Формирование структуры и свойств бронзы БрОС 10-10

УДК 62-22

© Н.В. Мартюшев, 2013

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БРОНЗЫ БрОС 10-10

Изучалось влияние условий кристаллизации оловянно-свинцовистой бронзы марки БрОС 10-10 на параметры получаемой микроструктуры. Изменение условий кристаллизации осуществлялось изменением скорости охлаждения расплава, через предварительный нагрев литейных форм. Так же опубликованы данные о эксплуатационных свойствах исследуемого материала. Изучалось влияние скорости охлаждения на твердость, ударную вязкость, коэффициент трения, предел прочности. Ключевые слова: бронза, кристаллизация, скорость охлаждения, предел прочности, коэффициент трения, ударная вязкость, твердость.

Оловянно свинцовистые бронзы - это широко распространенный антифрикционный материал. Они применяются, как правило, в качестве подшипников скольжения горно-шахтного оборудования. Из них изготавливают венцы зубчатых колес редукторов. Одной из распространенных марок антифрикционных бронзы является бронза марки БрОС 10-10. Она обладает прекрасными триботехническими свойствами - низкий коэффициент трения и высокая износостойкость. Однако наличие в составе этой бронзы свинца значительно ослабляет её механические свойства. Свинец практически не растворяется ни в одном из компонентов бронзы и образует включения, значительно снижающие прочностные характеристики. На прочность 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]). Вопросы формообразования свинцовых включений в многокомпонентных бронзах и влиянии морфологии таких включений на механические свойства рассматриваются в работе [3]. Из нее следует, что сферическая форма включений, получаемая при низких скоростях охлаждения, позволяет получить наиболее высокие прочностные свойства. Однако эта работа посвящена исследованию исключительно бинарных свинцовистых бронз.

В данной работе была поставлена задача, изучить влияние скорости охлаждения на механические свойства свинцово — оловянных бронз марки БрОС 10-10. Данная бронза содержит 10 % олова, 10 % свинца и остальное медь. Условия плавки и заливки описаны в [3]. Исследования триботехнических свойств образцов проводилось на испытательной машине СМТ-1 по схеме вал-колодка с использованием масла М8Г на скорости 300 об/мин. Твердость образцов определялась по Бринеллю по ГОСТ 9012-59. Испытания на растяжения проводили на испытательной машине МИРИ 100К по ГОСТ 1497-84. Испытания на ударную вязкость проводили на стандартных образцах Шарпи без надреза (ГОСТ 9454-78).

Образцы для испытаний получались путем отливки в металлическую литейную форму. Скорость охлаждения образцов изменялась путем предварительного нагрева литейной формы. Перед изучением влияния скорости охлаждения на свойства были проведены металлографические исследования образцов. Фазовый состав бронзы марки БрОС 10-10 это твердый раствор олова в меди, включения свинца и электронное соединение Си^п^ В результате изменения скоростей охлаждения формируется различная морфология включений легкоплавкой фазы в отливках [4-6]. Высокая скорость охлаждения дает включений свинца с неровной межфазной поверхностью. Образцы, охлаждаемы с высокой скоростью, содержат меньшее количество электронного соединения Си3^п8. Низкая скорость охлаждения отливок приводит к выравниванию межфазной поверхности включений свинца и обретению ими сфероподобной формы. Компьютерный анализ структуры [5] показал, что количество электронного соединения в образцах охлаждаемых со скоростью 150 °С/с в 3,3 раза меньше по сравнению с медленно охлаждаемыми образцами, полученными с "Уохл=45 °С/с. Различия в размерах свинцовых включений не значительны. Низкая скорость охлаждения согласно расчетам дает в 1,2 раза больший средний размер частиц свинца.

Такие изменения в структуре отливок сказываются на их механических свойствах. Проведенные испытания образцов полученных с различной скоростью охлаждения на растяжения показывают рост прочности при быстром охлаждении. При падении скорости охлаждения с 150 °С/с до 20 °С/с предел прочности па-

дает с 260 МПа до 180 МПа. Аналогичная зависимость и между твердостью и скоростью охлаждения (рис. 1). Вместе с тем, испытание отливок на ударную вязкость даёт обратную зависимость. Снижение скорости охлаждения с 150 до 20 дает рост ударной вязкости с 37 до 44 единиц. Здесь низкая скорость охлаждения дает более низкую твердость, как следствие рост.

Так как данные бронзы используются в основном для работы в парах трения, то наибольший интерес представляют исследования связанные с триботехническими свойствами отливок. Для испытаний на трение было отлито 2 партии образцов. Одна получена со скоростью охлаждения Уохл=45 °С/с, вторая с Уохл=150 °С/с.

Проведенные триботехнические испытания показали, что в диапазоне нагрузок от 20 до 200 кг коэффициент трения образцов со высокой скоростью охлаждения на 30-50 % ниже, чем у образцов, отлитых с низкой скоростью охлаждения. Так средний коэффициент трения при скорости вращения вала 300 об/мин. составил 0,082 для образцов полученных с Уохл=150 °С/с и 0,122 для образцов кристаллизующихся с Уохл=45 °С/с.

Результаты металлографических исследований говорят о том, что рост скорости охлаждения приводит к значительному снижению содержания электронного соединения в бронзе БрОС 10-10. Это связанно с особенностями превращений данной бронзы во время её охлаждения. С уменьшением температуры при равномерном охлаждении большая часть электронного соединения

Скорость охлаждения, С/с

Рис. 1. Влияние скорости охлаждения отливки из бронзы БрОС 10-10 на её твердость

у бронз содержащих 7-13 % олова превращается в твердый раствор олова в меди. Твердость электронного соединения выше твердости медной матрицы. Вместе с тем, чем больше содержание растворенного олова в а твердом растворе, тем выше его твердость. В результате быстрого охлаждения получается пресыщенный а твердый раствор олова в меди, так же обладающий высокой твердостью.

При изготовлении отливок из трехкомпонентных бронз с оловом и свинцом для получения более высокой твердости и предела прочности на растяжение их в момент кристаллизации нужно охлаждать с высокой скоростью охлаждения (Уохл>100 °С/с). При этом отливки полученные таким образом будут обладать низким коэффициентом трения. Если же от отливок требуется более высокие пластические свойства (высокая ударная вязкость), то нужно замедлять скорость охлаждения в момент кристаллизации, например с помощью предварительного нагрева литейной формы.

Результаты работы, представленные в настоящей статье, выполнены при поддержке гранта Президента РФ MK-6661.2013.8.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Martyushev N.V. Parameters of dendritic structure of copper alloys. // Chemistry of Metals and Alloys. - 2010 - Volume 3, Issue 3/4 - pages 197-200.

2. Мартюшев Н.В. Производство поршневых колец компрессоров высокого давления. // Литейное производство. - 2008 - №8 - с. 24-25.

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

4. Мартюшев Н.В. Программные средства для автоматического металлографического анализа. // Современные проблемы науки и образования. — 2012 — №. 5 — Режим доступа: http://www.science-education.ru/105-r6745.

5. Martyushev N. V., Pashkov E. N. Tribotechnical properties lead bronzes // Applied Mechanics and Materials. — 2013 — Vol. 379. — P. 8790.

6. Martyushev N. V., Pashkov E. N. Bronze sealing rings defects and ways of its elimination // Applied Mechanics and Materials. — 2013 — Vol. 379. — P. 82-86.