ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 4 2025 221 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование трибологических свойств кремниевой бронзы в разном структурном состоянии Андрей Филиппов а, *, Николай Шамарин b, Сергей Тарасов c Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0003-0487-8382, avf@ispms.ru; b https://orcid.org/0000-0002-4649-6465, shnn@ispms.ru; c https://orcid.org/0000-0003-0702-7639, tsy@ispms.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 4 с. 221–238 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.4-221-238 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Кремниевые бронзы, относящиеся к классу сплавов на базе меди с основным легирующим элементом кремнием (1–4 вес. % Si), широко востребованы в различных отраслях промышленности благодаря уникальному сочетанию ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 620.22, 539.62 История статьи: Поступила: 13 августа 2025 Рецензирование: 03 сентября 2025 Принята к печати: 09 сентября 2025 Доступно онлайн: 15 декабря 2025 Ключевые слова: Электронный луч Кремниевая бронза Структура Вибрация Акустическая эмиссия Механические свойства Интенсивная пластическая деформация Трение с кольжения Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-29-00259), https://rscf. ru/project/24-29-00259/. АННОТАЦИЯ Введение. Кремниевые бронзы широко применяются в ответственных узлах трения благодаря сочетанию коррозионной стойкости, обрабатываемости, электропроводности и удовлетворительных механических свойств. Электронно-лучевое аддитивное производство (ЭЛАП) перспективно для изготовления сложных деталей, но формирует крупную столбчатую зеренную структуру, приводящую к анизотропии свойств и ограничивающую область их практического применения. Методы интенсивной пластической деформации (ИПД), такие как многоосевая ковка и прокатка, эффективны для измельчения структуры, устранения анизотропии и повышения прочности. Однако их влияние на комплекс свойств кремниевых бронз исследовано недостаточно. Цель работы. Сравнительный анализ влияния структурного состояния кремниевой бронзы на ее механические характеристики и трибологические свойства в условиях сухого трения скольжения. Методика исследований. Образцы в пяти структурных состояниях были получены путем электронно-лучевого аддитивного производства (1), горячей прокатки (2), многоосевой ковки (3), прокатки при комнатной температуре (4) и низкотемпературного отжига после прокатки (5). Методами оптической металлографии и просвечивающей электронной микроскопии исследована структура образцов. Проведены механические испытания путем растяжения двухсторонних лопаток и индентирования четырехгранной пирамидкой Виккерса. Трибологические испытания на сухое трение скольжения в паре со сталью ШХ15 выполнены с постоянной нагрузкой и скоростью. В процессе трения осуществлялась регистрация коэффициента трения (КТ), вибраций в нормальном и тангенциальном направлениях и акустической эмиссии (АЭ). Детальный анализ поверхности и подповерхностного слоя дорожек трения выполнен с использованием конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, а также растровой электронной микроскопии с применением энергодисперсионного анализа. Результаты и обсуждение. Микроструктура образцов после ЭЛАП представлена крупными столбчатыми зернами, после горячей прокатки – крупными равноосными зернами с двойниками. Многоосевая ковка обеспечивает формирование субзерен (ламелей) (менее 100 нм) с высокой плотностью дислокаций. Прокатка приводит к дальнейшему измельчению исходных зерен и образованию вытянутых субмикронных зерен. Низкотемпературный отжиг формирует более равноосные субмикронные зерна (100…200 нм) с пониженной плотностью дислокаций и высокоугловыми границами. Образцы с крупнозернистой структурой обладают низкой прочностью и твердостью. После ИПД прочность и твердость многократно возрастают, а относительное удлинение уменьшается относительно исходного материала. Низкотемпературный отжиг обеспечивает максимальную прочность при частичном восстановлении пластичности и снижении твердости. Наименьший и наиболее стабильный коэффициент трения, а также минимальные амплитуды вибрации (особенно в тангенциальном направлении) зафиксированы у образцов после ИПД. Наибольший износ характерен для образца в состоянии поставки (горячая прокатка). ИПД снижает износ в 2,1–2,2 раза по сравнению с образцами в горячекатаном состоянии и ЭЛАП. Низкотемпературный отжиг увеличивает износ на 10 % относительно образца после проката. Выявлены преобладающие механизмы изнашивания: смешанный (адгезионно-окислительный) для бронзы после ЭЛАП; адгезионный для горячекатаного; окислительный для образцов после ИПД. На основе металлографических исследований установлено, что глубина подповерхностной деформации максимальна у крупнозернистых образцов (145…155 мкм) и снижается в 3,3–4,7 раза после ИПД. Заключение. Комплексное исследование выявило решающее влияние структурного состояния кремниевой бронзы БрКМц 3-1 на ее ключевые свойства. Применение методов ИПД (многоосевой ковки и прокатки) доказало свою высокую эффективность для кардинального улучшения комплекса механических и трибологических свойств кремниевой бронзы независимо от исходного метода получения (горячекатаный прокат или электронно-лучевое аддитивное производство). Для цитирования: Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю. Исследование трибологических свойств кремниевой бронзы в разном структурном состоянии // О бработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 4. – С. 221–238. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.4-221-238. ______ *Адрес для переписки Филиппов Андрей Владимирович, к.т.н., зав. лабораторией Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: +7 999 178-13-40, e-mail: avf@ispms.ru
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1