Влияние морфологии включений легкоплавкой фазы на триботехнические свойства бронз

Н.В. Мартюшев

канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Научно исследовательский

Томский политехнический университет»

ВЛИЯНИЕ МОРФОЛОГИИ ВКЛЮЧЕНИЙ ЛЕГКОПЛАВКОЙ ФАЗЫ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРОНЗ

Аннотация. Изучены закономерности формирование структуры свинцовосодержащих антифрикционных бронз при различных условиях кристаллизации. Изменение условий кристаллизации осуществлялось за счет изменения скорости охлаждения литейных форм. Получены данные о влиянии микроструктуры изучаемых материалов на их трибологические свойства. Показано, что снижение скорости охлаждения свинцовистых бронз приводит к снижению коэффициента трения. Для многокомпонентных свинцово-оловянистых бронз, несмотря на рост некоторых механических свойств, коэффициент трения с падением скорости охлаждения снижается.

Ключевые слова: антифрикционные бронзы, свинцовосодержащие бронзы, трение, свинцовые включения, легкоплавкая фаза.

N.V. Martjushev, Tomsk Polytechnic University

INFLUENCE OF THE FUSIBLE PHASE INCLUSIONS MORPHOLOGY ON BRONZES

TRIBOTECHNICAL PROPERTIES.

Abstract. Laws antifrictional bronzes with lead structure formation are studied under various conditions of crystallization. Change of crystallization conditions was carried out at the expense of casting molds cooling speed change. The data about influence of studied materials microstructure on them tribotechnical properties is obtained. It is shown that decrease in cooling speed of bronzes with lead produce to decrease in friction factor. For multicomponent teen-lead bronzes despite growth of some mechanical properties, factor of a friction with falling of speed of cooling decreases.

Keywords: antifrictional bronze, bronze with lead, a friction, lead inclusions, fusible phase.

Свинцовосодержащие бронзы, как правило, обладают высокими антифрикционными и противозадирными свойствами. В состав таких бронз кроме меди и свинца включают такие элементы как олово, никель, цинк. Основное назначение таких бронз -работа в узлах трения, например в подшипниках скольжения. Однако эти материалы обладают низкими механическими характеристиками из-за содержащегося в них свинца. Свинец практически не растворяется в меди и других элементах этих сплавов и образует включения, значительно снижающие прочностные характеристики бронзы. На прочность бронз будет влиять не только количество свинца, но также форма и размер свинцовых включений, формирование которых определяется рядом технологических факторов (температурой заливки, скоростью охлаждения и др. [1, 2]). Подробно вопросы формообразования свинцовых включений рассмотрены в работе [3]. Из нее следует, что сферическая форма включений, получаемая при низких скоростях охлаждения, позволяет получить наиболее высокие прочностные свойства. Однако в работе не рассматривается вопрос о влиянии формы свинцовых включений на триботехнические свойства отливок.

В данной работе изучалось влияние формы свинцовых включений на коэффициент трения свинцовистых антифрикционных марок бронз. Различная форма свинцовых включений получалась путем изменения скорости охлаждения за счет предварительного нагрева литейной формы. Исследования проводились на бронзах, химиче-

ский состав которых представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав исследуемых бронз

Марка бронзы Содержание элементов, % масс

РЬ Си гп 1\П Бп Раскислитель

БрОСЦН-10-8-2-2 8 остальное 2 2 10 0,5

БрС 30 30 остальное - - - 0,5

БрС 10 10 остальное - - - 0,5

Проведенные металлографические исследования показали, что высокая скорость охлаждения привела к образованию большого количества мелких разветвленных включений свинца с рваной межфазной поверхностью. Низкая скорость охлаждения отливок из бинарной свинцовистой бронзы привела к образованию в структуре сферо-образных включений легкоплавкой фазы с гладкой межфазной поверхностью. Особенно хорошо это видно на рис. 1, где представлены микроструктуры отливок из бронзы БрС 30. Аналогичная ситуация наблюдается и для бронз марки БрС 10. При высокой скорости охлаждения отливки (заливка в литейные формы комнатной температуры) свинцовые включения имеют разветвленную форму, присутствует большое количество мелких едва заметных включений в виде точек и прожилок. Низкая скорость охлаждения (заливка в нагретые до 1000 °С литейные формы) дает меньшее количество свинцовых включений с большими размерами. Форма таких включений уже ближе к сферической, межфазная поверхность более гладкая.

а б

Рисунок 1 - Микроструктура двухкомпонентных свинцовистых бронз марки БрС 30 полученных: а - с низкой; б - с высокой скоростью охлаждения.

На рис. 2 показана микроструктура отливок из многокомпонентной бронзы марки БрОСЦН-10-8-2-2. Здесь, так же как и для БрС 30 на фоне светлой красноватой матрицы видны темные включения свинца. И снова низкая скорость дает более гладкую межфазную поверхность, а низкая более рваную форму свинцовых глобул. Однако стоит отметить, что матрица бронз марок БрС 10 и БрС 30 медная, а у БрОСЦН-10-8-2-2 это твердый раствор легирующих элементов в меди. Кроме того в микроструктуре этой многокомпонентной бронзы присутствует эвтектоид на основе электронного со-

единения Си31Бп8, на микроструктурах рис. 2 он виден в виде вытянутых голубоватых включений. Визуальный анализ микроструктуры показывает, что изменение скорости охлаждения приводит и к изменению количества эвтектоида, это подтверждается и количественными данными. Так для образцов, полученных с высокой скоростью охлаждения, эвтектоид по площади шлифа занимает около 5-6 %, то для низкой скорости охлаждения отливки уже 10-11 %.

Рисунок 2 - Микроструктура многокомпонентной бронзы марки БрОСЦН-10-8-2-2 полученной: а - с низкой; б - с высокой скоростью охлаждения.

Изменения, происходящие в микроструктуре отливок, при изменении скорости охлаждения сказываются и на их триботехнических свойствах. В процессе трения свинец будет выкрашиваться, образуя поры на трущейся поверхности. Эти пустоты будут играть роль масляных карманов, причем форма и размеры этих карманов будут в значительной мере определять коэффициент трения материала. Проведенные триботех-нические испытания показали, для бинарных свинцовистых бронз в диапазоне нагрузок от 20 до 200 кг коэффициент трения образцов со сферической формой свинцовых включений на 30-50 % ниже, чем у аналогичных образцов, но с рваной хлопьевидной формой включений. Так средний коэффициент трения при скорости вращения вала 300 об/мин. составил 0,011 для образцов с рваной формой включений и 0,007 для образцов со сферической формой включений для бронзы марки БрС 10. И для бронзы БрС 30 те же данные составили значения 0,054 для рваной формы включений и 0,039 для сферической формы. Более медленное охлаждение отливок из этих материалов приводит к снижению коэффициента трения. Причиной этого может быть более благоприятная форма масляных карманов, способствующая лучшему удержанию масла.

Триботехнические испытания, проведенные с многокомпонентной свинцовосо-держащей бронзой марки БрОСЦН-10-8-2-2, показали противоположный результат. Так в диапазоне нагрузок от 20 до 200 кг коэффициент трения образцов со сферической формой свинцовых включений на 30-50 % выше, чем у аналогичных образцов, но с рваной хлопьевидной формой включений. Средний коэффициент трения при скорости вращения вала 300 об/мин. составил 0,082 для образцов с рваной формой включений и 0,122 для образцов со сферической формой включений. Таким образом, снижение скорости охлаждения многокомпонентной бронзы БрОСЦН-10-8-2-2 приводит к

увеличению коэффициента трения. Как было показано выше, снижение скорости охлаждения бинарных бронз приводит к снижению коэффициента трения в результате образования масляных карманов более благоприятной формы. Можно предположить, что в случае с многокомпонентными бронзами решающее влияние будут оказывать не масляные карманы, а наличие более твердых, чем основная матрица включений эв-тектоида. При выкрашивании матрицы контртело в паре трения будет опираться на выступающие более твердые частицы эвтектоида. Медленная скорость охлаждения дает более мелкие частицы. Более мелкие частицы будут быстрее выкрашиваться, попадать в смазку снижая её смазывающие свойства. При этом возможно, работа на разрушение и выкрашивание большого количества мелких частиц эвтектоида будет больше, чем на выкрашивание малого количества твердых частиц эвтектоида.

Показано, что снижение скорости охлаждения при кристаллизации бинарных свинцовистых бронз и многокомпонентной свинцовосодержащей бронзы БрОСЦН-10-8-2-2 приводит к сфероидизации, выравниванию межфазной поверхности свинцовых включений в отливках. Но для бинарных свинцовистых бронз снижение скорости охлаждения дает снижение коэффициента трения, для многокомпонентной бронзы БрОСЦН-10-8-2-2 наоборот снижение скорости приводит к возрастанию коэффициента трения.

Исследования выполнялись при поддержке ОАО «НИИПП» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».

Список литературы:

1. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. - М.: Машиностроение, 2004, - 336 с., ил.

2. Горшков И. Е. Литье слитков цветных металлов и сплавов: учебное пособие. -М.: Металлургиздат, 1952. - 416 с.

3. Мартюшев Н.В. Влияние условий кристаллизации на структуру и свойства бронз, содержащих свинец // Металлургия машиностроения. - 2010. - № 4. - С. 32-36.

List of references:

1. Osintsev O. E, Fedorov V. N. Copper and copper alloys. Domestic and foreign marks: the Directory. - М: Mechanical engineering, 2004, - 336 p.

2. Gorshkov I.E. Lite's pots of nonferrous metals ingots and alloys: the manual. - М: Metallurgizdat, 1952. - 416 p.

3. Martyushev N.V. Crystallization conditions influence on structure and properties of bronzes with lead//Mechanical engineering metallurgy. - 2010. - № 4. - P. 32-36.