Si and Mn Effect on Mechanical Properties and Linear Shrinking of Non-Magnetic Cu-Al System Cast Bronzes
Loading...
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Dnipro University of Technology, Dnipro
Abstract
ENG: Purpose. To establish Si and Mn influence on mechanical properties level at 20 °C and aluminum bronzes structure with Al from 3 to 9 % mass content investigation. Methodology. Cast bronzes mechanical properties have been determined based on their fracture results on FP-100/1 machine and PSW-30 pendulum impactor. Microstructure has been examined using Neophot-21 optical microscope. Bronzes linear shrinkage coefficients have been calculated based on results of determining cast cylindrical samples lengths changes. Si and Mn complex influence on bronzes properties has been determined by the results of simplex triangles according to H. Scheffer plan constructing. Temperature has been measured with chromel-alumel thermocouple completed with electronic potentiometer. Bronzes chemical composition has been determined on EXPERT 4L analyzer. Findings. Silicon (up to 2 %) and manganese (up to 2 %) adding to Cu-Al system bronze, while aluminum content from 9 to 3 % reducing, leads to bronze ultimate tensile and yield strength decreasing during stretching and its plasticity increasing. At the same time, bronze structure, at any combination of Al, Si and Mn contents within their changes in studied limits, remains single-phase. Originality. For the first time, comprehensive assessment of influence of Si and Mn with simultaneous decrease in Al content on mechanical properties and linear shrinkage of Cu-Al-Si-Mn system cast bronzes has been carried out. It has been established that all bronzes of studied compositions have a single-phase structure and mechanical properties level that is inherent for pressure-worked bronzes. Practical value. The research results expand understanding about elemental and complex influence of Si and Mn on aluminum bronzes properties, provide an opportunity to choose a bronze with properties required level from its cast billet for deformation or to design castings taking into account the linear shrinkage values discovered in this work. The data obtained can also be the basis for new foundry, corrosion-resistant, non-magnetic bronzes, which have strength and density at the level of some carbon steel grades, development. Such materials have been used for parts that operate in chemically aggressive environments manufacturing, for control and measuring equipment and devices parts, for ship parts and naval devices, fittings, bushings, couplings, intrinsically safe tools, etc.
UKR: Мета. Встановити закономірності впливу Si та Mn на рівень механічних властивостей при 20 °С і структуру алюмінієвих бронз з масовим вмістом Al від 3 до 9 %. Методика. Механічні властивості бронз у литому стані визначали за результатами їх руйнування на машині FP-100/1 і маятниковому копрі PSW-30. Мікроструктуру досліджували на оптичному мікроскопі Neophot-21. Коефіцієнти лінійної усадки бронз розраховували за результатами визначення зміни довжин литих циліндричних зразків. Комплексний вплив Si та Mn на властивості бронз визначали за результатами побудови симплекс-трикутників за планом Г. Шеффе. Температуру вимірювали хромель-алюмелевою термопарою у комплекті з електронним потенціометром. Хімічний склад бронз визначали на аналізаторі EXPERT 4L. Результати. Додавання до бронзи системи Cu-Al кремнію (до 2 %) і марганцю (до 2 %) при зниженні вмісту алюмінію з 9 до 3 % приводить до зменшення міцності та плинності при розтягуванні бронзи й підвищує її пластичність. При цьому структура бронзи у будь якій комбінації вмісту Al, Si та Mn у досліджених межах їх змін залишається однофазною. Наукова новизна. Уперше проведене комплексне оцінювання впливу Si та Mn з одночасним зниженням вмісту Al на механічні властивості та лінійну усадку литих бронз системи Cu-Al-Si-Mn. Встановлено, що всі бронзи досліджених складів мають однофазну структуру та рівень механічних властивостей, що притаманний бронзам для деформування. Практична значимість. Результати досліджень розширюють уявлення щодо поелементного й комплексного впливу Si та Mn на властивості алюмінієвих бронз, надають можливість обрати бронзу із потрібним для деформації рівнем властивостей її литої заготовки або проєктувати виливки з урахуванням встановлених у роботі величин лінійної усадки. Отримані дані також можуть бути базовими для розробки нових ливарних, корозійностійких немагнітних бронз, що мають міцність і щільність на рівні деяких марок вуглецевих сталей. Із таких матеріалів виготовляють деталі що працюють у хімічно-агресивних середовищах, у складі контрольно-вимірювальної апаратури та приладів, у складі суднових і корабельних пристроїв, арматури, втулки, муфти, іскро-безпечних інструментів, тощо.
UKR: Мета. Встановити закономірності впливу Si та Mn на рівень механічних властивостей при 20 °С і структуру алюмінієвих бронз з масовим вмістом Al від 3 до 9 %. Методика. Механічні властивості бронз у литому стані визначали за результатами їх руйнування на машині FP-100/1 і маятниковому копрі PSW-30. Мікроструктуру досліджували на оптичному мікроскопі Neophot-21. Коефіцієнти лінійної усадки бронз розраховували за результатами визначення зміни довжин литих циліндричних зразків. Комплексний вплив Si та Mn на властивості бронз визначали за результатами побудови симплекс-трикутників за планом Г. Шеффе. Температуру вимірювали хромель-алюмелевою термопарою у комплекті з електронним потенціометром. Хімічний склад бронз визначали на аналізаторі EXPERT 4L. Результати. Додавання до бронзи системи Cu-Al кремнію (до 2 %) і марганцю (до 2 %) при зниженні вмісту алюмінію з 9 до 3 % приводить до зменшення міцності та плинності при розтягуванні бронзи й підвищує її пластичність. При цьому структура бронзи у будь якій комбінації вмісту Al, Si та Mn у досліджених межах їх змін залишається однофазною. Наукова новизна. Уперше проведене комплексне оцінювання впливу Si та Mn з одночасним зниженням вмісту Al на механічні властивості та лінійну усадку литих бронз системи Cu-Al-Si-Mn. Встановлено, що всі бронзи досліджених складів мають однофазну структуру та рівень механічних властивостей, що притаманний бронзам для деформування. Практична значимість. Результати досліджень розширюють уявлення щодо поелементного й комплексного впливу Si та Mn на властивості алюмінієвих бронз, надають можливість обрати бронзу із потрібним для деформації рівнем властивостей її литої заготовки або проєктувати виливки з урахуванням встановлених у роботі величин лінійної усадки. Отримані дані також можуть бути базовими для розробки нових ливарних, корозійностійких немагнітних бронз, що мають міцність і щільність на рівні деяких марок вуглецевих сталей. Із таких матеріалів виготовляють деталі що працюють у хімічно-агресивних середовищах, у складі контрольно-вимірювальної апаратури та приладів, у складі суднових і корабельних пристроїв, арматури, втулки, муфти, іскро-безпечних інструментів, тощо.
Description
T. Kimstach: ORCID 0000-0002-8993-201X; K. Uzlov: ORCID 0000-0003-0744-9890; O. Bilyi: ORCID 0000-0003-1234-5404; S. Repiakh: ORCID 0000-0003-0203-4135
Keywords
bronze, strength, shrinkage, mechanical properties, aluminum, silicon, manganese, бронза, міцність, усадка, механічні властивості, алюміній, кремній, марганець, КМТОМ, КЛВ
Citation
Kimstach T. V., Uzlov K. I., Bilyi O. P., Repyakh S. I. Si and Mn Effect on Mechanical Properties and Linear Shrinking of Non-Magnetic Cu-Al System Cast Bronzes. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2025. No. 2. P. 113–120. DOI: https://doi.org/10.33271/nvngu/2025-2/113.