The Structure and Properties of the Alloy Cu-10Pb-10Sn-5Ni after Heat Treatment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Lead-tin bronzes are among the most demanded materials for manufacturing parts operating under friction and wear conditions. In the majority of cases, in addition to high antifriction properties the parts should have augmented strength. However, the inclusions of lead in this material considerably decline the strength, which leads to premature failure. Despite the existing profusion of methods to improve the strength of lead-tin bronzes, some of them are hardly applicable and instable on industrial scale, while others are still experimental. Thus, the search for the techniques to increase the strength of lead-containing bronzes remains high on the agenda. The purpose of the work: studying the structure, mechanical and tribological properties of Cu-10Pb-10Sn-5Ni alloy after heat treatment on the example of Cu-10Pb-10Sn-5Ni bronze. The alloy is obtained by melting materials in a high-frequency thyristor installation in a crucible made of siliconized graphite with subsequent pouring into a metal mold. The samples are aged at a temperature of 300-500 °C. The methods of investigation. Mechanical tests for static tension and tribotechnical tests, as well as spectral analysis of the chemical composition and metallographic investigations of nickel-doped lead-tin bronze are used. Results and Discussion. It is common knowledge that one of the ways to change the structure and mechanical properties of a material is heat treatment, which results in the formation of a special structure due to the dispersive decomposition after quenching and aging. The formation of the ordered structures during aging maximizes the hardness. It is found that the maximum value of hardness (138HB) for Cu-10Pb-10Sn-5Ni bronze is achieved by aging at the temperature of 325 °C for 4 hours. Aging also improves the mechanical characteristics of the samples: yield stress by 10% and tensile strength by 24%. The averaged results of the energy dispersive X-ray spectrometric analysis (EDS) of the selected phase indicate that the enlarged dispersion particles are a ternary chemical compound, presumably, Cu9NiSn3. The tribotechnical characteristics of the bronze before and after aging are investigated. It is determined that lead in bronze halves the friction coefficient. The heat treatment had no significant effect on the friction coefficient of Cu-10Pb-10Sn-5Ni bronze. The wear resistance of the bronze with lead after heat treatment is two times higher than that of the bronze before heat treatment, and five times higher than that of the bronze without lead inclusions. The presented results demonstrate the capabilities of thermal treatment in the enhancement of the strength and wear-resistance of nickel-doped lead-tin bronze.

About the authors

N. S. Klochkov

Email: nikart2012@gmail.com
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, nikart2012@gmail.com

Y. P. Egorov

Email: Yuri.Egorovv@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, Yuri.Egorovv@yandex.ru

O. M. Utyev

Email: utievv@mail.ru
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, utievv@mail.ru

S. Barella

Email: silvia.barella@polimi.it
D.Sc. (Engineering), Professor, Polytechnic University of Milan, 32 Piazza Leonardo da Vinci, Milan, 20133, Italy, silvia.barella@polimi.it

References

  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/ href='www.scientific.net/MSF.870.248' target='_blank'>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).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».