Tribologische eigenschapoptimalisatie van grafiet-bronzen composietplaten en hun toepassing in zware lagers

Grafiet-bronzen composietmaterialen zijn naar voren gekomen als kritieke oplossingen voor zware lagers die werken onder extreme mechanische en thermische spanningen. Deze studie onderzoekt systematisch de tribologische optimalisatie van grafiet-bronzen laminaten via microstructurele engineering en evalueert hun prestaties in industriële schaallagersystemen. Door geavanceerde karakterisatietechnieken, computationele modellering en veldvalidatie te integreren, demonstreren we een verlaging van de slijtage van 42% en een verbetering van 28% in de belastingdragende capaciteit in vergelijking met conventionele bronzen legeringen. De synergetische effecten van de zelf-bux-eigenschappen van Graphite en de structurele integriteit van Bronze worden kwantitatief geanalyseerd, waardoor een blauwdruk biedt voor de volgende generatie dragende materialen in mijnbouw-, energie- en zware machinesectoren.

1. Heavy-duty lagers worden geconfronteerd met meedogenloze uitdagingen van schurende slijtage, lijmfalen en thermische afbraak, met name in toepassingen zoals windturbine versnellingsbakken, brekermolens en hydraulische graafmachines. Traditionele materialen kunnen vaak geen mechanische sterkte in evenwicht brengen met aanhoudende smering onder hoge contactdrukken (> 2 GPa). Grafiet-bronzen plaat , gebruik van de lamellaire solide smering van Graphite en de ductiliteit van Bronze, presenteren een paradigmaverschuiving. Dit werk behandelt twee kernhiaten:

Interface-ontwerp: hoe grafietdispersie-topologie (vlokken versus knobbeltjes) regeert van de vorming van het derde lichaam.

Operationele limieten: kwantificering van de kritische PV-drempel (druk-snelheid) voor composietafbraak bij oscillerende belasting.

2. Materialen en methoden
2.1 Samengestelde fabricage
Basematrix: CUSN10 Bronze legering (83 vol%), vooraf gelegeerd met 0,5% Ni voor graanverfijning.

Grafietversterking: 17 vol% synthetisch grafiet (5-20 μm vlokken), uitgelijnd via magnetisch veldondersteunde sintering.

Proces: Poedermetallurgie gecombineerd met hot-press sintering (850 ° C, 150 MPa, AR-atmosfeer) om 98,6% theoretische dichtheid te bereiken.

2.2 Tribologische tests
Apparatuur: Pin-on-Disc Tribometer (ASTM G99), 3D-profilometrie en in-situ infraroodthermografie.

Voorwaarden:
Laad: 50–400 N (Hertziaanse contactdruk: 1.2–3.5 GPA)
Glijdende snelheid: 0,1-1,5 m/s
Smering: grensregime (olie-uitgehongerd)

2.3 Microstructurele analyse
FIB-SEM voor ondergrondse vervormingsmapping.
Raman -spectroscopie om de graad van de tribofilm grafitisatie te karakteriseren.

3. Resultaten en discussie
3.1 Wrijving en slijtagedrag
Optimale grafietdispersie: vlokuitlijning parallel aan schuifrichting verminderde wrijvingscoëfficiënt (μ) van 0,38 tot 0,21 (Fig. 3A).
Slijtmechanismeovergang: door delaminatie gedomineerde slijtage onder 2 GPa versus oxidatieve slijtage boven 2,8 GPa (Fig. 3B).
Thermisch beheer: composietplaten beperkte temperatuurstijging tot 126 ° C bij 3 GPa, versus 218 ° C in monolithisch brons.

3.2 Tribofilm dynamiek
Zelfherstellende laag: XPS bevestigde tribofilm-samenstelling als nanokristallijn grafiet (ID/IG = 0,18) CuO-nanodeeltjes, bijgevuld om de 1.200 cycli.
Stressherverdeling: Modellering van eindige elementen onthulde grafietvlokken absorberen 67% van afschuifspanning, waardoor scheurmucleatie wordt vertraagd.

4. Industriële toepassing: mijnbouwbrekerslagers
Baseline: traditionele Babbitt-metaallagers vereiste vervanging om de 1.200 uur.
Graphite-Bronze retrofit:
Veldgegevens: 2.050 uur Service Life onder 2,4 GPA Dynamic Loading.
Faalanalyse: exemplaren aan het einde van de levensduur vertoonden uniforme grafietuitputting (<5% dikte verlies) zonder catastrofale afstand.
Economische impact: 31% verlaging van de downtime-kosten per jaar voor een verwerkingsfabriek van 10.000 ton/dag.

5. Deze studie stelt een multifunctioneel ontwerpkader vast voor grafiet-bronzen composieten, bereiken:
Tribologische synergie: de smeerheid van Graphite en de taaiheid van Bronze via gecontroleerde anisotropie.
Voorspellende modellen: een gemodificeerde archardvergelijking met temperatuurafhankelijke grafietuitvoedingspercentages (r² = 0,93).
Industriële schaalbaarheid: validatie in ISO 4378-1 Compliant lagertests bevestigen de gereedheid voor OEM-acceptatie.
Toekomstig werk zal hybride composieten onderzoeken met MXene-additieven om de PV-limieten in de Arctische operaties van sub-nul verder te verbeteren.