Mechanical Properties and Structure of Cu-Al-Si-Sn-Mn System Non-Magnetic Cast Bronzes

ENG: Purpose. To establish regularity of Cu-Al-Si-Sn-Mn system non-magnetic corrosion-resistant bronze chemical composition on structure and mechanical properties complex influence and to determine its rational composition in terms of suitability for manufacturing products by casting methods. Methodology. For bronzes mechanical properties determination FP-100/1 technique and PSW-30 pendulum machine are used. Neophot-21 microscope is used to study microstructures. Chemical elements ratio in local areas of structural components determination is carried out with SEM-515 microanalyzer. Bronzes fracture surfaces fractographic analysis is performed visually and using Coxem EM-40 electron microscope. Bronzes relative magnetic permeability is measured with Magnetomat 1.790 magnetometer. Alloys chemical composition is determined using EXPERT 4L analyzer. Findings. It has been established that Cu-Al-Si-Sn-Mn system bronze suitable for casting in sand molds should contain by weight 6.0‒7.5 % Al, 1.0‒2.5 % Si, 0.21‒0.45 % Mn and 1.0‒2.2 % Sn, and alloying chemical elements ratio and inevitable impurities, according to the formula: KR = (1‒0.01 nn) (Al-Si-Mn)/(1 + Sn)2, should be equal to 0.42‒0.85. Bronze with KR > 0.85 is low-strength, but ductile and, therefore, mainly suitable for manufacturing products from it by deformation methods. Bronze with KR < 0.42 is low-strength and brittle and it is not suitable for manufacturing products by either casting or deformation methods. Originality. For the first time, Cu-Al-Si-Sn-Mn system bronzes alloying elements complex influence on their mechanical properties and structure formation features has been determined. Cu-Al-Si-Sn-Mn system aluminum bronzes with KR value from 0.42 to 0.85 mechanical properties levels increase with Cu-solid solution relative volume fraction in their structures decreasing, that is, with KR value increasing. Practical value. The data obtained can be used as a basis for new casting, corrosion-resistant non-magnetic bronzes development that have strength and density at the level of carbon steels or aluminum bronzes alloyed with nickel and iron.

UKR: Мета. Встановити закономірності комплексного впливу хімічного складу на структуру й механічні властивості немагнітної корозійностійкої бронзи системи Cu-Al-Si-Sn-Mn і визначити її раціональний склад із точки зору придатності до виготовлення виробів способами лиття. Методика. Для визначення механічних властивостей бронз використовували машину FP-100/1 і копер PSW-30. Для дослідження мікроструктур використовували мікроскоп Neophot-21. Визначення співвідношення компонентів у локальних ділянках структурних складових проводили на мікроаналізаторі SEM–515. Фрактографічний аналіз поверхонь руйнування бронз проводили візуально й на мікроскопі Coxem EM-40. Відносну магнітну проникність бронз вимірювали магнітометром Magnetomat 1.790. Хімічний склад визначали за допомогою аналізатору EXPERT 4L. Результати. Встановлено, що придатна до лиття в піщані ливарні форми бронза системи Cu-Al-Si-Sn-Mn повинна містити за масою 6,0‒7,5 % Al, 1,0‒2,5 % Si, 0,21‒0,45 % Mn та 1,0‒2,2 % Sn, а співвідношення легуючих хімічних елементів і неминучих домішок, за формулою: KR = (1–0,01 · nn) · (Al–Si–Mn)/(1 + Sn)2, повинно дорівнювати 0,42‒0,85. Бронза з KR > 0,85 –маломіцна, але пластична й тому переважно придатна для виготовлення з неї виробів способами деформації, бронза з KR < 0,42 – маломіцна, крихка й не придатна ані для виготовлення виробів способами лиття, ані деформування. Наукова новизна. Уперше визначено комплексний вплив легуючих елементів бронз системи Cu-Al-Si-Sn-Mn на їх механічні властивості й особливості формування структури. Рівні механічних властивостей алюмінієвих бронз системи Cu-Al-Si-Sn-Mn з величиною KR від 0,42 до 0,85 підвищуються зі зниженням відносної об’ємної долі Cu-твердого розчину в їх структурах, тобто зі зростанням величини KR. Практична значимість. Отримані дані можуть бути базовими для розробки нових ливарних, корозійностійких немагнітних бронз, що мають міцність і щільність на рівні вуглецевих сталей або алюмінієвих бронз, легованих нікелем та залізом.