисления свинцовистых безоловянных бронз. Расплавы. 2005. No. 2. С. 8—10. Belousov A.A., Pastukhov E.A., Chentsov V.P. Influence of dissolved nickel and temperature on the oxidation kinetics of lead tin free bronzes. Rasplavy. 2005. No. 2. Р. 8—10 (In Russ.).

13. Рыжиков А.А., Тимофеев Г.И., Лебедев П.В. Особенности затвердевания отливок из оловянистой бронзы. Литейное производство. 1968. No. 9. С. 23—25. Ryzhikov A.A., Timofeev G.I., Lebedev P.V. Features of tin bronze castings solidification. Liteinoe proizvodstvo. 1968. No. 9. Р. 23—25 (In Russ.).

14. Вершинин П.И., Севастьянов В.И., Бакрин Ю.Н. Влияние интенсификации охлаждения на структуру и свойства отливок из оловянной бронзы. Литейное производство. 1986. No. 5. С. 8—9. Vershinin P.I., Sevast’yanov V.I., Bakrin Yu.N. Effect of cooling intensification on the structure and properties of tin bronze castings. Liteinoe proizvodstvo. 1986. No. 5. Р. 8—9 (In Russ.).

15. Семёнов К.Г., Колосков В.Ф., Чурсин В.М. Разработка технологии производства качественных отливок из чушковых оловянных бронз. Литейное производство. 1994. No. 7. С. 10—12. Semenov K.G., Koloskov V.F., Chursin V.M. Development of the production technology of high-quality castings from tin bronze ingots. Liteinoe proizvodstvo. 1994. No. 7. Р. 10—12 (In Russ.).

16. Бронтвайн Л.Р., Городецкий В.Н. Герметичность литейных медных сплавов. Литейное производство. 1985. No. 10. С. 14—16. Brontvain L.R., Gorodetskii V.N. Soundness of casting copper alloys. Liteinoe proizvodstvo. 1985. No. 10. Р. 14— 16 (In Russ.).

17. Фетисов Н.М., Рюмшин Н.А., Супоницкий В.М., Литовченко В.И., Репина Н.И., Рудницкая В.Л., Белозёров В.Ф. Влияние теплоаккумулирующей способности формы на структуру и свойства отливок из бронзы БрОЦС 4-4-17. Литейное производство. 1973. No. 9. С. 24—26. Fetisov N.M., Ryumshin N.A., Suponitskii V.M., Litovchenko V.I., Repina N.I., Rudnitskaya V.L., Belozerov V.F. Influence of mold heat capacity on the structure and properties of BrOCS 4-4-17 bronze castings. Liteinoe proizvodstvo. 1973. No. 9. Р. 24—26 (In Russ.).

18. Ruusila V., Nyyssonen T., Kallio M., Vuorinen P., Lehtovaara A., Valtonen K., Kuokkala V.-T. The effect of microstructure and lead content on the tribological properties of bearing alloys. In: Proc. Institution of Mechanical Engineers, Pt. J: Journal of Engineering Tribology. 2013. Vol. 227. P. 878—887.

19. Бронтвайн Л.Р., Горовецкий В.Н. Исследование износостойкости сплавов на медной основе. Литейное производство. 1981. No. 10. С. 8—9. Brontvain L.R., Gorovetskii V.N. Study of wear resistance of copper-based alloys. Liteinoe proizvodstvo. 1981. No. 10. Р. 8—9 (In Russ.).

20. Мартюшев Н.В., Плотникова Н.В., Скиба В.Ю., Попелюх А.И., Семенков И.В. Влияние скорости охлаждения бронзы БрОС10-10 на структуру, фазовый со став и циклическую долговечность отливок. Обработка металлов. 2012. No. 3. С. 67—70. Martyushev N.V., Plotnikova N.V., Skiba V.Yu., Popelyukh A.I., Semenkov I.V. Influence of the BrOS10-10 bronze cooling rate on the structure, phase composition and cyclic durability of castings. Obrabotka metallov. 2012. No. 3. Р. 67—70 (In Russ.).

21. Мартюшев Н.В., Семенков И.В. Структура и свойства бронзовых отливок при различных скоростях охлаждения. Современные проблемы науки и образования. 2012. No. 6. С. 1—6. Martyushev N.V., Semenkov I.V. Structure and properties of bronze castings at different cooling rates. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2012. No. 6. Р. 1—6 (In Russ.).

22. Martyushev N., Semenkov I.V., Petrenko Y.N. Structure and properties of leaded tin bronze under different crystallization conditions. Adv. Mater. Res. 2013. Vol. 872. P. 89—93.

23. Мартюшев Н.В. Влияние морфологии включений легкоплавкой фазы на триботехнические свойства бронз. Приволжский научный вестник. 2011. No. 2. С. 8—11. Martyushev N.V. Influence of the low-melting phase inclusions morphology on the tribotechnical properties of bronzes. Privolzhskii nauchnyi vestnik. 2011. No. 2. Р. 8— 11 (In Russ.).

24. Yan P., Wang D., Yan B., Mo F. Effect of size refinement and distribution of the lubricating lead phases in the spray forming high-leaded tin bronze on wear rates. Mod. Phys. Lett. B. 2013. Vol. 27. P. 1341019.

25. Image processing and analysis in Java. URL: https:// imagej.nih.gov/ij/docs/menus/analyze.html (accessed: 19.02.2020).

26. Zheng X., Cahill D., Krasnochtchekov P., Averback R., Zhao J. High-throughput thermal conductivity measurements of nickel solid solutions and the applicability of the Wiedemann—Franz law. Acta Mater. 2007. Vol. 55. P. 5177—5185.

27. Andersson J.O., Helander T., Hцglund L., Shi P.F., Sundman B. Thermo-Calc and DICTRA, Computational tools for materials science. CALPHAD. 2002. Vol. 26. P. 273—312.

28. Thermo-Calc Software TCBIN Binary alloys database (accessed: 01.01.2020).

29. Park J.S., Park C.W., Lee K.J. Implication of peritectic composition in historical high-tin bronze metallurgy. Mater. Character. 2009. Vol. 60. P. 1268—1275.

30. Guo Z., Jie J., Liu S., Liu J., Yue S., Zhang Y., Li T. Solidification characteristics and segregation behavior of Cu—15Ni—8Sn alloy. Metall. Mat. Trans. A. 2020. Vol. 51. P. 1229—1241.

31. Turhan H., Aksoy M., Kuzucu V., Yildirim M.M. The effect of manganese on the microstructure and mechanical properties of leaded-tin bronze. J. Mater. Process. Technol. 2001. Vol. 114. P. 207—211.

32. Mey S. Thermodynamic re-evaluation of the Cu—Ni system. CALPHAD. 1992. Vol. 16. P. 255—260.

33. Scheil E. Bemerkungen zur Schichtkristallbildung. Zeit. Metallkunde. 1942. Bd. 34. S. 70—72.

34. Alpas A.T., Zhang J. Effect of microstructure (particulate size and volume fraction) and counterface material on the sliding wear resistance of particulate-reinforced aluminum matrix composites. Metal. Mater. Trans. A. 1994. Vol. 25. P. 969—983.

35. Андрусенко О.Е., Матвеев Ю.И. Требование к материалам антифрикционного слоя, используемым при восстановлении подшипников скольжения коленчатых валов. Вестник АГТУ. Сер. Морская техника и технология. 2009. No. 1. С. 50—55. Andrusenko O.E., Matveev Yu.I. Requirement for the materials of the anti-friction layer used in the restoration of plain bearings of crankshafts. Vestnik AGTU. Ser. Morskaya tekhnika i tekhnologiya. 2009. No. 1. Р. 50—55 (In Russ.).

36. Куликова Т.В., Быков В.А., Шуняев К.Ю., Ягодин Д.А., Петрова С.А., Захаров Р.Г. Исследование термодинамических и теплофизических свойств интерметаллида Cu3Sn. Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 27. No. 16. С. 72—78. Kulikova T.V., Bykov V.A., Shunyaev K.Yu., Yagodin D.A., Petrova S.A., Zakharov R.G. Investigation of the thermodynamic and thermophysical properties of the Cu3Sn intermetallic compound. Butlerovskie soobshcheniya. 2011. Vol. 27. No. 16. Р. 72—78 (In Russ.).