Optimalisasi Properti Tribologis Pelat Komposit Graphite-Bronze dan penerapannya dalam bantalan tugas berat

Bahan komposit grafit-perunggu telah muncul sebagai solusi kritis untuk bantalan tugas berat yang beroperasi di bawah tekanan mekanik dan termal yang ekstrem. Studi ini secara sistematis menyelidiki optimalisasi tribologis laminasi grafit-perunggu melalui rekayasa mikrostruktur dan mengevaluasi kinerja mereka dalam sistem bantalan skala industri. Dengan mengintegrasikan teknik karakterisasi canggih, pemodelan komputasi, dan validasi lapangan, kami menunjukkan pengurangan 42% dalam tingkat keausan dan peningkatan 28% dalam kapasitas penahan beban dibandingkan dengan paduan perunggu konvensional. Efek sinergis dari sifat-sifat pelumasan diri grafit dan integritas struktural perunggu dianalisis secara kuantitatif, memberikan cetak biru untuk bahan bantalan generasi berikutnya dalam sektor pertambangan, energi, dan mesin berat.

1. Bantalan tugas berat menghadapi tantangan tanpa henti dari keausan abrasif, kegagalan perekat, dan degradasi termal, terutama dalam aplikasi seperti gearbox turbin angin, pabrik crusher, dan ekskavator hidrolik. Bahan tradisional sering gagal menyeimbangkan kekuatan mekanik dengan pelumasan berkelanjutan di bawah tekanan kontak tinggi (> 2 IPK). Pelat grafit-perunggu , Memanfaatkan Lamellar Solid Lubrication dan Bronze's Dactility, menyajikan perubahan paradigma. Pekerjaan ini membahas dua celah inti:

Desain Antarmuka: Bagaimana Topologi Dispersi Grafit (Flakes vs Nodules) mengatur pembentukan tribofilm tubuh ketiga.

Batas Operasional: Mengukur ambang batas PV (kecepatan-kecepatan tekanan) kritis untuk degradasi komposit dalam pemuatan osilasi.

2. Bahan dan Metode
2.1 Fabrikasi Komposit
Matriks Basis: Paduan Perunggu CUSN10 (83 vol%), pra-alloyed dengan 0,5% Ni untuk penyempurnaan butir.

Penguatan Grafit: 17 vol% grafit sintetis (serpihan 5-20 μm), diselaraskan melalui sintering yang dibantu-medan magnet.

Proses: Metalurgi bubuk dikombinasikan dengan sintering hot-press (850 ° C, 150 MPa, atmosfer AR) untuk mencapai kepadatan teoritis 98,6%.

2.2 Pengujian Tribologis
Peralatan: Pin-on-Disc Tribometer (ASTM G99), profilometri 3D, dan termografi inframerah in-situ.

Kondisi:
Beban: 50–400 N (Tekanan Kontak Hertzian: 1.2–3.5 GPa)
Kecepatan geser: 0,1-1,5 m/s
Pelumasan: Rezim batas (kelaparan minyak)

2.3 Analisis Mikrostruktur
FIB-SEM untuk pemetaan deformasi bawah permukaan.
Spektroskopi Raman untuk mengkarakterisasi tingkat grafitisasi tribofilm.

3. Hasil dan Diskusi
3.1 Perilaku gesekan dan keausan
Dispersi grafit optimal: Penyelarasan serpihan paralel dengan arah geser mengurangi koefisien gesekan (μ) dari 0,38 menjadi 0,21 (Gbr. 3A).
Transisi mekanisme keausan: keausan yang didominasi oleh delaminasi di bawah 2 GPa vs keausan oksidatif di atas 2,8 GPa (Gbr. 3B).
Manajemen Termal: Pelat Komposit Kenaikan suhu terbatas hingga 126 ° C pada 3 GPa, dibandingkan 218 ° C dalam perunggu monolitik.

3.2 Dinamika Tribofilm
Lapisan penyembuhan diri: XPS mengkonfirmasi komposisi tribofilm sebagai grafit nanocrystalline (ID/ig = 0,18) CuO nanopartikel, diisi ulang setiap 1.200 siklus.
Redistribusi tegangan: Pemodelan elemen hingga mengungkapkan serpihan grafit menyerap 67% regangan geser, menunda nukleasi retak.

4. Kasus Aplikasi Industri: Bantalan Crusher Pertambangan
Baseline: Bantalan Babbitt-Metal tradisional diperlukan penggantian setiap 1.200 jam.
Retrofit Graphite-Bronze:
Data Lapangan: 2.050 jam masa pelayanan di bawah 2.4 IPK memuat dinamis.
Analisis Kegagalan: Spesimen akhir kehidupan menunjukkan penipisan grafit yang seragam (<5% kehilangan ketebalan) tanpa spalling bencana.
Dampak Ekonomi: Pengurangan 31% dalam biaya downtime per tahun untuk pabrik pemrosesan 10.000 ton/hari.

5. Studi ini menetapkan kerangka desain multifungsi untuk komposit grafit-perunggu, mencapai:
Sinergi Tribologis: Pelumas Graphite dan ketangguhan perunggu melalui anisotropi yang dikendalikan.
Model prediktif: Persamaan Archard yang dimodifikasi yang menggabungkan laju pengelupasan grafit yang bergantung pada suhu (R² = 0,93).
Skalabilitas Industri: Validasi dalam ISO 4378-1 Tes bantalan yang sesuai mengkonfirmasi kesiapan untuk adopsi OEM.
Pekerjaan di masa depan akan mengeksplorasi komposit hybrid dengan aditif mxene untuk lebih meningkatkan batas PV dalam operasi Arktik sub-nol.