Исследование влияния режимов получения слитков методом непрерывно-пошагового литья вверх на структуру и свойства антифрикционной бронзы БрО10С2Н3

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. 

1. Груздева 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. G

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 Metallurgica Sinica (English Letters). 2013;26(2):199—205. https://doi.org/10.1007/s40195-012-0118-0

3. Герасименко 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.

4. 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.2008.05.019

5. Белов 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/10.17073/0021-3438-2016-2-26-33

6. 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.

7. 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.

8. Таволжанский С.А., Пашков И.Н. Особенности непрерывного литья заготовок малого сечения из сплавов на основе меди. Металлург. 2020;64(9-10): 74—80.

9. Таволжанский 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.

10. Якубович Е.А. Особенности формирования двухфазной зоны слитка при непрерывном литье. Современные материалы, техника и технологии. 2016;3(4):144—148.

11. 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.2015.12.068

12. Potekhin 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/S0031918X14010128

13. Ludwig 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.2005.001.285

14. Kreil 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.1960.5.1.413

15. Korchmit 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.685.450

16. Мальцева Л.А., Гриб С.В., Столбовский А.В. Ликвация в сплавах. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2006. 21 с.

17. Scott D.A., Schwab R. Metallography in archaeology and art. The Structure of Metals and Alloys. 2019:69—261. https://doi.org/10.1007/978-3-030-11265-3

18. Мысик 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.

19. 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-w

20. Баженов 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/10.17073/0021-3438-2021-3-24-36

21. Sergejevs 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.674.81

22. Колетвинов 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.