Tin Bronze Reinforced with Cu9Al4 Particles:
Mechanochemical Synthesis and Consolidation
by Sintering under Pressure

T. F. Grigoreva; Григорьева Т. Ф.; S. A. Kovaleva; Ковалева С. А.; V. I. Kvashnin; Квашнин В. И.; S. A. Petrova; Петрова С. А.; E. T. Devyatkina; Девяткина Е. Т.; S. V. Vosmerikov; Восмериков С. В.; V. I. Zhornik; Жорник В. И.; P. A. Vityaz; Витязь П. А.; N. Z. Lyakhov; Ляхов Н. З.

doi:10.31857/S0015323022600666

Tin Bronze Reinforced with Cu9Al4 Particles: Mechanochemical Synthesis and Consolidation by Sintering under Pressure

Authors: Grigoreva T.F.¹, Kovaleva S.A.², Kvashnin V.I.³^,4, Petrova S.A.⁵, Devyatkina E.T.¹, Vosmerikov S.V.¹, Zhornik V.I.², Vityaz P.A.², Lyakhov N.Z.¹
Affiliations:
1. Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
2. Joint Institute of Mechanical Engineering, National Academy of Sciences of Belarus
3. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
4. Novosibrsk State Technical University
5. Institute of Metallurgy, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Issue: Vol 124, No 1 (2023)
Pages: 61-67
Section: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
URL: https://rjmseer.com/0015-3230/article/view/662786
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323022600666
EDN: https://elibrary.ru/KNLUZW
ID: 662786

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract

X-ray diffraction analysis and optical and electron microscopy have been used to study the effect of mechanical activation conditions of the Cu–12% Sn mixture with different Cu9Al4 modifier contents on the structure and phase composition and morphology of formed composites. The mechanochemical intro-duction of 10 wt % of the modifying additive into the matrix of mechanically synthesized tin bronze mainly results in the formation of a ternary Al0.05Cu0.9Sn0.05 solid solution of aluminum and tin in copper. In the case of the 20 wt % modifying additive, the final product contains a Cu0.9Sn0.1 tin solid solution in copper and Cu9Al4 intermetallics. Studies of the mechanical and tribological characteristics of the material prepared by sintering under a pressure showed that the intensity of wear of the material based on the Cu–12 wt % Sn mechanochemically synthesized bronze is insignificant lower than that of commercial bronze alloy CuSn10P; the coefficient of friction (f) decreases by ~1.3 times and the range of its values is sufficiently wide,
f = 0.7–0.9. The modification of the Cu–12 wt % Sn mechanically synthesized bronze with the Cu9Al4 inter-metallics allowed us to decrease the intensity of wear by 1.3 to 1.6 times and to substantially decrease the coef-ficient of friction (by 1.2 to 1.6 times). The stable value f = 0.5 is reached for the mechanically activated
Cu‒12 wt % Sn + 20 wt % Cu9Al4 composition. The introduction of the intermetallics results in the increase in the microhardness of the alloys by 1.6 to 2 times (to Hμ = 2730 MPa) compared to those of CuSn10P and mechanically synthesized bronzes.

Keywords

tin bronze, Cu9Al4 intermetallics, modifying, mechanical activation, sintering under a pressure, intensity of wear, coefficient of friction, microhardness

References

Волочко А.Т. Модифицирование эвтектических и первичных частиц кремния в силуминах. Перспективы развития // Литье и металлургия. 2015. Т. 4(81). С. 38–45.
Dudina D.V., Bokhonov B.B., Batraev I.S., Amirastanov Y.N., Ukhina A.V., Kuchumova I.D., Legan M.A., Novoselov A.N., Gerasimov K.B., Bataev I.A., Georgarakis K., Koga G.Y., Guo Y., Botta W.J., Jorge A.M. Jr. Interaction between Fe66Cr10Nb5B19 metallic glass and aluminum during spark plasma sintering // Mater. Sci. Eng. A.2021. V. 799. P. 140165.
Бронзы оловянные литейные. ГОСТ 613-79.
Лукьянов Г.С., Никитин В.М. Алюминиевые лигатуры с мелкокристаллическим строением // Литейное производство. 1997. № 8–9. С. 13–14.
Feldshtein E., Kiełek P., Kiełek T., Dyachkova L., Letsko A. On some mechanical properties and wear behavior of sintered bronze based composites reinforced with some aluminides microadditives // Int. J. Appl. Mechan. Eng. 2017. V. 22. № 2. P. 293–302.
Celikyurek İ., Korpe N.O., Olcer T., Galer R. Microstructure, properties and wear behaviors of (Ni3Al)p reinforced Cu matrix composites // J. Mater. Sci. Technol. 2011. V. 27. № 10. P. 937–943.
Григорьева Т.Ф., Дудина Д.В., Петрова С.А., Ковалева С.А., Батраев И.С., Восмериков С.В., Девяткина Е.Т., Ляхов Н.З. Композиты с алюминиевой матрицей, упрочненные частицами Cu9Al4: механохимический синтез и консолидация методом электроискрового спекания // ФММ. 2021. Т. 122. № 8. С. 824–830.
Feng Li, Ishihara K.N., Shingu P.H. The Formation of Metastable Phases by Mechanical Alloying in the Aluminum and Copper System // Metal. Trans. A. 1991. V. 22A. P. 2850.
Kahtan S. Mohammed, Haider T. Naeem, Siti Nadira Iskak. Study of the feasibility of producing Al–Ni intermetallic compounds by mechanical alloying // PhMM. 2016. V. 117. № 8. P. 795–804.
Schwarz R.B., Srinivasan S., Desch P.B. Synthesis of metastable aluminum-based intermetallics by mechanical alloying // Mater. Sci. Forum. 1992. V. 88–90. P. 595–602.
D’Angelo L., Ochoa J., González G. Comparative study for the formation of the NiAl, TiAl, FeAl intermetallic compounds by mechanical alloying // J. Metastable and Nanocryst. Mater. 2004. V. 20–21. P. 231–236.
Бродова И.Г., Волков А.Ю., Ширинкина И.Г., Калонов А.А., Яблонских Т.И., Астафьев В.В., Елохина Л.В. Эволюция структуры и свойств тройных Al/Cu/Mg композитов при деформационно-термической обработке // ФММ. 2018. Т. 119. № 12. С. 1271–1277.
Елсуков Е.П., Ульянов А.Л., Порсев В.Е., Колодкин Д.А., Загайнов А.В., Немцова О.М. Особенности механического сплавления высококонцентрированных сплавов Fe–Cr // ФММ. 2018. Т. 119. № 2. С. 165–170.
Воронина Е.В., Аль Саеди А.К., Иванова А.Г., Аржников А.К., Дулов Е.Н. Структурно-фазовые превращения в процессе приготовления упорядоченных тройных сплавов систем Fe–Al–M (M = Ga, B, V, Mn) с использованием механосплавления // ФММ. 2019. Т. 120. № 12. С. 1314–1321.
Григорьева Т.Ф., Петрова C.А., Ковалева С.А., Дудина Д.В., Батраев И.С., Киселева Т.Ю., Жолудев С.И., Восмериков С.В., Девяткина Е.Т., Удалова Т.А., Поляков С.Н., Ляхов Н.З. Механохимический синтез порошков сплавов системы Cu–Al и их консолидация методом электроискрового спекания // ФММ. 2021. Т. 122. № 7. С. 729–736.
Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1986. 302 с.
Powder Diffraction File PDF4+ ICDD Release 2020.
Laugier J., Bochu B. LMGP-Suite of Programs for the interpretation of X-ray Experiments. ENSP. Grenoble: Lab. Materiaux genie Phys., 2003.
DIFFRACplus: TOPAS. Bruker AXS GmbH, Ostliche. Rheinbruckenstraße 50, D-76187, Karlsruhe, Germany. 2006.
Караваев М.Г., Кукареко В.А. Автоматизированный трибометр с возвратно-поступательным движением // Надежность машин и технических систем. 2001. № 1. С. 37–39.
Коростелева Е.Н. Формирование структуры и механические свойства спеченной алюминиевой бронзы. Дис. ... канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 2000. 218 с.