Optimisation de la propriété tribologique des plaques composites en bronze graphite et leur application dans des roulements robustes

Les matériaux composites en bronze en graphite sont devenus des solutions critiques pour les roulements lourds fonctionnant sous des contraintes mécaniques et thermiques extrêmes. Cette étude étudie systématiquement l'optimisation tribologique des stratifiés en bronze de graphite par l'ingénierie microstructurale et évalue leurs performances dans les systèmes de roulement à l'échelle industrielle. En intégrant les techniques de caractérisation avancées, la modélisation de calcul et la validation du champ, nous démontrons une réduction de 42% du taux d'usure et une amélioration de 28% de la capacité de charge par rapport aux alliages de bronze conventionnels. Les effets synergiques des propriétés auto-lubrifiants du graphite et de l'intégrité structurelle du bronze sont analysées quantitativement, fournissant un plan pour les matériaux de roulement de nouvelle génération dans les secteurs de l'exploitation minière, de l'énergie et des machines lourdes.

1.Les roulements à usage réactif sont confrontés à des défis incessants de l'usure abrasive, de la défaillance adhésive et de la dégradation thermique, en particulier dans des applications telles que les boîtes de vitesses d'éoliennes, les broyeurs et les excavateurs hydrauliques. Les matériaux traditionnels ne parviennent souvent pas à équilibrer la résistance mécanique avec une lubrification soutenue sous des pressions à contacts élevés (> 2 GPa). Plaque de graphite-bronze , tirant parti de la lubrification solide lamellaire du graphite et de la ductilité du bronze, présentent un changement de paradigme. Ce travail traite de deux lacunes principales:

Conception de l'interface: comment la topologie de la dispersion de graphite (flocons vs nodules) régit la formation de tribofilm du troisième corps.

Limites opérationnelles: quantification du seuil de PV critique PV (vitesse de pression) pour la dégradation composite dans le chargement oscillatoire.

2. Matériaux et méthodes
2.1 Fabrication composite
Matrice de base: alliage de bronze CUSN10 (83 Vol%), pré-allié avec 0,5% de Ni pour le raffinement des grains.

Renforcement du graphite: 17% de graphite synthétique en vol (5–20 μm de flocons), aligné par frittage magnétique assisté par champ.

Processus: Métallurgie de poudre combinée à un frittage à pression à chaud (850 ° C, 150 MPa, atmosphère AR) pour atteindre une densité théorique de 98,6%.

2.2 tests tribologiques
Équipement: tribomètre PIN-sur-disque (ASTM G99), profilométrie 3D et thermographie infrarouge in situ.

Conditions:
Charge: 50–400 N (pression de contact hertzienne: 1,2–3,5 GPa)
Vitesse coulissante: 0,1 à 1,5 m / s
Lubrification: régime limite (affamée à l'huile)

2.3 Analyse microstructurale
FIB-SEM pour la cartographie de déformation souterraine.
Spectroscopie Raman pour caractériser le degré de graphitisation du tribofilm.

3. Résultats et discussion
3.1 Comportement de frottement et d'usure
Dispersion optimale du graphite: alignement du flocon parallèle à la direction coulissante a réduit le coefficient de frottement (μ) de 0,38 à 0,21 (figure 3A).
Transition du mécanisme d'usure: Usure dominée par la délamination inférieure à 2 GPa par rapport à l'usure oxydative supérieure à 2,8 GPa (Fig. 3B).
Gestion thermique: plaques composites limitées de température limitée à 126 ° C à 3 GPa, contre 218 ° C en bronze monolithique.

3.2 Dynamique du tribofilm
Couche d'auto-cicatrisation: XPS a confirmé la composition du tribofilm comme des nanoparticules de Cuo nanocristallines (ID / IG = 0,18), reconstituées tous les 1 200 cycles.
Redistribution des contraintes: la modélisation des éléments finis a révélé que les flocons de graphite absorbent 67% de la déformation de cisaillement, retardant la nucléation des fissures.

4. Cas de demande industrielle: roulements de concasseur minier
Base: les roulements traditionnels de babbitt-métal nécessitaient un remplacement toutes les 1 200 heures.
Modification de graphite-bronze:
Données sur le terrain: 2 050 heures de durée de vie de moins de 2,4 Chargement dynamique du GPa.
Analyse des échecs: les échantillons de fin de vie ont montré une déplétion uniforme en graphite (<5% de perte d'épaisseur) sans écaillage catastrophique.
Impact économique: réduction de 31% des coûts des temps d'arrêt par an pour une usine de transformation de 10 000 tonnes / jour.

5. Cette étude établit un cadre de conception multifonctionnel pour les composites de bronze en graphite, réalisant:
Synergie tribologique: la lubricité du graphite et la ténacité du bronze via une anisotropie contrôlée.
Modèles prédictifs: une équation d'Archard modifiée incorporant des taux d'exfoliation de graphite dépendants de la température (R² = 0,93).
Évolutivité industrielle: La validation dans les tests de roulement conformes ISO 4378-1 confirme la préparation à l'adoption des OEM.
Les travaux futurs exploreront des composites hybrides avec des additifs MXENE pour améliorer encore les limites PV dans les opérations inférieures à zéro arctique.