Ottimizzazione della proprietà tribologica di piastre composite a bronzo grafite e loro applicazione in cuscinetti pesanti

I materiali compositi di grafite-bronzo sono emersi come soluzioni critiche per cuscinetti pesanti che operano in estremi sollecitazioni meccaniche e termiche. Questo studio studia sistematicamente l'ottimizzazione tribologica dei laminati del bronzo grafite attraverso l'ingegneria microstrutturale e valuta le loro prestazioni nei sistemi di cuscinetti su scala industriale. Integrando tecniche di caratterizzazione avanzate, modellazione computazionale e validazione sul campo, dimostriamo una riduzione del 42% del tasso di usura e un miglioramento del 28% della capacità di carico rispetto alle leghe di bronzo convenzionali. Gli effetti sinergici delle proprietà auto-lubrificanti della grafite e dell'integrità strutturale del bronzo vengono analizzati quantitativamente, fornendo un progetto per i materiali di cuscinetto di prossima generazione nei settori minerario, energia e macchinari pesanti.

1. I cuscinetti a servizio di servizio a mano affrontano sfide incessanti da usura abrasiva, fallimento adesivo e degradazione termica, in particolare in applicazioni come cambi di turbine eoliche, mulini a frantoio e scavatori idraulici. I materiali tradizionali spesso non riescono a bilanciare la resistenza meccanica con la lubrificazione sostenuta sotto elevate pressioni di contatto (> 2 GPa). Piastra di grafite-bronze , sfruttando la lubrificazione solida lamellare di Grafite e la duttilità del bronzo, presenta un cambio di paradigma. Questo lavoro affronta due lacune di base:

Progettazione dell'interfaccia: come la topologia di dispersione della grafite (fiocchi vs. noduli) governa la formazione di tribofilm di terzo corpo.

Limiti operativi: quantificazione della soglia PV critica (velocità pressione) per la degradazione composita nel carico oscillatorio.

2. Materiali e metodi
2.1 Fabbricazione composita
Matrice di base: lega di bronzo CUSN10 (83 vol%), pre-legata con Ni allo 0,5% per il raffinamento del grano.

Rinforzo della grafite: grafite sintetica 17 vol% (fiocchi da 5-20 μm), allineata tramite sinterizzazione assistita da campo magnetico.

Processo: metallurgia in polvere combinata con la sinterizzazione a caldo (850 ° C, 150 MPa, atmosfera AR) per ottenere una densità teorica del 98,6%.

2.2 Test tribologici
Attrezzatura: tribometro PIN-ON-Disc (ASTM G99), profilometria 3D e termografia a infrarossi in situ.

Condizioni:
Carico: 50–400 N (pressione di contatto hertziano: 1,2–3,5 GPA)
Velocità scorrevole: 0,1–1,5 m/s
Lubrificazione: regime di confine (affamato di petrolio)

2.3 Analisi microstrutturale
FIB-SEM per la mappatura della deformazione del sottosuolo.
Spettroscopia Raman per caratterizzare il grado di grafitizzazione del tribofilm.

3. Risultati e discussione
3.1 Attrito e comportamento di usura
Dispersione di grafite ottimale: allineamento del fiocco parallelo alla direzione scorrevole Riduzione del coefficiente di attrito (μ) da 0,38 a 0,21 (Fig. 3A).
Transizione del meccanismo di usura: usura dominata dalla delaminazione inferiore a 2 GPa rispetto all'usura ossidativa sopra 2,8 GPa (Fig. 3B).
Gestione termica: piastre composite limitate la temperatura aumenta a 126 ° C a 3 GPa, contro 218 ° C nel bronzo monolitico.

3.2 Dinamica di Tribofilm
Livello di auto-guarigione: XPS ha confermato la composizione del tribofilm come nanoparticelle di grafite nanocristallina (ID/IG = 0,18) CuO, rielaborate ogni 1.200 cicli.
Ridistribuzione dello stress: la modellazione di elementi finiti ha rivelato che i fiocchi di grafite assorbono il 67% della deformazione a taglio, ritardando la nucleazione della crack.

4. Caso di applicazione industriale: cuscinetti per il frantoio minerario
Baseline: i cuscinetti tradizionali Babbitt-Metal hanno richiesto la sostituzione ogni 1.200 ore.
Retrofit di grafite-bronze:
Dati sul campo: 2.050 ore di durata di servizio con 2,4 caricamento dinamico GPA.
Analisi di fallimento: i campioni di fine vita hanno mostrato un'esaurimento uniforme della grafite (perdita di spessore <5% di spessore) senza spalling catastrofico.
Impatto economico: riduzione del 31% dei costi di inattività all'anno per un impianto di lavorazione di 10.000 tonnellate/giorno.

5. Questo studio stabilisce un quadro di progettazione multifunzionale per i compositi del bronzo grafite, raggiungendo:
Sinergia tribologica: lubrificità di Grafite e tenacità del bronzo attraverso l'anisotropia controllata.
Modelli predittivi: un'equazione archard modificata che incorpora i tassi di esfoliazione della grafite dipendenti dalla temperatura (R² = 0,93).
Scalabilità industriale: convalida in test di cuscinetti conformi ISO 4378-1 conferma la disponibilità all'adozione OEM.
I lavori futuri esploreranno i compositi ibridi con additivi mxene per migliorare ulteriormente i limiti fotovoltaici nelle operazioni artiche sub-zero.