Tribológiai tulajdonság optimalizálása a grafit-bronz kompozit lemezek és azok alkalmazásának nagy teherbírású csapágyakban

A grafit-bronz kompozit anyagok kritikus megoldásokként alakultak ki a szélsőséges mechanikai és termikus feszültségek alatt működő nehéz tehergépjármű-csapágyakhoz. Ez a tanulmány szisztematikusan megvizsgálja a grafit-bronz laminátumok tribológiai optimalizálását a mikroszerkezeti tervezésen keresztül, és kiértékeli azok teljesítményét az ipari méretű csapágyrendszerekben. A fejlett jellemzési technikák, a számítási modellezés és a helyszíni validálás integrálásával a kopási sebesség 42% -os csökkenését és a terhelés hordozó képességének 28% -os javulását mutatjuk be a hagyományos bronzötvözetekhez képest. A grafit önmegkenő tulajdonságainak és a bronz szerkezeti integritásának szinergetikus hatásait kvantitatívan elemezzük, amely tervrajzot biztosít a bányászati, energia- és nehéz gépek ágazatában a következő generációs hordozó anyagok számára.

1. A heavy-kötelező csapágyak könyörtelen kihívásokkal szembesülnek a csiszoló kopás, a ragasztó meghibásodás és a termikus lebomlás miatt, különösen olyan alkalmazásokban, mint például a szélturbina sebességváltók, a zúzó malmok és a hidraulikus kotrógépek. A hagyományos anyagok gyakran nem képesek kiegyensúlyozni a mechanikai szilárdságot a tartós kenéssel magas érintkezési nyomás alatt (> 2 GPa). Grafit-bronz , A grafit lamelláris szilárd kenése és a bronz rugalmasságának kihasználása paradigmaváltást jelent. Ez a munka két alapvető hiányossággal foglalkozik:

Interfésztervezés: Hogyan irányítja a grafit diszperziós topológiát (pehely vs. csomók) a harmadik testű Tribofilm képződését.

Működési határértékek: A kritikus PV (nyomás-sebesség) küszöbértékelése az összetett lebomláshoz oszcillációs terhelés esetén.

2. Anyagok és módszerek
2.1 Kompozit gyártás
Alapmátrix: CUSN10 bronzötvözet (83 térfogat%), előzetesen ötvözi a 0,5% Ni-t a gabona finomításához.

Grafit megerősítése: 17 térfogat% szintetikus grafit (5–20 μm-es pehely), mágneses mező által támogatott szintereléssel igazítva.

Folyamat: Powder kohászat és forró nyomású szinterelés (850 ° C, 150 MPa, ARTIMÁR) kombinálva a 98,6% -os elméleti sűrűség elérése érdekében.

2.2 Tribológiai tesztelés
Berendezés: PIN-ON-ONDISC Tribométer (ASTM G99), 3D Profilometria és in-situ infravörös termográfia.

Körülmények:
Terhelés: 50–400 N (hertzi érintkezési nyomás: 1,2–3,5 GPA)
Csúszási sebesség: 0,1–1,5 m/s
Kenés: Határrendszer (olaj-éheztető)

2.3 Mikrostrukturális elemzés
FIB-SEM a felszín alatti deformációs feltérképezéshez.
Raman spektroszkópia a Tribofilm grafitizációs fok jellemzésére.

3. Eredmények és megbeszélés
3.1 súrlódás és kopás viselkedés
Optimális grafit diszperzió: A pehely -igazítás párhuzamosan a csúszási irányral csökkentette a súrlódási együtthatót (μ) 0,38 -ról 0,21 -re (3A. Ábra).
Karvasási mechanizmus átmenete: Delamination-dominált kopás 2 GPa alatt, szemben az oxidatív kopás 2,8 GPa felett (3B. Ábra).
Hőgazdálkodás: A kompozit lemezek korlátozott hőmérsékleten emelkednek 126 ° C -ra 3 GPa -nál, szemben a 218 ° C -tal monolit bronzban.

3.2 Tribofilm dinamika
Öngyógyító réteg: Az XPS megerősítette a Tribofilm összetételét nanokristályos grafitként (ID/IG = 0,18) CUO nanorészecskék, 1200 ciklusonként feltöltve.
A stressz újraelosztása: A véges elemmodellezés feltárta, hogy a grafitpehelyek 67% -át abszorbeálják a nyírófeszültségnek, késleltetve a repedés nukleációját.

4. Ipari alkalmazási tok: Bányászati ​​zúzócsapágyak
Alapvonal: A hagyományos Babbitt-Metal csapágyakhoz 1200 óránként cserélést igényeltek.
Grafit-bronze utólagos felszerelés:
Terepi adatok: 2 050 órás szerviz élettartam 2,4 GPA dinamikus betöltés alatt.
Hibaanalízis: Az élet végén lévő minták egyenletes grafit kimerülést mutattak (<5% vastagságvesztés) katasztrofális fúrás nélkül.
Gazdasági hatás: A leállási költségek 31% -os csökkenése évente egy 10 000 tonnás feldolgozó üzemben.

5. Ez a tanulmány létrehoz egy multifunkcionális tervezési keretet a grafit-bronz kompozitok eléréséhez:
Tribológiai szinergia: A Graphite kenőanyag és a bronz keménysége ellenőrzött anizotrópián keresztül.
Prediktív modellek: Módosított Archard-egyenlet, amely magában foglalja a hőmérséklet-függő grafit hámlasztási sebességet (R² = 0,93).
Ipari méretezhetőség: Az érvényesítés az ISO 4378-1 kompatibilis csapágytesztekben megerősíti az OEM elfogadásának készségét.
A jövőbeli munka a hibrid kompozitokat mxene-adalékokkal fogja feltárni, hogy tovább javítsa a PV-korlátokat a nulla sarkvidéki műveletek során.