ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

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).

1. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Инновационное машиностроение, 2016. – 360 с. – ISBN 978-5-9907638-3-8.

2. CALPHAD-type reassessment of Cu-Si and full assessment of the Al-Cu-Si systems / A. Kroupa, O. Zobac, A. Zemanova, K.W. Richter // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. – 2024. – Vol. 45. – P. 1206–1243. – DOI: 10.1007/s11669-024-01160-5.

3. Correlation of microstructure with mechanical property of Cu-Si-Mn alloys / S.K. Shee, H. Pal, S.K. Pradhan, M. De // Materials Engineering. – 1996. – Vol. 7 (4). – P. 431–442.

4. Nnakwo  K.C., Mbah C.N., Daniel-Mkpume C.C. Investigation of the structural sensitive behavior of Cu-3Si-xMn ternary alloys // Journal of King Saud University Science. – 2019. – Vol. 31. – P. 1056–1063. – DOI: 10.1016/j.jksus.2019.01.001.

5. Chromik R.R., Neils W.K., Cotts E.J. Thermodynamic and kinetic study of solid state reactions in the Cu–Si system // Journal of Applied Physics. – 1999. – Vol. 86. – P. 4273–4281. – DOI: 10.1063/1.371357.

6. Effect of solutionizing heat treatment on the structure and mechanical properties of silicon bronze (Cu-10wt%Si-2wt%Ni) / U.E. Ezeobi, C.N. Nwambu, E.E. Nnuka, B.M. Bosan // Archive of Biomedical Science and Engineering. – 2024. – Vol. 10. – P. 017–022. – DOI: 10.17352/abse.000033.

7. Phase formation of rapidly quenched Cu–Si alloys / N. Mattern, R. Seyrich, L. Wilde, C. Baehtz, M. Knapp, J. Acker // Journal of Alloys and Compounds. – 2007. – Vol. 429. – P. 211–215. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.04.046.

8. Micro-, meso- and macrostructural design of bulk metallic and polymetallic materials by wire-feed electron-beam additive manufacturing / E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, A.V. Chumaevsky, E.G. Astafurova // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25 (6). – P. 479–491. – DOI: 10.1134/S1029959922060017.

9. High strength silicon bronze (C65500) obtained by hydrostatic extrusion / M. Kulczyk, J. Skiba, S. Przybysz, W. Pachla, P. Bazarnik, M. Lewandowska // Archives of Metallurgy and Materials. – 2012. – Vol. 57. – P. 859–862. – DOI: 10.2478/v10172-012-0094-4.

10. Study of properties and structure of silicon bronze CuSi3Mn1 (C65500) wire at various stages of its production by continuous casting and subsequent drawing / S.A. Tavolzhanskii, E.D. Vedenkin, I.V. Plisetskaya, A.A. Nikitina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 66. – P. 962–969. – DOI: 10.1007/s11015-022-01408-w.

11. The effect of heat input, annealing, and deformation treatment on structure and mechanical properties of electron beam additive manufactured (EBAM) silicon bronze / A. Filippov, N. Shamarin, E. Moskvichev, N. Savchenko, E. Kolubaev, E. Khoroshko, S. Tarasov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 3209. – DOI: 10.3390/ma15093209.

12. Huang K., Logé R.E. A review of dynamic recrystallization phenomena in metallic materials // Materials & Design. – 2016. – Vol. 111. – P. 548–574. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.09.012.

13. Phase formation and morphological characteristics of aluminum bronze and nickel alloy composites produced by the additive manufacturing process / A. Vorontsov, D. Gurianov, A. Zykova, S. Nikonov, A. Chumaevskii, E. Kolubaev // Scripta Materialia. – 2024. – Vol. 239. – P. 115811. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2023.115811.

14. Hansen N. Hall–Petch relation and boundary strengthening // Scripta Materialia. – 2004. – Vol. 51. – P. 801–806. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.06.002.

15. Yang B., Vehoff H. Dependence of nanohardness upon indentation size and grain size – A local examination of the interaction between dislocations and grain boundaries // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55. – P. 849–856. – DOI: 10.1016/j.actamat.2006.09.004.

16. Liu G., Ni S., Song M. Effect of indentation size and grain/sub-grain size on microhardness of high purity tungsten // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2015. – Vol. 25. – P. 3240–3246. – DOI: 10.1016/S1003-6326(15)63958-9.

17. Popov V.L., Heß M., Willert E. Handbook of plane contact mechanics. – Berlin; Heidelberg: Springer, 2025. – 260 p. – DOI: 10.1007/978-3-662-70173-7.

18. Filippov A.V., Rubtsov V.E., Tarasov S.Yu. Acoustic emission study of surface deterioration in tribocontacting // Applied Acoustics. – 2017. – Vol. 117. – P. 106–112. – DOI: 10.1016/j.apacoust.2016.11.007.

19. Identification of the wear process of a silver-plating layer by dual acoustic emission sensing / A. Hase, Y. Sato, K. Shinohara, K. Arai // Coatings. – 2021. – Vol. 11. – P. 737. – DOI: 10.3390/coatings11060737.

20. Study on reaction mechanism of sulfur and phosphorus type additives using an acoustic emission technique / M. Morita, S. Tachiyama, K. Onodera, A. Hase // Tribology Online. – 2022. – Vol. 17. – P. 78–85. – DOI: 10.2474/trol.17.7.

21. Mishina H., Hase A. Effect of the adhesion force on the equation of adhesive wear and the generation process of wear elements in adhesive wear of metals // Wear. – 2019. – Vol. 432–433. – DOI: 10.1016/j.wear.2019.202936.