Исследование свойств бронзы БрО10С2Н3, полученной наполнительным литьем, непрерывным литьем вверх и горячей экструзией

Для деталей, работающих на трение в машиностроении, применяются антифрикционные оловянные бронзы и, в частности, бронза БрО10С2Н3. Обычно для получения изделий из этой бронзы используется метод наполнительного литья в металлические формы. В настоящей работе исследовали возможность получения заготовок из бронзы БрО10С2Н3 методами горячей экструзии и непрерывного литья вверх. Были установлены температура и скорость горячей экструзии, а также скорость вытягивания при непрерывном литье, позволяющие избежать возникновения дефектов. Показано, что горячая экструзия очень сильно измельчает зерно до 1,7 мкм, а при литье вверх, наоборот, размер зерна увеличивается в сравнении с методом наполнительного литья. Что же касается микроструктуры, то при горячей экструзии и непрерывном литье вверх происходит измельчение кристаллов интерметаллидной фазы Y-Cu₃Sn. При этом в структуре бронзы после горячей экструзии можно наблюдать крупные скопления частиц (Pb), что, по всей видимости, приводит к снижению коэффициента трения. Максимальная твердость и прочностные свойства при растяжении характерны для прутков, полученных методом горячей экструзии при 600 °С, а наибольшее относительное удлинение было обнаружено в прутках, полученных методом непрерывного литья вверх. Трибологические исследования, проведенные по схеме «вал — частичный вкладыш» в среде керосина со стальным контртелом, показали, что применение горячей экструзии для получения прутков приводит к 10-кратному увеличению износостойкости и 3-кратному снижению коэффициента трения в сравнении со слитками, изготовленными наполнительным литьем. При этом для прутков, полученных методом непрерывного литья вверх, наоборот, наблюдается уменьшение износостойкости. В связи с вышесказанным можно рекомендовать метод горячей экструзии для получения заготовок из бронзы БрО10С2Н3 наравне с литьем.

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.

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. Литейн. пр-во. 2016. No. 2. С. 26—33.

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. Вершинин П.И., Севастьянов В.И., Бакрин Ю.Н. Влияние интенсификации охлаждения на структуру и свойства отливок из оловянной бронзы. Литейн. пр-во. 1986. No. 5. С. 8—9.

6. Семенов К.Г., Колосков В.Ф., Чурсин В.М. Разработка технологии производства качественных отливок из чушковых оловянных бронз. Литейн. пр-во. 1994. No. 7. С. 10—12.

7. Бронтвайн Л.Р., Городецкий В.Н. Герметичность литейных медных сплавов. Литейн. пр-во. 1985. No. 10. С. 14—16.

8. Бахтиаров Р.А., Воробьева Л.А., Покровская Г.Н., Краева Т.М. Влияние температуры и скорости литья на структуру и свойства слитков сплавов на медной основе. Цветные металлы. 1974. No. 1. С. 68—71.

9. Ludwig A., Gruber-Pretzler M., Wu M., Kuhn A., Riedle J. About the formation of macrosegregations during continuous casting of Sn—Bronze. Fluid Dynam. Mater. Process. 2005. Vol. 1. P. 285—300.

10. Sergejevs A., Kromanis A., Ozolins J., Gerins E. Influence of casting velocity on mechanical properties and macro-structure of tin bronzes. Key Eng. Mater. 2016. Vol. 674. P. 81—87.

11. Корчмит А.В., Егоров Ю.П. Влияние температуры заливки на распределение свинцовых включений в многокомпонентной свинцовооловянистой бронзе. Изв. Томского политехн. ун-та. 2004. Т. 307. No. 6. С. 105—108.

12. Nyyssonen T. Leaded tin bronzes: the effects of casting method on dry sliding behavior. Tribol.-Finnish J. Tribol. 2012. Vol. 31. P. 4—11.

13. 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. Proc. Inst. Mechan. Eng. Part J: J. Eng. Tribol. 2013. Vol. 227. P. 878—887.

14. Sadawy M.M., Ghanem M. Grain refinement of bronze alloy by equal-channel angular pressing (ECAP) and its effect on corrosion behaviour. Defence Technol. 2016. Vol. 12. P. 316—323.

15. Попов В.В., Столбовский А.В., Попова Е.Н., Фалахутдинов Р.М., Шорохов Е.В. Эволюция структуры оловянистой бронзы при динамическом канально-угловом прессовании. Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. No. 9. С. 909—916.

16. 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. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 654. P. 282—291.

17. Hui J., Feng Z., Wang P., Fan W., Liu Z. Microstructural evolution analysis of grains and tensile properties of tin bronze in hot extrusion at different temperatures. Mater. High Temp. 2019. Vol. 36. P. 68—75.

18. Krivtsova O., Ibaov M., Tolkushkin A., Talmazan V., Amanzholov Z. Investigation of ECAP on microstructure and mechanical properties of bronze at different temperatures. J. Civil Eng. Constr. 2016. Vol. 5. P. 83—89.

19. Gupta R., Srivastava S., Kumar G.V.P., Panthi S.K. Investigation of mechanical properties, microstructure and wear rate of high leaded tin bronze after multidirectional forging. Procedia Mater. Sci. 2014. Vol. 5. P. 1081—1089.

20. Gupta R., Panthi S.K., Srivastava S. Study of microstructure, mechanical properties and wear rate of high leaded tin bronze after multidirectional forging. Mater. Today. Proceed. 2015. Vol. 2. P. 1136—1142.

21. Gadallah E.A., Ghanem M.A., El-Hamid M.A., El-Nikhaily A.E. Effect of tin content and ECAP passes on the mechanical properties of Cu/Sn alloys. Am. J. Sci. Technol. 2014. Vol. 1. P. 60—68.

22. Gadallah E.A., Ghanem M.A., El-Hamid M.A., El-Nikhaily A.E. Effect of tin content and ECAP passes on the mechanical properties of Cu/Sn alloys as bearing materials. Port-Said Eng. Res. J. 2014. Vol. 18. P. 79—89.

23. Empl D., Laporte V., Vincent E., Dewobroto N., Mortensen A. Improvement of elevated temperature mechanical properties of Cu—Ni—Sn—Pb alloys. Mater. Sci. Eng. A. 2010. Vol. 527. P. 4326—4333.

24. Nejadseyfi O., Shokuhfar A., Moodi V. Segmentation of copper alloys processed by equal-channel angular pressing. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2015. Vol. 25. P. 2571—2580.

25. 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.

26. Sheppard T., Greasley A. Structure and properties of some tin bronzes produced by extrusion of atomized powders. Powder Metall. 1978. Vol. 21. P. 155—162.

27. Hwang J.D., Li B.J., Hwang W.S., Hu C.T. Comparison of phosphor bronze metal sheet produced by twin roll casting and horizontal continuous casting. J. Mater. Eng. Perform. 1998. Vol. 7. P. 495—503.

28. Таволжанский С.А., Колетвинов К.Ф. Разработка и применение способа непрерывного литья вверх заготовок высокотемпературных припоев малого сортамента. Цветные металлы. 2015. No. 11. С. 85—88.

29. Колетвинов К.Ф., Таволжанский С.А., Баженов В.Е. Исследование и разработка процесса непрерывно-дискретного вытягивания из расплава вверх заготовок медных сплавов. Состояние и перспективы развития литейных технологий и оборудования в цифровую эпоху: Сб. тр. Всеросс. науч.-практ. конф. М.: Университет машиностроения, 2016. С. 275—284.

30. 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.

31. Баженов В.Е., Титов А.Ю., Шкалей И.В., Санников А.В., Никитина А.А., Плисецкая И.В., Базлов А.И., Мезрин А.М., Колтыгин А.В. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства бронзы БрО10С2Н3. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021. No. 2. С. 25—39.

32. Harkki K., Miettinen J. Mathematical modeling of copper and brass upcasting. Metall. Mater. Trans. B. 1999. Vol. 30. P. 75—98.

33. Бронтвайн Л.Р., Горовецкий В.Н. Исследование износостойкости сплавов на медной основе. Литейн. пр-во. 1981. No. 10. С. 8—9.

34. Image processing and analysis in Java. https://imagej.nih.gov/ij/docs/menus/analyze.html (accessed: 1.09.2020).

35. 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. Metall. Mater. Trans. A. 1994. Vol. 25. P. 969—983.

36. Андрусенко О.Е., Матвеев Ю.И. Требование к материалам антифрикционного слоя, используемым при восстановлении подшипников скольжения коленчатых валов. Вестн. АГТУ. Сер. Морская техника и технология. 2009. No. 1. С. 50—55.