Исследование и разработка колокольных бронз с улучшенными функциональными характеристиками
На правах рукописи
ЛИСОВСКИЙ ВИТАЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОЛОКОЛЬНЫХ БРОНЗ С УЛУЧШЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2010
Работа выполнена на кафедре материаловедения и технологии материалов ГОУ ВПО «Вятский государственный университет» доктор технических наук, профессор
Научный консультант:
Фавстов Юрий Константинович доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Часников Александр Яковлевич кандидат технических наук Говядинов Сергей Александрович ОАО «Электропривод», г. Киров Ведущее предприятие:
Защита диссертации состоится 14 мая 2010 г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корпус 1, ауд. 1258.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан « » апреля 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.А.Ульянов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Борьба с вредными шумами и вибрациями является одной из самых актуальных проблем современной техники. Эффективным способом уменьшения вибраций и шумов является применение для деталей машин и конструкций сплавов высокого демпфирования. Этой проблеме посвящены фундаментальные исследования В. С. Постникова, М.А. Кришталла, Ю.В. Пигузова, С.А. Головина и др. В проблемной лаборатории металлических материалов с высокими вибропоглощающими свойствами ВятГУ (научный руководитель Кондратов В.М.) разрабатываются функциональные материалы с высокой демпфирующей способностью. Однако высокое внутреннее трение становится нежелательным в случае использования материала для изготовления колоколов и звучащих элементов ударных музыкальных инструментов. Для изготовления гармонично звучащего колокола нужен металл с особыми физическими свойствами, в котором в максимальной степени подавлены все источники релаксации, т.е. металл с минимальным внутренним трением.
Строительство и восстановление церквей и монастырей вызвало потребность в производстве колоколов высокого качества и в реставрации старинных исторических колоколов. Производством колоколов сейчас заняты многие промышленные предприятия: ООО «Вятские колокола» (г. Киров), «Вера» (г. Воронеж), «ИТАЛМАС» (г. Тутаев), «Отменное литье» (г. Минск), ЗАО «Пятков и К» (г. Каменск-Уральский) и др.
Развитие колокололитейного производства непосредственно связано с улучшением качества звучания колоколов, повышением механических и функциональных характеристик сплава. Для достижения оптимального соотношения цены и качества при производстве колоколов сплавы должны быть экономнолегированными, что требует научно обоснованного выбора их композиций и применения оптимальных режимов термической обработки. Это требует знания закономерностей формирования структуры, функциональных и физико-механических свойств колокольных сплавов, следовательно, их изучение весьма актуально.
Целью данной диссертационной работы является изучение закономерностей влияния состава колокольных бронз и режимов термической обработки на их структуру, механические свойства, демпфирующую способность и разработка на их основе экономнолегированных сплавов.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
исследовать кинетику фазовых превращений, морфологию микроструктур, механические свойства и демпфирующую способность сплавов систем Сu-Sn, Сu-Sn-Sb, Cu-Si и установить корреляционные зависимости между составом, структурой и свойствами;
рассмотреть особенности структурообразования при различных методах литья с оценкой демпфирующих свойств;
показать возможность аналитической оценки по химическому составу акустических свойств медных сплавов и обосновать ее использование для прогнозирования функциональных свойств колоколов;
разработать рекомендации по химическому составу бронз и режимам термической обработки для достижения минимального уровня демпфирования ( 0,1%) и комплекса механических свойств:
B 215 МПа, 1 %, 140…160 HV Научная новизна 1. Впервые проведено комплексное исследование структуры, механических свойств и демпфирующей способности нового класса литейных бронз с 5 – 7 % кремния, предназначенных для производства колоколов.
2. Показана возможность научно обоснованного прогнозирования акустических свойств колокольных бронз. Предложена объективная оценочная характеристика резонансного металлического материала – «акустическая константа», с увеличением значения которой улучшается качество звучания колокола.
3. Установлены закономерности влияния режимов термической обработки на изменение демпфирующей способности и механических свойств исследуемых бронз. Показано, что после закалки и старения сплавы имеют минимальное демпфирование при образовании мелкодисперсной структуры с высокой степенью ликвации по основным элементам, что обеспечивает длительность звучания колокола 4. Обнаружено, что в медных сплавах, содержащих 5 – 7 % кремния, в литом состоянии присутствует '-фаза, представляющая собой электронное соединение Cu5Si, отвечающая за качество звучания материала.
5. Показано, что демпфирующая способность кремнистых бронз обусловлена определенным структурным состоянием. Минимальный уровень демпфирования исследуемых сплавов предполагает наличие в структуре следующих фаз:
-твердого раствора легирующих элементов в меди и интерметаллида Cu5Si.
Практическая значимость Разработан и апробирован новый сплав, характеризующийся тем же уровнем звучания, что и классическая колокольная бронза, но превосходящий ее по прочностным свойствам;
разработана технология выплавки нового сплава;
рекомендованы режимы термической обработки, обеспечивающие повышение прочностных и пластических свойств, а также снижение демпфирующей способности;
даны рекомендации по выбору материала для колоколов и других музыкальных инструментов;
результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении соответствующих разделов дисциплин «Материаловедение» и «Методы упрочнения и выбор материала».
Основные положения, выносимые на защиту 1. Комплексная оценка структуры механических свойств и демпфирующей способности бронзы, предназначенной для изготовления колоколов и других музыкальных инструментов в исходном литом состоянии, после закалки и старения с применением современных методов исследований, позволяющих получить точные и достоверные данные.
2. Установление наиболее значимых характеристик, отвечающих за звучание колокола (демпфирующая способность, модуль Юнга, плотность материла).
3. Объективная оценочная характеристика резонансного металлического материала, включающая в себя демпфирующую способность, модуль Юнга и плотность материала, позволяющая судить о качестве резонансного материала.
4. Закономерности влияния структуры, режимов термической обработки на изменение демпфирующей способности и механических свойств сплавов БрК5ЖЦС, БрК6Мц.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы изложены на международной научной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (г. Волгоград, 2004), на II Международной школе «Физическое материаловедение», на XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Тольятти, 2006), на XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2006), на Всероссийских ежегодных научно-технических конференциях «Наука – производство – технологии – экология» (г. Киров, 2004 – 2009), на Всероссийской конференция «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Екатеринбург, 2008), на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов с международным участием (г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2009), на XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Пермь, 2010).
Публикации Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах, в том числе: одна статья в журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы Диссертационная работа изложена на 127 страницах машинописного текста, включает 73 рисунка и 11 таблиц.
Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 86 наименований, приложений.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы, определена цель работы, приведены программа исследований, научная новизна и практическая значимость работы.
Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы и постановке задач исследования. Показано, что исторические пути развития колокололитейного производства привели к удачному выбору материала для колоколов на основе высокооловянной бронзы с 20 – 22 % олова.
Структура литой колокольной бронзы с 22 % олова состоит из первичных кристаллов -фазы, окруженной (+)-эвтектоидом.
Наличие твердого и хрупкого интерметаллида Cu31Sn8 (-фазы) определяет акустические свойства сплава – чем его больше в сплаве, тем ниже уровень внутреннего рассеяния энергии колебаний и, следовательно, выше качество звучания колокола.
Хорошо известно, что медь и олово в последнее время являются дорогостоящими материалами, а олово, кроме того, и дефицитным материалом, поэтому актуально проведение исследований по замене высокооловянных бронз.
С учетом того, что для отливок такой сложной конфигурации, как колокола, должен применяться сплав, имеющий низкое демпфирование, высокие механические и литейные свойства, был проведен анализ сплавов, отвечающих этим требованиям.
Заменителем дорогостоящей и дефицитной высокооловянной бронзы может быть сурьмяная, в которой часть олова заменена сурьмой. По свойствам они схожи, а себестоимость отливок из сурьмяных бронз ниже, чем высокооловянных.
Во второй главе работы показано, что среди всех легирующих элементов, повышающих упругие свойства и обеспечивающих достаточную пластичность колокольного сплава, кремний является менее дорогостоящим и дефицитным элементом. Поэтому в качестве основного легирующего элемента безоловянной бронзы был выбран кремний. Для улучшения комплекса свойств сплавы дополнительно легировались марганцем, цинком, железом.
Кремнистые бронзы обладают достаточно высокой жидкотекучестью и более высокими механическими свойствами, чем оловянные, и превосходят их в отношении коррозионной стойкости и плотности отливки, не теряют своих свойств при низких температурах.
С точки зрения акустики, распределение тонов в звуковом спектре колокола зависит от профиля его стенки, а длительность их звучания и равномерность затухания – в значительной степени от материала сплава. Последнее достигается малым рассеянием энергии колебаний в материале (малым внутренним трением материала). Колокол, колебания которого затухают слишком быстро, называют «мертвым». Поэтому проведение исследований по влиянию структуры колокольных бронз на демпфирующие свойства сплавов имеют большое значение для практики колокольного производства.
Оценка качества материала для колоколов до сих пор носила чисто субъективный характер. В качестве акустической сравнительной характеристики колокольной бронзы нами предложен параметр 1 Е K=, c где – коэффициент рассеяния энергии колебаний;
с – скорость звуковой волны в воздухе, м/c;
Е – модуль Юнга, Па;
– плотность металла, кг/м3.
С увеличением значения акустической константы К улучшается качество звучания колокола.
В третьей главе обосновываются выбор материалов для исследования и технология получения опытных образцов, описываются условия и методика эксперимента, методы сравнительного анализа полученных результатов.
Для реализации поставленной в работе задачи были выбраны марки бронз с химическим составом, приведенным в табл. 1.
Таблица 1 – Химический состав бронз Содержание элементов, масс. % Сплав Cu Sn Sb Si Fe Zn Mn Pb БрО22 78,00 22,00 - - - - - БрО10Су9С 80,20 10,00 9,00 - - - - 0, БрК5ЖЦС 91,99 - - 5,30 0,88 0,99 - 0, БрК6Мц 92,24 - - 5,85 - - 1,20 Опытные плавки получали в графитовом тигле на чистых шихтовых материалах в индукционной печи под слоем древесного угля. Дегазацию сплавов аргоном производили через графитовую трубку.
Исследования проводили на образцах, вырезанных из опытно промышленных отливок диаметром 100 мм и длиной 200 мм, полученных литьем в кокиль, в песчано-глинистые формы и литьем по выплавляемым моделям (ЛВМ).
Для оценки длительности звучания колоколов, были изготовлены церковные колокола «русской формы».
Химический состав бронз определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Аналюст-300» фирмы «Перкин – Элмер».
Металлографические исследования выполняли на оптическом микроскопе Neophot 2. Электронно-микроскопическое исследование проводили на электронном микроскопе ЭММА-2.
Методом рентгеноструктурного анализа определяли вид и параметры решетки образующихся фаз. Исследования проводили на дифрактометре ДРОН-3М (ДРОН-2.0) в кобальтовом и медном k-излучении с вращением образцов в своей плоскости углов от 10 до 40°.
Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) проводили на микроанализаторе Superprobe-733 фирмы JEOL (Япония).
Механические свойства определяли по стандартным методикам на стандартных образцах. Испытание на растяжение проводили на машине УТС100-1. Испытания на сжатие проводилось на машине FPZ 100/1. Твердость определяли на твердомерах типа Виккерс, Роквелл. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3.
Определение демпфирующей способности производили методом свободных крутильных колебаний.
В четвертой главе представлены результаты исследования образцов колокольных бронз как в исходном состоянии после литья, так и в после различных видов термической обработки.
При определении демпфирующих свойств колокольных бронз в первую очередь были исследованы образцы из классической колокольной бронзы (20 – 22 % олова, 78 – 80 % меди), полученные при различных условиях литья, с целью установления амплитудной зависимости демпфирующей способности от способа получения отливки (скорости охлаждения сплава). В дальнейшем изучали сплавы на основе кремния, дополнительно легированные железом, марганцем, цинком, свинцом, в литом состоянии и после различных режимов термической обработки. Также исследовался колокольный сплав, в котором часть олова была заменена сурьмой.
Амплитудная зависимость демпфирующей способности определялась по методике, приведенной в третьей главе диссертации. Испытанию подвергались образцы из классической колокольной бронзы, полученной при литье в металлические формы (кокиль), песчано-глинистые формы (земля), ЛВМ, а также образцы из кремнистых бронз в исходном состоянии (литье в кокиль), после закалки от 750 °С после закалки от 750 °С и последующего старения при 450 °С в течение 2 часов.
Для всех образцов были получены первичные виброграммы затухания колебаний, в результате обработки которых была установлена амплитудная зависимость демпфирующей способности.
Исследования образцов из классической колокольной бронзы, полученных при различных условиях литья, показали близкую к линейной амплитудную зависимость демпфирующей способности. Коэффициент рассеяния энергии отличался практически одинаковым низким уровнем. Наименьшей демпфирующей способностью обладал материал образца, полученный при литье в кокиль. Более медленное охлаждение сплава приводило к незначительному повышению уровня демпфирования (рис. 1).
Испытания многокомпонентных колокольных бронз в литом состоянии показали также достаточно низкий уровень демпфирующей способности, близкой к уровню классического колокольного сплава (рис. 2). Сплав с сурьмой показал монотонное увеличение относительного рассеяния энергии при повышении,% 0, 0, 0, 0,25, 0, 0,00 0,10 0,15 0, Рис. 1. Амплитудная зависимость демпфирующей способности БрО22:
1 – литье в кокиль;
2 – литье в землю;
3 – ЛВМ амплитуды практически параллельно кривой оловянной бронзы, причем уровень рассеяния энергии был выше примерно на 15 %. Сплавы с кремнием по сравнению с оловянной и сурьмяной бронзами обладали большей зависимостью демпфирующей способности от амплитуды. При значениях, равного 0,0410-3 и 0,1510-3 соответственно, сплавы БрК5ЖЦС и БрК6Мц имели более низкий уровень рассеяния энергии, чем оловянные бронзы. При дальнейшем увеличении демпфирование резко возрастало.
Для установления связи демпфирующей способности кремнистых бронз с их структурой были исследованы образцы колокольных сплавов после различных видов термической обработки.
При закалке от 750 °С уровень демпфирования сплава БрК6Мц незначительно вырос. Последующее старение при 450 °С, проведенное на тех же образцах без переналадки установки, привело к резкому изменению характера кривой: амплитудная зависимость демпфирующей способности сплава стала носить практически линейный характер.
Термическая обработка сплава БрК5ЖЦС также привела к ощутимым изменениям уровня рассеяния энергии. При закалке от 750 °С в воде произошло резкое, почти трехкратное увеличение демпфирующих свойств сплава во всем диапазоне амплитуд.
Старение сплава при 450 °С привело к резкому изменению демпфирующей способности сплава. Если при малых значениях амплитуды ( 0,0510-3) демпфирование снизилось лишь на 10 – 15 % по сравнению с литым состоянием, то при больших значение коэффициента рассеивания энергии снизилось в 3 – раза.
,% 0, 4 0, 0, 0, 0, 0,30, 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0, Рис. 2. Амплитудная зависимость демпфирующей способности колокольных бронз: 1 – БрО22 (кокиль);
2 – БрО10Су9С (кокиль);
3 – БрК6Мц (кокиль);
4 – БрК6Мц (закалка от 750 °С и старение);
5 – БрК5ЖЦС (кокиль);
6 – БрК5ЖЦС (закалка от 750 °С и старение) Таким образом, как видно из сводного графика, изображенного на рис. 2, все исследуемые сплавы обладают достаточно низким значением коэффициента рассеивания энергии во всем диапазоне амплитуд. Минимальный уровень демпфирования оловянная и сурьмяная бронзы имеют в литом состоянии, кремнистые бронзы – после закалки на 750 °С и последующего старения при 450 °С.
С целью объяснения природы физико-механических и технологических свойств колокольных бронз исследовали микроструктуру классической бронзы БрО22, полученной в различных условиях литья, а также микроструктуру ее перспективных заменителей, как в исходном состоянии, так и после различных видов термической обработки.
В связи с достаточно большим интервалом кристаллизации в сплаве БрО22, независимо от вида литья, наблюдается усадочная пористость, распределенная в междендритных и внутридендритных пространствах, рассеянная по большому объему.
Структура всех исследуемых бронз в литом состоянии имеет характерное дендритное строение. Оси и ветви дендритов представляют собой -фазу, отображенную на фотографиях в виде светлых областей (рис. 3). Междендритное пространство заполнено эвтектоидом +.
На рис. 3 хорошо видно, что сплав, полученный литьем в кокиль, обладает более мелкозернистой структурой и содержит большее количество эвтектоида дисперсного строения. Данная микроструктура соответствует сплаву с минимальным уровнем рассеяния энергии.
а б в г Рис. 3. Микроструктура колокольной бронзы в литом состоянии:
а – БрО22 (кокиль);
б – БрО22(ЛВМ);
в – БрО10Су9С (ЛВМ). 200;
г – БрО22 (кокиль). Более медленное охлаждение сплава не приводит к выделению других фаз.
При травлении 5%-ным раствором FeCl3 в соляной кислоте строение эвтектоида выявляется четче и хорошо различимо при большем увеличении (рис. 3,г ).
Эвтектоид заключен между светлыми дендритами -твердого раствора в виде серой области, содержащей черные включения – частицы интерметаллида Cu31Sn8 (-фазы), распределенные в матрице из насыщенного твердого раствора олова в меди.
Сурьмяная бронза также имеет гетерогенную структуру, характеризующуюся дендритной основой, образуемой кристаллами -твердого раствора, зафиксированной на фотографии как светлая область. Междендритное пространство заполнено эвтектоидом сложного состава (++) в виде серой области с темными включениями (рис. 3,в).
Кремнистые бронзы в неравновесном состоянии имеют дендритную структуру, оси и ветви дендритов представляют собой -твердый раствор легирующих элементов в меди. Ось дендрита, более светлая, образовавшаяся при затвердевании в первую очередь, содержит меньшее количество легирующих элементов, более темная периферийная область, образовавшаяся позднее, ими более обогащена (рис. 4).
Бронза БрК5ЖЦС имеет явно выраженную гетерогенную структуру: даже при небольшом увеличении видно, что в междендритном пространстве присутствует относительно небольшое количество мелкодисперсного эвтектоида, различимого на шлифах как однородные серые области.
Сплав БрК6Мц имеет более мелкозернистую, чем у БрК5ЖЦС дендритную структуру (рис. 4, б). Дендриты -фазы также окружены мелкодисперсным эвтектоидом +.
Для изучения равновесной структуры проводился гомогенизирующий отжиг. Дендритная структура образцов кремнистой бронзы полностью исчезла лишь после 40 часов выдержки в печи при температуре 750 °С. В равновесном состоянии сплавы состоят из зерен -твердого раствора и эвтектоида +, что хорошо соотносится с литературными данными.
а б Рис. 4. Микроструктура кремнистых бронз в литом состоянии:
а – БрК5ЖЦС;
б – БрК6Мц. Закалка гомогенизированных образцов из кремнистых бронз от 750 °С зафиксировала структуру, состоящую из зерен -твердого раствора с двойниками (рис. 5).
Старение образцов при 450 °С привело к дисперсионному выделению частиц '-фазы (рис. 6).
Рис. 5. Микроструктура кремнистой Рис. 6. Микроструктура бронзы бронзы БрК5ЖЦС после закалки БрК5ЖЦС после закалки от 750 °С и старения при 450 °С. от 750 °С. Микрорентгеноспектральный анализ показал примерно одинаковый состав фаз во всех образцах. В результате обработки спектрограмм было выяснено, что -фаза в оловянной бронзе состояла из 8,63 – 16,41 % олова (по массе);
эвтектоид имел состав по массе 24,78 – 30,90 % олова.
Для получения качественной картины распределения меди и олова по сечению образцов, полученных в различных условиях литья, производили РСМА в режиме сканирования, при записи концентрационных кривых использовали линейный анализ.
Концентрационные кривые распределения меди и олова в образцах колокольной бронзы, полученных в различных условиях литья, свидетельствуют о большой ликвационной внутридендритной неоднородности по сечению образца вне зависимости от скорости его охлаждения (рис. 7).
Для идентификации фазового состава проводили рентгеновское исследование колокольных бронз и определяли параметры кристаллических решеток выявленных фаз.
Результаты расчета дифрактограмм показывают достаточно хорошее соответствие теоретических и расчетных значений межплоскостных расстояний решетки.
На дифрактограммах литых образцов кремнистых бронз четко видны рефлексы, относящиеся к ГЦК-решетке -фазы. На основе анализа данных о межплоскостных расстояниях фаз и об их интенсивностях, а также на основании диаграмм состояния и литературных данных, в структуре кремнистой бронзы после литья идентифицирована фаза Cu5Si ('-фаза), представляющая собой электронное соединение с электронной концентрацией 3:2.
а б Рис.7. Концентрационные кривые распределения элементов образцов бронзы БрО22: а – литье в кокиль;
б – литье в землю Последующая закалка меняет дифракционную картину. В кремнистых бронзах в результате закалки от 750 °С, где фиксируется однородный -твердый раствор на основе меди, наблюдаются классические интерференционные линии ГЦК -твердого раствора. Период -решетки находится в зависимости от содержания в ней кремния. Определив экспериментально периоды -фазы по линии (111), обнаружили отличие параметров после закалки от параметров литого состояния.
Из расшифровки дифрактограмм после закалки от 750 °С, и последующего старения при 450 °С следует, что при старении выделяются частицы '-фазы (рис. 8).
Интенсивность интерференционных пиков от отражающихся плоскостей кристаллов сплава -фазы твердого раствора повышается. Это можно объяснить тем, что старение при 450 °С, снимает внутренние напряжения в металле, при этом искажение кристаллической решетки несколько снижается и, согласно уравнению Вульфа-Брегга, происходит классический механизм дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке.
В то же время интенсивность интерференционных линий может изменяться в зависимости от плотности выделений фазы Cu5Si.
Рентгеновский анализ показывает небольшое уширение интерференционных линий. Их смещение интерпретируется как увеличение зональных напряжений внутри кристаллической решетки, т.е. приводит к повышению прочностных свойств сплава.
100 90 80 70 60 50 40 100 90 80 70 60 50 Угол дифракции 2, град.
Рис. 8. Фрагменты дифрактограмм образцов колокольной бронзы БрК5ЖЦС после закалки и старения Максимальная прочность и твердость оловянной колокольной бронзы достигается при литье в кокиль (табл. 2). Уменьшение скорости охлаждения сплава влечет за собой снижение прочности и твердости при одинаково низкой пластичности. Кремнистые бронзы имеют более высокие механические свойствами, чем оловянная и сурьмяная.
Таблица 2 – Механические свойства колокольных бронз B, МПа, % Сплав Вид литья HV не менее БрО22 кокиль 280 1 165… БрО22 земля 215 - 147… БрО22 ВМ 208 - 144… БрО10Су9С кокиль 236 3 186… БрК5ЖЦС кокиль 400 7 147… БрК6Мц кокиль 450 1 154… В пятой главе приведен анализ полученных результатов и объяснены закономерности формирования структуры колокольных бронз и ее влияние на механические и акустические свойства изучаемых сплавов.
О л о в я н н а я б р о н з а. Исследования влияния скорости кристаллизации на эксплуатационные свойства высокооловянных колокольных бронз показали, что, несмотря на различную морфологию микроструктур, разница в уровне демпфирования образцов, полученных при различных условиях литья, незначительна.
С у р ь м я н а я б р о н з а обладает близкими к классическому сплаву прочностными характеристиками, но более пластична. Микроструктура сплава подобна структуре высокооловянной бронзы. Пониженное количество фазы Cu31Sn8 (-фазы) компенсируется присутствием интерметаллида Cu3Sb (-фазы), которая имеет идентичные свойства. Демпфирующая способность на 15 – 17 % выше уровня демпфирования высокооловянной бронзы.
К р е м н и с т ы е б р о н з ы. При сравнении колокольных сплавов в исходном состоянии (литье в кокиль) было выяснено, что все сплавы обладают низким демпфированием. Кремнистые бронзы с содержанием 5 – 6 % кремния обладают более высокими механическими свойствами, чем высокооловянные.
Прочность этих бронз приблизительно в полтора раза выше прочности исходной оловянной при практически идентичной твердости. Небольшие добавки марганца и цинка оказывают одинаковое действие – легируя твердый раствор, повышают прочность и твердость сплава. Введение в кремнистую бронзу железа оказывает модифицирующее действие, что способствует измельчению литой структуры, о чем свидетельствуют данные микроскопического исследования. Наряду с высокими значениями прочности и твердости, данные бронзы обладают повышенной пластичностью, которая в несколько раз превышает пластичность оловянной колокольной бронзы. Структура бронзы также характеризуется наличием мягкой матрицы -твердого раствора и мелкодисперсного эвтектоида, в котором присутствует интерметаллид на базе соединения Cu5Si.
В результате термической обработки кремнистых бронз было достигнуто значительное снижение демпфирующей способности.
Проведенная закалка от 750 °С в воду зафиксировала структуру пересыщенного -твердого раствора кремния и легирующих элементов в меди с двойниками. Такому состоянию сплава соответствует максимальное демпфирование.
В процессе старения этих сплавов при температуре 400 °С в течение 2 часов происходит дисперсное упорядочивание -твердого раствора, т.е. образование микрообластей, когерентных с матрицей, с локальным дальним порядком и с повышенной концентрацией легирующего компонента. Образованная таким образом фаза Cu5Si ('-фаза) обеспечивает минимальное демпфирование сплава после такого рода термообработки.
Выводы 1. Решена актуальная научно-техническая задача получения, систематизирования и обобщения сведений о структуре, химическом и фазовом составе, физико-механических свойствах колокольных бронз. Установлено, что низкий уровень демпфирующей способности ( 0,1 %) имеют сплавы с мелкодисперсной дендритно-эвтектоидной структурой с высокой степенью внутризеренной ликвации по основным элементам.
2. Показано, что закалка и старение бронз с 5 – 7 % кремния приводит к выделению из твердого раствора мелкодисперсной '-фазы, что упрочняет сплав и снижает демпфирующую способность до более низкого уровня, чем в литом состоянии. Рекомендован режим термической обработки: закалка от 750 °С и старение в течение 2 часов при температуре 450 °С. Этот режим обеспечивает минимальный уровень демпфирования ( 0,1 %) и комплекс механических свойств:
B 400 МПа, 1 %, 147…186 HV.
3. Исследование высокооловянной бронзы в различных условиях литья показали малую зависимость ее демпфирующей способности от условий кристаллизации, что делает возможным производство колоколов различными методами литья (в кокиль, землю, по выплавляемым моделям).
4. Показана возможность научно обоснованного прогнозирования акустических свойств колокольных бронз. Предложена объективная оценочная характеристика резонансного металлического материала – «акустическая константа» К, с увеличением значения которой улучшается качество звучания материала. Высокое значение акустической константы имеют высокооловянные бронзы (К=150...200), традиционно применяемые для производства колоколов. Разработанные бронзы с 5 – 7 % кремния имеют К = 200…250.
5. Установлено, что среди широкого круга изученных сплавов систем Cu – Sn, Cu – Sn – Sb, Cu – Si – Ме вновь разработанные бронзы БрК6Мц, БрК5ЖЦС являются высокотехнологичными колокольными бронзами, обладающими улучшенным комплексом основных функциональных характеристик, обеспечивающих требуемый уровень качества литого металла, не снижающий спектр акустических свойств колокола.
6. Выявлено, что основным фактором, определяющим акустические свойства кремнистой колокольной бронзы, следует считать наличие в сплаве '-фазы, позволяющей получить структуру с минимальным уровнем внутреннего рассеяния энергии колебаний. Рентгеноструктурным анализом определены параметры '-фазы после литья, закалки и старения. '-фаза представляет собой электронное соединение Cu5Si с электронной концентрацией 3:2.
7. Установлено, что в случае применения сурьмяной бронзы БрО10Су9С можно достичь значительного экономического эффекта за счет замены части дорогостоящего олова сурьмой без значительного повышения демпфирующей способности.
8. Проведенные исследования на натурных образцах – колоколах массой 2 кг, изготовленных методом литья по выплавляемым моделям из бронз БрК6Мц, БрК5ЖЦС, показали их высокое качество – обертональное богатство и длительное затухание звука.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ Лисовский, В.А. Экономнолегированные колокольные бронзы с повышенными характеристиками механических свойств [Текст]/В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Б.Лисовская, Ю.К. Фавстов//Металловедение и термическая обработка. – 2007. – № 5. – С. 23-25.
Научные статьи, опубликованные в периодических изданиях 1. Лисовский, В. А. Звучащая бронза [Текст] / В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Г. Смирнова, О.Б. Лисовская // Наука-производство технологии-экология: тез. докл. всероссийской ежегодной научно-технической конференции / ВятГУ. – Киров, 2004. – С.8 - 9.
2. Лисовский, В. А. Сурьмяные бронзы [Текст] / В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Г. Смирнова, О.Б.Лисовская // Наука-производство технологии-экология: тез. докл. всероссийской ежегодной научно-технической конференции / ВятГУ. – Киров, 2004. – С. 10.
3. Лисовский, В. А. Колокольная бронза: прошлое и настоящее [Текст] / В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Г. Смирнова, О.Б.Лисовская // Новые перспективные материалы и технология их получения: тез. докл. международной научной конференции / ВолгГТУ. – Волгоград, 2004. – С. 142 - 143.
4. Лисовский, В. А. Демпфирование в колоколах [Текст]/ В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Г. Смирнова, О.Б.Лисовская // Наука-производство технологии-экология: тез. докл. всероссийской ежегодной научно-технической конференции / ВятГУ. – Киров, 2005. – С. 8 - 9.
5. Лисовский, В. А. Оптимизация выбора материалов для колоколов и других ударных инструментов [Текст] / В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Б.Лисовская // Наука-производство-технологии-экология: тез. докл. всероссийской ежегодной научно-технической конференции / ВятГУ. – Киров, 2006. – С. 67 - 70.
6. Лисовский, В. А. Экономнолегированные колокольные бронзы с повышенными механическими свойствами [Текст] / В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Б. Лисовская // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: тез. докл. II Международной школы «Физическое материаловедение;
XVIII Уральской школы металловедов термистов / ТГУ. – Тольятти, 2006. – С. 132.
7. Шешунова, Е.И. Демпфирующая способность высокопрочных бронз, рекомендуемых для изготовления колоколов [Текст] / Е.И. Шешунова, Ю.К. Фавстов, В. А. Лисовский // Физика прочности и пластичности материалов:
тез. докл. международной конференции / СамГТУ. – Самара, 2006. – С. 112.
8. Лисовский, В. А. Закономерности формирования структуры и свойств материалов для колоколов и других ударных инструментов [Текст] / В. А. Лисовский, Л.П. Кочеткова, О.Б.Лисовская // Наука-производство технологии-экология: тез. докл. всероссийской ежегодной научно-технической конференции / ВятГУ. – Киров, 2007. – С. 54 - 58.
9. Лисовский, В. А. Исследование демпфирующей способности, фазового строения и механических свойств многокомпонентных сплавов на основе меди [Текст] /В. А. Лисовский, О. Б. Лисовская // Научно-методические и научные фундаментальные и прикладные исследования в области нанотехнологий на кафедрах материаловедения и технологии конструкционных материалов вузов России: сб. науч. тр. / АЧГАА. – Зерноград, 2008. – С. 158 - 170.
10. Лисовский, В. А. Фазовый состав сложнолегированной кремнистой бронзы [Текст] / В. А. Лисовский, О.Б. Лисовская // Наука-производство технологии-экология: тез. докл. всероссийской ежегодной научно-технической конференции / ВятГУ. – Киров, 2008. – С. 60 - 62.
11. Лисовский, В. А. Структура, фазовый состав и свойства литейной кремнистой бронзы БрК6Мц [Текст] / В. А. Лисовский, Т. В. Шангина // Наука производство-технологии-экология: тез. докл. всероссийской ежегодной научно технической конференции / ВятГУ. – Киров, 2009. – С. 150 - 151.
12. Лисовский, В. А. Демпфирующая способность литейных кремнистых бронз и ее зависимость от структуры [Текст] / В.А. Лисовский // Будущее машиностроения России: сб. науч. тр. Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов с международным участием. – МГТУ им. Баумана. – М., 2009. – С. 232.
13. Лисовский, В. А. Демпфирующая способность в сплавах на медной основе [Текст] / В. А. Лисовский // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: тез. докл. всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика В. Л. Садовского / УГТУ УПИ – Екатеринбург, 2008. – С. 227.
14. Лисовский, В. А. Структура и демпфирующая способность никель содержащей кремнистой бронзы [Текст] / В. А. Лисовский, Л. П. Кочеткова, Л. Я.
Кабешова, О. Б. Лисовская // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: тез. докл. XX Уральской школы металловедов-термистов, посвященной 100-летию со дня рождения Н. Н. Липчина / ПГТУ. – Пермь,2010. – С. 124.
Депонированные научные работы Исследование демпфирующей способности двойных и многокомпонентных колокольных бронз в различных структурных состояниях [Текст] / В. А.
Лисовский [и др.] – М., 2006 – 50 с.– Деп. в ВИНИТИ 03.04.06, №363-В2006.
Изобретения Пат. 2265894 Российская федерация, МПК7G10К 1/00, 2 265 894(17)С1.
Материал для изготовления колоколов и звучащих элементов ударных музыкальных элементов [Текст] / Лисовский В. А., Лисовская О. Б.;
заявитель и патентообладатель Вятский гос. ун-т. – № 2004120827;
заявл. 07.07.04;
опубл.
10.12.05, Бюл. № 34. – 4 с.