Tribologisk egendomsoptimering av grafitbronskompositplattor och deras tillämpning i tunga lager

Grafit-bronskompositmaterial har dykt upp som kritiska lösningar för tunga lager som arbetar under extrema mekaniska och termiska spänningar. Denna studie undersöker systematiskt den tribologiska optimeringen av grafit-bronslaminat genom mikrostrukturell teknik och utvärderar deras prestanda i industriella skala lagringssystem. Genom att integrera avancerade karakteriseringstekniker, beräkningsmodellering och fältvalidering visar vi en 42% minskning av slithastigheten och en 28% förbättring av bärande kapacitet jämfört med konventionella bronslegeringar. De synergistiska effekterna av Graphites självsmörjande egenskaper och bronsens strukturella integritet analyseras kvantitativt, vilket ger en plan för nästa generations lagermaterial inom gruv-, energi- och tunga maskiner.

1.Håliga lagerlager möter obevekliga utmaningar från slipslitage, limfel och termisk nedbrytning, särskilt i applikationer som vindkraftverk, krossfabriker och hydrauliska grävmaskiner. Traditionella material misslyckas ofta med att balansera mekanisk styrka med långvarig smörjning under högt kontakttryck (> 2 GPA). Grafitbronsplatta , utnyttjande Graphites lamellära fasta smörjning och brons duktilitet, presenterar ett paradigmskifte. Detta arbete behandlar två kärngap:

Gränssnittsdesign: Hur grafitdispersionstopologi (flingor kontra nodules) styr tredje kroppens tribofilmbildning.

Operativa gränser: Kvantifiering av den kritiska PV (tryckhastighet) tröskeln för sammansatt nedbrytning vid oscillerande belastning.

2. Material och metoder
2.1 Komposittillverkning
Basmatris: CUSN10 bronslegering (83 vol%), föregång med 0,5% Ni för kornförfining.

Grafitförstärkning: 17 volym% syntetisk grafit (5–20 μM flingor), anpassad via magnetfältassisterad sintring.

Process: Pulvermetallurgi i kombination med sintring av hotpress (850 ° C, 150 MPa, AR-atmosfär) för att uppnå 98,6% teoretisk densitet.

2.2 Tribologisk testning
Utrustning: Pin-on-Disc-tribometer (ASTM G99), 3D-profilometri och infraröd infraröd termografi.

Villkor:
Last: 50–400 N (Hertzian kontakttryck: 1,2–3,5 GPA)
Glidhastighet: 0,1–1,5 m/s
Smörjning: Gränsregime (olje-svält)

2.3 Mikrostrukturell analys
FIB-SEM för mappning av deformation av underjordiska underytor.
Raman -spektroskopi för att karakterisera Tribofilm Graphitization Degree.

3. Resultat och diskussion
3.1 Friktion och slitbeteende
Optimal grafitdispersion: Flakinriktning parallellt med glidriktningen minskad friktionskoefficient (μ) från 0,38 till 0,21 (fig. 3A).
Slitmekanismövergång: delaminering-dominerad slitage under 2 GPa kontra oxidativt slitage över 2,8 GPa (fig. 3B).
Termisk hantering: Kompositplattor begränsade temperaturökningen till 126 ° C vid 3 GPa, mot 218 ° C i monolitisk brons.

3.2 Tribofilm Dynamics
Självhelande skikt: XPS bekräftade Tribofilm-sammansättningen som nanokristallin grafit (ID/IG = 0,18) CuO-nanopartiklar, fyllda varje 1 200 cykler.
Stressfördelning: Modellering av begränsad element avslöjade grafitflingor absorberar 67% av skjuvstammen, vilket försenar sprickkärnbildning.

4. Industriellt ansökningsfall: gruvkrosslager
Baslinje: Traditionella babbitt-metalllager krävde ersättning var 1 200 timme.
Grafit-brons eftermontering:
Fältdata: 2 050 timmars livslängd under 2,4 GPA -dynamisk lastning.
Misslyckande analys: Slut-of-life-prover visade enhetlig grafitutarmning (<5% tjocklek förlust) utan katastrofisk spalling.
Ekonomisk påverkan: 31% minskning av drifttidskostnader per år för en 10.000 ton/dag bearbetningsanläggning.

5. Denna studie skapar en multifunktionell designram för grafitbronskompositer, vilket uppnår:
Tribologisk synergi: Graphites smörjning och bronsens seghet via kontrollerad anisotropi.
Predictive Models: En modifierad Archard-ekvation som innehåller temperaturberoende grafitexfolieringshastigheter (R² = 0,93).
Industriell skalbarhet: Validering i ISO 4378-1 Komplanterande lagerprov bekräftar beredskap för OEM-antagande.
Framtida arbete kommer att utforska hybridkompositer med MXENE-tillsatser för att ytterligare förbättra PV-gränserna i arktiska operationer .