ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Свинцово-оловянистые бронзы являются одними из востребованных среди материалов для производства изделий, работающих в условиях трения и износа. В большинстве случаях данные изделия наравне с высокими антифрикционными свойствами должны обладать повышенной прочностью. Однако включения свинца в данном материале заметно снижают прочность, что приводит к преждевременному разрушению. Несмотря на существующее достаточно большое количество способов повышения прочности свинцово-оловянистых бронз, некоторые из них трудно выполнимы и нестабильны в масштабах реального производства, а другие не доведены до стадии широкого практического применения. Поэтому поиск способов повышения прочностных характеристик бронзы, содержащей свинец, остается актуальной задачей. Цель работы: изучение структуры, механических и триботехнических свойств свинцово-оловянистой бронзы, легированной никелем после термической обработки. В работе исследована бронза БрС10О10Н5, полученная плавкой чистых шихтовых материалов на тиристорной установке в тигле из силицированного графита c последующей заливкой в металлическую форму. Образцы подвергали старению при температуре 300…500 °C. Методами исследования являются механические испытания на статическое растяжение и триботехнические испытания, а также спектральный анализ химического состава и металлографические исследования свинцово-оловянистой бронзы, легированной никелем. Результаты и обсуждения. Известно, что одним из способов изменения структуры и свойства материала является термическая обработка, в результате которой формируется структура, создаваемая дисперсионным разложением после закалки и старения. В результате происходит образование упорядоченных структур, что приводит к увеличению твердости до максимального значения. Установлено, что максимальная твердость (138 HB) бронзы БрС10О10Н5 достигается старением при температуре 325°C в течение четырех часов. После старения образцов происходит рост прочностных характеристик – предела текучести на 10 %, предела прочности на 24 %. Усредненные значения результатов энергодисперсионного рентгеновского спектрометрического анализа (EDS) выделенной фазы указывают на то, что укрупненные дисперсные частицы являются тройным химическим соединением, предположительно Cu9NiSn3. Исследованы триботехнические характеристики бронзы до и после старения. Было определено, что свинец в составе бронзы снижает коэффициент трения в два раза. Термическая обработка не оказала существенного влияния на коэффициент трения бронзы БрС10О10Н5. Износостойкость бронзы со свинцом после термической обработки в два раза выше, чем у бронзы до термической обработки, и в пять раз выше, чем у бронзы без свинцовых включений. Представленные результаты показывают возможности применения термической обработки для повышения прочности и износостойкости свинцово-оловянистой бронзы с добавками никеля.

1. Измайлов В.А., Ермолаева Н.И., Токарь В.С. Роль поведения свинца при литье и деформации слитков ЛС 58–2 // Цветные металлы. – 1995. – № 7. – С. 63–66.

2. Ильин А.И. Повышение износостойкости и усталостной прочности некоторых антифрикционных сплавов // Исследование сплавов цветных металлов. – М.: Изд-во АН СССР, 1955. – С. 42–53.

3. Tin and nickel influence on the structure and properties of the leaded bronze obtained by centrifugal casting / N.S. Klochkov, U.P. Egorov, C. Mapelli, I.K. Zabrodina // Materials Science Forum. – 2016. – Vol. 870. – P. 248–252. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.870.248.

4. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1970. – 364 с.

5. Захаров А.М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие. – М.: Металлургия, 1980. – 256 с.

6. Zhang S., Jiang B., Ding W. Dry sliding wear of Cu-15Ni-8Sn alloy // Tribology International. – 2010. – Vol. 43 (1–2). – P. 64–68. – DOI: 10.1016/j.triboint.2009.04.038.

7. Zhao J.C., Notis M.R. Spinodal decomposition, ordering transformation, and discontinuous precipitation in a Cu-15Ni-8Sn alloy // Acta Metallurgica. – 1998. – Vol. 46, iss. 12. – P. 4203–4218. – DOI: 10.1016/S1359-6454(98)00095-0.

8. Schwartz L.H., Plewes J.T. Spinodal decomposition in a Cu-9wt% Ni-6 wt% Sn-II. A critical examination of mechanical strength of spinodal alloys // Acta Metallurgica. – 1974. – Vol. 22, iss. 7. – P. 911–921. – DOI: 10.1016/0001-6160(74)90058-3.

9. Kato M., Schwartz L.H. The temperature dependence of yield stress and work hardening in spinodally decomposed Cu-10Ni-6Sn alloy // Materials Science and Engineering. – 1979. – Vol. 41, iss. 1. – P. 137–142.

10. Cribb W.R., Ratka J.O. Copper spinodal alloys // Advanced Materials & Processes. – 2002. – Vol. 160, iss. 11. – P. 1–4.

11. Sadi F., Servant C. Phase transformations and phase diagram at equilibrium in the Cu-Ni-Sn system // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2007. – Vol. 90 (2). – P. 319–323. – DOI: 10.1007/s10973-007-8347-6.

12. Microstructural effects on tension behavior of Cu-15Ni-8Sn sheet / J. Caris, D. Li, J. Stephens Jr, J. Lewandowski // Materials Science and Engineering A. – 2010. – Vol. 527, iss. 3. – P. 769–781. – DOI: 10.1016/j.msea.2009.08.049.

13. Virtanen P., Tiainen T., Lepisto T. Precipitation at faceting grain boundaries of Cu-Ni-Sn alloys // Materials Science and Engineering A. – 1998. – Vol. 251, iss. 1–2. – P. 269–275. – DOI: 10.1016/S0921-5093(98)00498-5.

14. Zhang S.Z., Jiang B.H., Ding W.J. Wear of Cu-15Ni-8Sn spinodal alloy // Wear. – 2008. – Vol. 264, iss. 3–4. – P. 199–203. – DOI: 10.1016/j.wear.2007.03.003.

15. Initial stages of decomposition in Cu-9Ni-6Sn / E.G. Baburaj, U.D. Kulkarni, E.S.K. Menon, R. Krishnan // Journal of Applied Crystallography. – 1979. – Vol. 12, iss. 5. – P. 476–480. – DOI: 10.1107/S0021889879013066.

16. Gupta K.P. An expanded Cu-Ni-Sn system (copper-nickel-zinc) // Journal of Phase Equilibria. – 2000. – Vol. 21 (5). – P. 479–484.

17. Пресняков А.А., Новиков А.В. Изучение механических свойств оловянистых бронз с добавками цинка, фосфора, свинца и никеля // Труды Института ядерной физики АН КазССР. – Алма-Ата, 1959. – Т. 2. – С. 41–73.

18. Лакисов П.А. Повышение качества отливок из оловянных бронз // Фасонное литье медных сплавов. – М.: Машгиз, 1957. – С. 44–51.

19. Семенов К.Г., Колосков В.Ф., Чурсин В.М. Разработка технологии производства качественных отливок из чушковых оловянных бронз // Литейное производство. – 1994. – № 7. – С. 10–11.

20. Левашов Е.А. Обеспечение единства измерений физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностей [Электронный ресурс]. – URL: http://www.nanometer.ru/2009/02/11/nanometrologia_58090.html (дата обращения: 13.05.2019).