Tối ưu hóa thuộc tính của bộ lạc của các tấm tổng hợp bằng đồng than chì và ứng dụng của chúng trong vòng bi nặng

Các vật liệu composite bằng đồng than chì đã nổi lên như các giải pháp quan trọng cho vòng bi nặng hoạt động dưới các ứng suất cơ học và nhiệt cực cao. Nghiên cứu này nghiên cứu một cách có hệ thống sự tối ưu hóa bộ lạc của các lớp đồng than chì thông qua kỹ thuật vi cấu trúc và đánh giá hiệu suất của chúng trong các hệ thống ổ trục quy mô công nghiệp. Bằng cách tích hợp các kỹ thuật đặc tính nâng cao, mô hình tính toán và xác nhận trường, chúng tôi chứng minh tỷ lệ hao mòn giảm 42% và cải thiện 28% khả năng chịu tải so với hợp kim đồng thông thường. Các tác động hiệp đồng của các đặc tính tự bôi trơn than chì và tính toàn vẹn cấu trúc bằng đồng được phân tích định lượng, cung cấp một kế hoạch chi tiết cho các vật liệu mang thế hệ tiếp theo trong các lĩnh vực khai thác, năng lượng và máy móc hạng nặng.

1. Vòng bi làm nhiệm vụ phải đối mặt với những thách thức không ngừng từ hao mòn mài mòn, thất bại và suy thoái nhiệt, đặc biệt là trong các ứng dụng như hộp số tuabin gió, máy nghiền và máy xúc thủy lực. Các vật liệu truyền thống thường không cân bằng sức mạnh cơ học với bôi trơn bền vững dưới áp lực tiếp xúc cao (> 2 GPa). Tấm than chì , Tận dụng sự bôi trơn rắn than chì Lamellar và độ dẻo bằng đồng, thể hiện sự thay đổi mô hình. Công việc này giải quyết hai khoảng trống cốt lõi:

Thiết kế giao diện: Cách cấu trúc liên kết phân tán than chì (vảy so với nốt sần) chi phối sự hình thành Tribofilm cơ thể thứ ba.

Giới hạn hoạt động: Định lượng ngưỡng PV (vận tốc áp suất) tới hạn để giảm phân hủy tổng hợp trong tải dao động.

2. Vật liệu và phương pháp
2.1 Chế tạo tổng hợp
Ma trận cơ sở: Hợp kim đồng CUSN10 (83 vol%), được hợp kim trước với 0,5% Ni cho sàng lọc hạt.

Củng cố than chì: 17 vol% than chì tổng hợp (5 mảnh2020 m), được căn chỉnh thông qua thiêu kết từ trường.

Quá trình: Luyện kim bột kết hợp với thiêu kết nhấn nóng (850 ° C, 150 MPa, bầu không khí AR) để đạt được mật độ lý thuyết 98,6%.

2.2 Thử nghiệm bộ lạc
Thiết bị: Bộ lạc PIN-ON-DISC (ASTM G99), cấu hình 3D và Nhiệt kế hồng ngoại tại chỗ.

Điều kiện:
Tải: 50 Ném400 N (Áp lực tiếp xúc Hertzian: 1.2 Ném3,5 GPa)
Vận tốc trượt: 0,1 …1,5 m/s
Bôi trơn: chế độ ranh giới (thiếu dầu)

2.3 Phân tích vi cấu trúc
FIB-SEM cho ánh xạ biến dạng dưới bề mặt.
Quang phổ Raman để mô tả mức độ graphitization Tribofilm.

3. Kết quả và thảo luận
3.1 Hành vi ma sát và hao mòn
Phân tán than chì tối ưu: Sắp xếp vảy song song với hướng trượt giảm hệ số ma sát (μ) từ 0,38 xuống 0,21 (Hình 3A).
Quá trình chuyển đổi cơ chế hao mòn: hao mòn do phân tách dưới 2 GPa so với hao mòn oxy hóa trên 2,8 GPa (Hình 3B).
Quản lý nhiệt: Các tấm tổng hợp hạn chế nhiệt độ tăng lên 126 ° C ở 3 GPa, so với 218 ° C trong đồng nguyên khối.

3.2 Động lực học Tribofilm
Lớp tự phục hồi: XPS đã xác nhận thành phần Tribofilm là than chì nanocrystalline (ID/Ig = 0.18) hạt nano CuO, bổ sung mỗi 1.200 chu kỳ.
Phân phối lại ứng suất: Mô hình phần tử hữu hạn cho thấy vảy than chì hấp thụ 67% chủng cắt, trì hoãn quá trình tạo mầm vết nứt.

4. Trường hợp ứng dụng công nghiệp: Vòng bi máy nghiền khai thác
Đường cơ sở: Vòng bi Babbitt-kim loại truyền thống cần thay thế cứ sau 1.200 giờ.
Retrofit bằng đồng than chì:
Dữ liệu hiện trường: 2.050 giờ Dịch vụ Tuổi thọ dưới 2,4 GPA Động động.
Phân tích thất bại: Các mẫu vật cuối đời cho thấy sự suy giảm than chì đồng đều (mất độ dày <5%) mà không bị thụt vào thảm khốc.
Tác động kinh tế: Giảm 31% chi phí thời gian chết mỗi năm cho nhà máy chế biến 10.000 tấn/ngày.

5. Nghiên cứu này thiết lập một khung thiết kế đa chức năng cho vật liệu tổng hợp bằng đồng than chì, đạt được:
Synergy Tribological: Sự bôi trơn than chì và độ bền bằng đồng thông qua bất đẳng hướng được kiểm soát.
Các mô hình dự đoán: Một phương trình Archard đã được sửa đổi kết hợp tốc độ tẩy da chết than chì phụ thuộc nhiệt độ (R² = 0,93).
Khả năng mở rộng công nghiệp: Xác nhận trong các xét nghiệm ổ trục tuân thủ ISO 4378-1 xác nhận sự sẵn sàng cho việc áp dụng OEM.
Công việc trong tương lai sẽ khám phá các vật liệu tổng hợp lai với các chất phụ gia MXENE để tăng cường hơn nữa các giới hạn PV trong các hoạt động của Bắc Cực Sub-Zero.