Study of tribological properties of silicon bronze in different structural states

Cover Page

Cite item

Abstract

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).

About the authors

Andrey V. Filippov

Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS

Author for correspondence.
Email: Andrey.V.Filippov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0487-8382
SPIN-code: 1794-6373
Scopus Author ID: 24587007100
ResearcherId: A-9831-2015

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 634055, Russian Federation, Tomsk, 2/4 per. Academicheskii

Nikolay N. Shamarin

Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS

Email: shamarin.nik@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4649-6465
SPIN-code: 9275-1472
Scopus Author ID: 57191272444
ResearcherId: U-7601-2018

Junior researcher

Russian Federation, 634055, Russian Federation, Tomsk, 2/4 per. Academicheskii

Sergei Yu. Tarasov

Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS

Email: tsy@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-0702-7639
SPIN-code: 1740-3089
Scopus Author ID: 7005125937
ResearcherId: B-6202-2008

D.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 634055, Russian Federation, Tomsk, 2/4 per. Academicheskii

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Note

Funding

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



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».