Grafit-bronz kompozit plakaların tribolojik özellik optimizasyonu ve bunların ağır hizmet tipi rulmanlarda uygulanması

Grafit-bronz kompozit malzemeler, aşırı mekanik ve termal gerilmeler altında çalışan ağır hizmetli yataklar için kritik çözeltiler olarak ortaya çıkmıştır. Bu çalışma, mikroyapı mühendisliği yoluyla grafit-bronz laminatların tribolojik optimizasyonunu sistematik olarak araştırır ve endüstriyel ölçekli yatak sistemlerindeki performanslarını değerlendirir. Gelişmiş karakterizasyon tekniklerini, hesaplama modellemesini ve saha validasyonunu entegre ederek, konvansiyonel bronz alaşımlara kıyasla aşınma oranında% 42'lik bir azalma ve yük taşıma kapasitesinde% 28 iyileşme gösteriyoruz. Grafitin kendini yağlama özelliklerinin ve bronzun yapısal bütünlüğünün sinerjistik etkileri, madencilik, enerji ve ağır makine sektörlerinde yeni nesil yatak malzemeleri için bir plan sağlayarak nicel olarak analiz edilir.

1. Hasta rulmanlar, özellikle rüzgar türbini şanzımanları, kırıcı fabrikaları ve hidrolik ekskavatörler gibi uygulamalarda aşındırıcı aşınma, yapışkan arızası ve termal bozunma nedeniyle acımasız zorluklarla karşı karşıyadır. Geleneksel malzemeler genellikle yüksek temaslı basınçlar (> 2 GPa) altında sürekli yağlama ile mekanik gücü dengeleyemez. Grafit-bronz plaka , grafitin lamel katı yağlama ve bronz süneklikten yararlanması bir paradigma kayması sunar. Bu çalışma iki temel boşluğu ele alıyor:

Arayüz tasarımı: Grafit dispersiyon topolojisi (pullara karşı nodüller) üçüncü cisim tribofilm oluşumunu nasıl yönetir.

Operasyonel Sınırlar: Salınımlı yüklemede kompozit bozulma için kritik PV (basınç-hız) eşiğinin ölçülmesi.

2. Materyaller ve yöntemler
2.1 Kompozit imalat
Baz matris: CUSN10 bronz alaşımı (hacim% 83), tahıl arıtma için% 0.5 Ni ile önceden alaşımlı.

Grafit takviyesi: hacimce% 17 sentetik grafit (5-20 μm pul), manyetik alan destekli sinterleme yoluyla hizalanmıştır.

Proses:% 98.6 teorik yoğunluk elde etmek için sıcak baskı sinterleme (850 ° C, 150 MPa, AR atmosferi) ile kombine toz metalurjisi.

2.2 Tribolojik Testler
Ekipman: Pin-Disc Tribometre (ASTM G99), 3D profilometri ve yerinde kızılötesi termografi.

Koşullar:
Yük: 50–400 N (Hertzian temas basıncı: 1.2-3.5 GPA)
Kayar Hız: 0.1-1.5 m/s
Yağlama: Sınır rejimi (petrol açlığı)

2.3 Mikroyapısal analiz
Yüzey altı deformasyon haritalaması için FIB-SEM.
Tribofilm grafitizasyon derecesini karakterize etmek için Raman spektroskopisi.

3. Sonuçlar ve Tartışma
3.1 Sürtünme ve aşınma davranışı
Optimal Grafit Dispersiyon: Kayan yöne paralel pul hizalaması Azaltılmış sürtünme katsayısı (μ) 0.38'den 0.21'e (Şekil 3A).
Aşınma Mekanizması Geçişi: 2 GPA'nın altında Delaminasyon Hasta Aşınma ve 2.8 GPA'nın üzerinde oksidatif aşınma (Şekil 3B).
Termal Yönetim: Kompozit plakalar sınırlı sıcaklık, monolitik bronzda 3 GPA'da 126 ° C'ye yükselir.

3.2 Tribofilm Dinamiği
Kendi Kendini İyileştirici Katman: XPS, tribofilm kompozisyonunu nanokristalin grafit (ID/IG = 0.18) Cuo nanopartikülleri olarak onayladı, her 1.200 döngüde bir yenilendi.
Stres yeniden dağıtımı: Sonlu eleman modellemesi, grafit pulları, kesme suşunun% 67'sini emerek çatlak çekirdeklenmesini geciktirdi.

4. Endüstriyel Uygulama Vakası: Madencilik Kırıcı Yatakları
Temel: Geleneksel Babbitt-Metal rulmanları her 1.200 saatte bir değiştirme gerektirir.
Grafit-Bronz Retrofit:
Saha Verileri: 2.4 GPA dinamik yüklemenin altında 2.050 saat hizmet ömrü.
Arıza Analizi: Yaşam sonu örnekleri, felaket serpme olmadan düzgün grafit tükenmesi (<% 5 kalınlık kaybı) gösterdi.
Ekonomik Etki: 10.000 ton/günlük bir işleme tesisi için yılda arıza maliyetlerinde% 31 azalma.

5. Bu çalışma, grafit-bronz kompozitler için çok işlevli bir tasarım çerçevesi oluşturur:
Tribolojik Sinerji: Grafitin Yağlığı ve Bronz’un Kontrollü Anizotropi Yoluyla Tabancası.
Öngörücü modeller: Sıcaklığa bağlı grafit pul pul dökülme oranlarını içeren modifiye edilmiş bir Archard denklemi (R² = 0.93).
Endüstriyel ölçeklenebilirlik: ISO 4378-1 uyumlu yatak testlerinde validasyon OEM benimsemeye hazır olduğunu doğrular.
Gelecekteki çalışmalar, sıfırın altındaki Arktik operasyonlarında PV sınırlarını daha da artırmak için mxen katkı maddeleri olan hibrit kompozitleri keşfedecek.