powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2024-3-16-27powder-891Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsСтруктура и свойства горячештампованного порошкового биметалла типа «сталь–бронза» с добавками SiCStructure and properties of hot-forged powder steel–bronze bimetal with SiC additiveshttps://orcid.org/0000-0001-6743-1727ДорофеевВ. Ю.DorofeyevV. Yu.

Владимир Юрьевич Дорофеев – д.т.н., профессор кафедры «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование»

Россия, 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Vladimir Yu. Dorofeyev – Dr. Sci. (Eng.), Professor at the Department of Engineering Technology, Technological Machines and Equipment

132 Prosveshcheniya Str., Novocherkassk, Rostov Region 346428, Russia

dvyu56.56@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6059-9831БессарабовЕ. Н.BessarabovE. N.

Евгений Николаевич Бессарабов – к.т.н., доцент кафедры «Между­народные логистические системы и комплексы»

Россия, 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Evgeniy N. Bessarabov – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor at the Department of International Logistics Systems and Comp­lexes

132 Prosveshcheniya Str., Novocherkassk, Rostov Region 346428, Russia

bess_555en@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9851-1073СвиридоваА. Н.SviridovaA. N.

Анна Николаевна Свиридова – к.т.н., доцент кафедры «Автомобили и транспортно-технологические комплексы»

Россия, 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Anna N. Sviridova – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor at the Depart­ment of Automobiles and Transport-Technological Comp­lexes

132 Prosveshcheniya Str., Novocherkassk, Rostov Region 346428, Russia

anysviridova@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9999-4049ИвановаИ. В.IvanovaI. V.

Инна Викторовна Иванова – к.т.н., доцент кафедры «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование»

Россия, 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Inna V. Ivanova – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor at the Depart­ment of Engineering Technology, Technological Machines and Equipment

132 Prosveshcheniya Str., Novocherkassk, Rostov Region 346428, Russia

ivicivanova@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0001-8552-2582СвистунЛ. И.SvistunL. I.

Лев Иванович Свистун – д.т.н., профессор кафедры «Инженерия систем управления, материалов и технологий в машиностроении»

Россия, 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2

Lev I. Svistun – Dr. Sci. (Eng.), Professor at the Department of Engineering of Control Systems, Materials and Technologies in Mechanical Engineering

2 Moskovskaya Str., Krasnodar 350072, Russia

levsvistun45@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7638-6021ВодолаженкоР. А.VodolazhenkoR. A.

Роман Анатольевич Водолаженко – к.т.н., доцент кафедры математики

Россия, 129090, г. Москва, Ленинградский пр-т, 80, корп. Г

Roman A. Vodolazhenko – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor at the Department of Mathematics

G Bld, 80 Leningradskiy Prosp., Moscow 129090, Russia

vra35977@gmail.comЮжно-Российский государственный политехнический университет им. М.И. Платова (НПИ)РоссияPlatov South-Russian State Polytechnic University (NPI)Russian FederationКубанский государственный технологический университетРоссияKuban State Technological UniversityRussian FederationУниверситет «Синергия»РоссияSynergy UniversityRussian Federation2024090620241831627Copyright © Дорофеев В.Ю., Бессарабов Е.Н., Свиридова А.Н., Иванова И.В., Свистун Л.И., Водолаженко Р.А., 20242024Дорофеев В.Ю., Бессарабов Е.Н., Свиридова А.Н., Иванова И.В., Свистун Л.И., Водолаженко Р.А.Dorofeyev V.Y., Bessarabov E.N., Sviridova A.N., Ivanova I.V., Svistun L.I., Vodolazhenko R.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/891

Одна из главных проблем при получении биметаллов (БМ) связана с различием физико-механических и структурных характеристик соединяемых материалов. При получении БМ нашли применение как твердофазные, так и жидкофазные методы. Основная задача технологии заключается в необходимости создания условий формирования переходной зоны между рабочим слоем и подложкой, имеющей с ними адгезионные связи. Приведен анализ известных способов получения компактных и порошковых биметаллов (заливка, диффузионная сварка в твердой фазе, инфильтрация, горячее изостатическое прессование и др.). Оценка прочности связи слоев БМ зачастую проводится по результатам механических испытаний на срез или отрыв, однако такая оценка не обеспечивает возможность анализа осуществимости эксплуатации изделия в режиме частых теплосмен. Перспективным в плане повышения показателей механических и триботехнических свойств, снижения риска структурной деградации частиц упрочняющих добавок, а также улучшения характеристик качества соединения слоев биметаллов «сталь–бронза» является использование ранее предложенного способа, заключающегося в совместной горячей допрессовке предварительно раздельно холоднопрессованных и спеченных заготовок рабочего слоя и подложки. При этом разогрев рабочего слоя осуществляется за счет передачи тепла со стороны подложки, нагретой до более высокой температуры. Представлены результаты исследования влияния технологических условий получения горячештампованного порошкового биметалла «сталь–бронза» на структуру, особенности термоусталостного разрушения и трибологические свойства. Для проведения структурного анализа, термоусталостных и триботехнических испытаний получали образцы БМ с вертикальным и горизонтальным расположениями слоев. При получении подложки из стали ПК40 в качестве основы применяли распыленный железный порошок ПЖРВ 3.200.28. Углеродсодержащей добавкой служил порошок графита ГК-3 (ГОСТ 4404-78). Рабочий слой изготавливали из порошка бронзы БрО10, полученного методом распыления. Для повышения триботехнических характеристик рабочего слоя порошок бронзы смешивали с измельченным шлифовальным микропорошком F1000 карбида кремния черного 53С. Оценку качества соединения слоев БМ проводили по результатам испытаний на термоудар. Триботехнические испытания проводили в режиме сухого трения по схеме «вал–колодка». Предложена технология получения горячештампованного порошкового биметалла «сталь ПК40 – бронза БрО10», включаю­щая самостоятельное выполнение операций холодного прессования заготовок подложки и рабочего слоя, их спекания в восстановительной среде, преддеформационного нагрева подложки и рабочего слоя при температурах, обеспечивающих удовлетворительную деформируемость подложки и рабочего слоя, сборки нагретых заготовок подложки и рабочего слоя в пресс-форме и последующей совместной горячей допрессовки. Полученный биметалл характеризуется повышенными значениями термо- и износостойкости в сравнении с образцами-свидетелями, изготовленными по традиционной технологии горячей допрессовки холоднопрессованной биметаллической заготовки.

One of the main problems in the production of bimetals is associated with the difference in the physico-mechanical and structural properties of the materials being joined. Both solid-phase and liquid-phase methods are used to obtain bimetals. The main technological task is to create conditions for the formation of a transition zone between the working layer and adhesively bound substrate. We analyzed the known methods for producing compact and powder bimetals (insert molding, diffusion welding in the solid phase, infiltration, hot isostatic pressing, etc.). The bonding strength of bimetal layers is evaluated according to the results of mecha­nical shear or pull tests; however, such an assessment does not enable to determine if the product can be operated in the mode of frequent thermal cycles. The above method, which involves joint hot repressing of previously separately cold-pressed and sintered blanks of the working layer and substrates, is promising in terms of improving the mechanical and tribotechnical properties, reducing the risk of structural degradation of particles of hardening additives, as well as enhancing the quality of the connection of steel–bronze bimetal layers. In this case, the working layer is heated through heat transfer from the side of the substrate warmed up to a higher temperature. We studied the impact of technological conditions for obtaining hot-forged powder steel–bronze bimetal on the structure, features of thermal fatigue failure and tribological properties and presented the research results. For structural analy­sis, thermal fatigue and tribotechnical tests, the bimetal samples with vertical and horizontal arrangement of layers were obtained. The atomized iron powder PZhRV 3.200.28 was used as a base for fabricating the substrate from PK40 steel. Graphite powder GK-3 (GOST 4404-78) was used as a carbonaceous additive. The working layer was fabricated from BrO10 bronze powder obtained by atomizing. To improve the tribotechnical characteristics of the working layer, bronze powder was mixed with superfine grinding micropowder F1000 of black silicon carbide 53S. The quality of bonding of bimetal layers was assessed based on the thermal shock test results. Tribotechnical tests were carried out in the dry friction mode according to the “shaft–block” scheme. We proposed the technique for producing hot-forged powder bimetal “PK40 steel–BrO10 bronze”, which includes the following independent procedures: cold pressing of the substrate and working layer blanks, their sintering in a reducing environment, pre-deformation heating of the substrate and working layer at temperatures that ensure their satisfactory formability, assembly of heated substrate and working layer blanks in the mold and subsequent joint hot repressing. The resulting bimetal is characterized by increased values of thermal fatigue and wear resistance in comparison with the control samples manufactured using the traditional technology of hot repressing of the cold-pressed bimetallic blank.

горячая штамповкапористые заготовкипорошковый биметаллнесплошностимикротрещинытермоусталостное разрушениеконструкционная порошковая стальоловянистая бронзарабочий слойосноваизноскоэффициент трениякарбид кремнияhot forgingporous blankspowder bimetaldiscontinuitiesmicrocracksthermal fatigue failurestructural powder steeltin bronzeworking layersubstratewearfriction coefficientsilicon carbideСтруктурный и элементный анализ на растровом микроскопе-микроанализаторе «Quanta 200 i 3D» проведен в Цент­ре коллективного пользования «Нанотехнологии» ЮРГПУ (НПИ).Structural and elemental analysis using Quanta 200 i 3D scanning electron/microprobe analyzer was carried out at Nanotechnology, a resource sharing center operated by Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).ReferencesМалевский Ю.Б., Несмих В.С. Сварка давлением бронзы со сталью. М.: Металлургия, 1981. 108 с.Malevskii Yu.B., Nesmikh V.S. Pressure welding of bronze to steel. Moscow: Metallurgiya, 1981. 346 p. (In Russ.).Головатенко С.А., Меандров Л.В. Производство биметаллов. М.: Металлургия, 1966. 304 с.Golovatenko S.A., Meandrov L.V. Production of bimetals. Moscow: Metallurgiya, 1966. 304 p. (In Russ.).Kurt A., Uygur I., Mutlu E. The effect of allotropic transformation temperature in diffusion-welded low-carbon steel and copper. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2006;28(1):39–52. URL:https://www.researchgate.net/publication/290710978_The_effect_of_allotropic_transformation_temperature_in_diffusion-welded_low-carbon_steel_and_copper (accessed: 23.05.2023).Kurt A., Uygur I., Mutlu E. The effect of allotropic transformation temperature in diffusion-welded low-carbon steel and copper. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2006;28(1):39–52. URL: https://www.researchgate.net/publication/290710978_The_effect_of_allotropic_transformation_temperature_in_diffusion-welded_low-carbon_steel_and_copper (accessed: 23.05.2023).Устинов А.И., Фальченко Ю.В., Мельниченко Т.В., Петрушинец Л.В., Ляпина К.В., Шишкин А.Е., Гуриен­ко В.П. Диффузионная сварка стали с оловянной бронзой через пористые прослойки никеля и меди. Автоматическая сварка. 2015;745(9):15–21. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=24141303 (дата обращения: 23.05.2023).Ustinov A.I., Fal’chenko Yu.V., Mel’nichenko T.V., Petrushinets L.V., Lyapina K.V., Shishkin A.E., Guriyenko V.P. Diffusion welding of steel to tin bronze through porous interlayers of nickel and copper. The Paton Welding Journal. 2015;2015(9):13–19. https://doi.org/10.15407/tpwj2015.09.02Wang X., Tang B., Wang L., Wang D., Dong W., Li X. Microstructure, microhardness and tribological properties of bronze–steel bimetallic composite produced by vacuum diffusion welding. Materials. 2022;15(4):1588. https://doi.org/10.3390/ma15041588Wang X., Tang B., Wang L., Wang D., Dong W., Li X. Microstructure, microhardness and tribological properties of bronze–steel bimetallic composite produced by vacuum diffusion welding. Materials. 2022;15(4):1588. https://doi.org/10.3390/ma15041588Zou J., Li S., Wei Ya., Liang Sh. Research of the bonded interface of Cu9Al4Fe/1Cr18Ni9Ti stainless steel bimetallic composite. Vacuum. 2017;146:266–273. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.10.005Zou J., Li S., Wei Ya., Liang Sh. Research of the bonded interface of Cu9Al4Fe/1Cr18Ni9Ti stainless steel bimetallic composite. Vacuum. 2017;146:266–273. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.10.005Galán-Salazar A., Campos M., Torralba J. M., Kjellén L., Mårs O. The base material: A key factor in sinter-brazing. Metal Powder Report. 2017;72(5):349–354. https://doi.org/10.1016/j.mprp.2016.03.001Galán-Salazar A., Campos M., Torralba J. M., Kjellén L., Mårs O. The base material: A key factor in sinter-brazing. Metal Powder Report. 2017;72(5):349–354. https://doi.org/10.1016/j.mprp.2016.03.001Дьячкова Л.Н., Дмитрович А.А. Структурные изменения порошковых композиционных материалов на основе железа в процессе изнашивания. В сб.: Порошковая металлургия. Минск: Беларуская навука, 2009. Вып. 32. С. 142–146.D’yachkova L.N., Dmitrovich A.A. Structural changes in powder composite materials based on iron during wear. In: Powder metallurgy. Minsk: Belaruskaya navuka, 2009. Iss. 32. P. 142–146. (In Russ.).Xiong J., Xie Q., Li J., Zhang F., Huang W. Diffusion bonding of stainless steel to copper with tin bronze and gold interlayers. Journal of Materials Engineering and Performance. 2012;21(1):33–37. https://doi.org/10.1007/s11665-011-9870-yXiong J., Xie Q., Li J., Zhang F., Huang W. Diffusion bonding of stainless steel to copper with tin bronze and gold interlayers. Journal of Materials Engineering and Performance. 2012;21(1):33–37. https://doi.org/10.1007/s11665-011-9870-yДьячкова Л.Н., Воронецкая Л.Я., Пинчук Т.И. Триботехнические свойства двухслойных порошковых и компактно-порошковых материалов на основе железа и меди. В сб. Порошковая металлургия. Минск: Беларуская навука, 2018. Вып. 41. С. 177–183.D’yachkova L.N., Voronetskaya L.Ya., Pinchuk T.I. Tribotechnical properties of two-layer powder and compact-powder materials based on iron and copper. In: Powder metallurgy. Minsk: Belaruskaya navuka, 2018. Iss. 41. P. 177–183. (In Russ.).Fürtauer S., Li D., Cupid D., Flandorfer H. The Cu–Sn phase diagram. Part I: New experimental results. Intermetallics. 2013;34:142–147. http://dx.doi.org/10.1016/j.intermet.2012.10.004Fürtauer S., Li D., Cupid D., Flandorfer H. The Cu–Sn phase diagram. Part I: New experimental results. Intermetallics. 2013;34:142–147. http://dx.doi.org/10.1016/j.intermet.2012.10.004Дьячкова Л.Н. Порошковые материалы на основе железа с повышенными механическими и триботехническими свойствами. Минск: Беларуская навука, 2020. 203 c.D’yachkova L.N. Powder materials based on iron with enhanced mechanical and tribological properties. Minsk: Belaruskaya navuka, 2020. 203 p. (In Russ.).D’yachkova L., Fel’dshtein E.E. On the properties of composites based on sintered bronze with alumina additives. Composites: Part B. 2013;45:239–247. http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.07.024D’yachkova L., Fel’dshtein E.E. On the properties of composites based on sintered bronze with alumina additives. Composites: Part B. 2013;45:239–247. http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.07.024D’yachkova L.N., Fel’dshtein E.E., Vityaz’ P.A. Tribological behavior of sintered tin bronze with additions of alumina and nickel oxide. Journal of Friction and Wear. 2013;34(1):19–26. https://doi.org/10.3103/S1068366613010042D’yachkova L.N., Fel’dshtein E.E., Vityaz’ P.A. Tribological behavior of sintered tin bronze with additions of alumina and nickel oxide. Journal of Friction and Wear. 2013;34(1):19–26. https://doi.org/10.3103/S1068366613010042Рожкова Т.В., Паульс В.Ю. Получение композиционных материалов на основе меди. Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. 2019;17(2):00724. URL: http://ejournal.omgau.ru/images/issues/2019/2/00724.pdf (дата обращения: 23.05.2023).Rozhkova T.V., Paul’s V.Yu. Preparation of composite materials based on copper. Electronic scientific and methodical journal of the Omsk State Agrarian University. 2019;17(2):00724. (In Russ.). URL: http://ejournal.omgau.ru/images/issues/2019/2/00724.pdf (accessed: 23.05.2023). (In Russ.).Sharma S.C., Satish B.M., Girish B.M., Somashekar D.R. Wear characteristics of phosphor–bronze/silicon carbide particulate composites. Journal of Materials Processing Technology. 2001;118(1):65–68. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)00868-8Sharma S.C., Satish B.M., Girish B.M., Somashekar D.R. Wear characteristics of phosphor–bronze/silicon carbide particulate composites. Journal of Materials Processing Technology. 2001;118(1):65–68. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)00868-8Schubert Th., Brendel A., Schmid K., Koeck Th., Ciupin´ski Ł., Zielin´ski W., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu/SiC composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications. Composites: Part A. 2007;38(12):2398–2403. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2007.08.012Schubert Th., Brendel A., Schmid K., Koeck Th., Ciupin´ski Ł., Zielin´ski W., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu/SiC composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications. Composites: Part A. 2007;38(12):2398–2403. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2007.08.012Sundberg G., Paul P., Sung Ch., Vasilos Th. Fabrication of CuSiC metal matrix composites. Journal of Materials Science. 2006;41:485–504. https://doi.org/10.1007/s10853-005-2622-3Sundberg G., Paul P., Sung Ch., Vasilos Th. Fabrication of CuSiC metal matrix composites. Journal of Materials Science. 2006. Vol. 41. P. 485–504. https://doi.org/10.1007/s10853-005-2622-3Тучинский Л.И. Твердофазное уплотнение армированных металлов. Киев: Наукова думка, 1980. 116 c.Tuchinskii L.I. Solid-phase consolidation of reinforced metals. Kiev: Naukova dumka, 1980. 116 p. (In Russ.).Дорофеев Ю.Г., Гасанов Б.Г., Дорофеев В.Ю., Мирошников В.И., Мищенко В.Н. Промышленная технология горячего прессования порошковых изделий. М.: Металлургия, 1990. 206 c.Dorofeyev Yu.G., Gasanov B.G., Dorofeyev V.Yu., Miroshnikov V.I., Mishchenko V.N. Industrial technology of hot pressing of powder products Moscow: Metallurgiya, 1990. 206 p. (In Russ.).Hendrickson A.A., Machmeier P.M., Smith D.W. Impact forging of sintered steel preforms. Powder Metallurgy. 2000;43(4):327–344. http://dx.doi.org/10.1179/003258900666050Hendrickson A.A., Machmeier P.M., Smith D.W. Impact forging of sintered steel preforms. Powder Metallurgy. 2000;43(4):327–344. http://dx.doi.org/10.1179/003258900666050Семченков В.П. Разработка технологии горячей штамповки биметалла типа «сталь–бронза» с порошковым рабочим слоем: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2000.Semchenkov V.P. Development of the technology of hot forging of bimetal “steel–bronze” type with a powder working layer: Abstract of the dissertation of PhD. Novocherkassk: SRSPU (NPI), 2000. (In Russ.).Дорофеев Ю.Г., Дорофеев В.Ю., Бабец А.В., Бессарабов Е.Н. Получение и свойства порошковых биметаллических материалов и изделий. В сб.: Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: Материалы 8-го Междунар. симпозиума (г. Минск, 10–12 апреля 2013 г.). Минск: Беларуская навука, 2013. Ч. 1. С. 182–188.Dorofeyev Yu.G., Dorofeyev V.Yu., Babets A.V, Bessarabov Eu.N. Obtaining and properties of powder bimetallic materials and products. In: Powder metallurgy: surface engineering, new powder composite materials. Welding: Materials of the 8th Intern. Symposium (Minsk, April 10–12, 2013). Minsk: Belaruskaya navuka, 2013. Pt. 1. P. 182–188. (In Russ.).Дорофеев Ю.Г., Бабец А.В., Бессарабов Е.Н., Дорофеев В.Ю. Получение порошковых биметаллов типа «сталь–бронза» горячей штамповкой раздельно нагретых пористых заготовок материалов слоев. В сб.: Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: Материалы 9-го Междунар. симпозиума (г. Минск, 8–10 апреля 2015 г.). Минск: Беларуская навука, 2015. Ч. 1. С. 86–93.Dorofeyev Yu.G., Babets A.V., Bessarabov E.N., Dorofeyev V.Yu. Obtaining powder bimetals of the “steel–bronze” type by hot forging separately heated porous blanks of layer materials. In: Powder metallurgy: surface engineering, new powder composite materials. Welding: Materials of the 9th Intern. Symposium (Minsk, April 8–10, 2015). Minsk: Belaruskaya navuka, 2015. Pt. 1. P. 86–93. (In Russ.).Prosviryakov A.S., Aksenov A.A., Samoshina M.E., Kovaleva M.G., Ivanov D.O. Mechanical alloying of Cu–SiC materials prepared with utilization of copper waste chips. Powder Metallurgy. 2011;54(3):382–384. https://doi.org/10.1179/003258910X12707304454942Prosviryakov A.S., Aksenov A.A., Samoshina M.E., Kovaleva M.G., Ivanov D.O. Mechanical alloying of Cu–SiC materials prepared with utilization of copper waste chips. Powder Metallurgy. 2011;54(3):382–384. https://doi.org/10.1179/003258910X12707304454942Комаров О.С. Совершенствование технологии получения отливок из высокохромистого чугуна. М.: Новое знание, 2014. 152 c.Komarov O.S. Improving the technology for producing castings from high-chromium cast iron. Moscow: Novoe znanie, 2014. 152 p. (In Russ.).Ильющенко А.Ф., Маркова Л.В., Чекан В.А., Фомихина И.В., Коледа В.В. Атлас производственных разрушений различных конструкций из цветных металлов и сплавов. Минск: Беларуская навука, 2022. 364 c.Il’yushchenko A.Ph., Markova L.V., Chekan V.A., Fomikhina I.V., Koleda V.V. Atlas of industrial fractures of various structures made of non-ferrous metals and alloys. Minsk: Belaruskaya navuka, 2022. 364 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.