Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет35667210.17212/1994-6309-2025-27.4-221-238MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleStudy of tribological properties of silicon bronze in different structural statesИсследование трибологических свойств кремниевой бронзы в разном структурном состоянииhttps://orcid.org/0000-0003-0487-838224587007100A-9831-20151794-6373FilippovAndrey V.ФилипповАндрей Владимирович
Russian Federation

Ph.D. (Engineering)

канд. техн. наук

Andrey.V.Filippov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4649-646557191272444U-7601-20189275-1472ShamarinNikolay N.ШамаринНиколай Николаевич
Russian Federation

Junior researcher

м.н.с.

shamarin.nik@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0702-76397005125937B-6202-20081740-3089TarasovSergei Yu.ТарасовСергей Юльевич
Russian Federation

D.Sc. (Engineering)

доктор техн. наук

tsy@ispms.ruInstitute of Strength Physics and Materials Sciences SB RASИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН274VOL 27, NO4 (2025)ТОМ 27, №4 (2025)22123807122025Copyright ©; 2025, Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Y.Copyright ©; 2025, Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю.2025Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Y.Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/356672

Introduction. Silicon bronzes are widely used in critical friction units due to their combination of corrosion resistance, machinability, electrical conductivity, and satisfactory mechanical properties. Electron beam additive manufacturing (EBAM) is promising for the production of complex parts, but it forms a large columnar grain structure, leading to anisotropy of properties and limiting their practical application. Methods of severe plastic deformation (SPD), such as multi-axis forging and rolling, are effective for refining the structure, eliminating anisotropy, and increasing strength. However, their effect on the overall properties of silicon bronzes has not been sufficiently studied. Purpose of the work. The purpose of this study is a comparative analysis of the effect of the structural state of silicon bronze on its mechanical characteristics and tribological properties under dry sliding friction. Research methods. Samples in five structural states were obtained by electron-beam additive manufacturing (1), hot rolling (2), multi-axis forging (3), rolling at room temperature (4), and low-temperature annealing after rolling (5). The structure of the samples was investigated by optical metallography and transmission electron microscopy. Mechanical tests were carried out by tensile testing of double-sided dog-bone samples and Vickers microhardness testing. Tribological tests for dry sliding friction against 52100 steel were carried out with a constant load and speed. During friction, the friction coefficient (FC), vibrations in the normal and tangential directions, and acoustic emission (AE) were recorded. A detailed analysis of the surface and subsurface layer of friction tracks was performed using confocal laser scanning microscopy, as well as scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Results and discussion. The microstructure of the samples after EBAM exhibits large columnar grains, while after hot rolling it shows large equiaxed grains with twins. Multi-axial forging results in the formation of subgrains (lamellae) (<100 nm) with a high dislocation density. Rolling leads to further refinement of the original grains and the formation of elongated submicron grains. Low-temperature annealing forms more equiaxed submicron grains (100–200 nm) with a reduced dislocation density and high-angle boundaries. Samples with a coarse-grained structure have low strength and hardness. After SPD, the strength and hardness increase significantly, and the relative elongation decreases compared to the original material. Low-temperature annealing provides maximum strength with partial restoration of ductility and a decrease in hardness. The smallest and most stable friction coefficient, as well as minimum vibration amplitudes (especially in the tangential direction), were recorded for samples after SPD. The greatest wear occurred for the sample in the as-received condition (hot rolling). SPD reduces wear by 2.1–2.2 times compared to the hot-rolled and EBAM samples. Low-temperature annealing increases wear by 10% relative to the sample after rolling. The predominant wear mechanisms were determined to be: mixed (adhesive-oxidative) for bronze after EBAM; adhesive for hot rolled; and oxidative for samples after SPD. Based on metallographic studies, it was found that the depth of subsurface deformation is maximum for coarse-grained samples (145–155 μm) and decreases by 3.3–4.7 times after SPD. Conclusion. A comprehensive study has revealed a decisive influence of the structural state of 96% Cu-3% Si-1% Mn bronze on its key properties. The use of SPD methods (multi-axial forging and rolling) has proven to be highly effective in dramatically improving the mechanical and tribological properties of silicon bronze, regardless of the original production method (hot-rolled steel or electron beam additive manufacturing).

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).

Electron beamSilicon bronzeStructureVibrationAcoustic emissionMechanical propertiesSevere plastic deformationSliding frictionЭлектронный лучКремниевая бронзаСтруктураВибрацияАкустическая эмиссияМеханические свойстваИнтенсивная пластическая деформацияТрение скольженияFunding This research was funded by Russian Science Foundation project No. 24-29-00259, https://rscf.ru/project/24-29-00259/.Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-29-00259), https://rscf.ru/project/24-29-00259/.

Funding

This research was funded by Russian Science Foundation project No. 24-29-00259, https://rscf.ru/project/24-29-00259/.

Финансирование:

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-29-00259), https://rscf.ru/project/24-29-00259/.

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