Artikulu honek zink kopuru txiki bat gehitzeak mikroegituran, gogortasunean eta tenperatura altuko erresistentzian duen eragina aztertzen du. SnSb8Cu4 babbitt aleazioa. Mutur lauko koska bat duen koska-errestapen-probarako gailu bat diseinatu zen babbitt aleazio-ren deformazioaren portaera ezaugarritzeko 100 °C-ko giro-tenperaturan eta karga desberdinetan. SnSb0.83Cu8 aleazioari % 4 pisuko Zn gehitu ondoren, SnSb partikula fin eta sakabanatutako kopuru handi bat hauspeatu zen matrizean, eta partikula horiek Sn matrizearen ale-mugetan zehar prezipitatu ziren. Konposatu intermetalikoen bolumen-frakzio osoa, hots, Cu6Sn5 eta SnSb partikulen, %14.9tik %21.2ra igo zen. Giro-tenperaturan Brinell-en gogortasunaren igoera nabaria ez zen arren, arrastatzearen erresistentzia nabarmen hobetu zen. Zn gehitzeak Sb-ren disolbagarritasun solidoa murriztu zuen Sn matrizean, eta ondorioz SnSb partikula gehiago prezipitatu ziren ale-mugetan zehar, eta horrek zehaztapen-eginkizuna izan zuen ale-mugaren irristatzean creep deformazioan, eta, ondorioz, erresistentzia handitu zen. Egoera egonkorreko arrastatze-etapan, koska-irrestapen-tasa esponentzialki erlazionatuta dago koska-tentsioarekin. Neurtutako datuen arabera, SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn-en koska-tentsio-indizea 2.95 eta 2.73 da, hurrenez hurren.

SnSb8Cu4 eztainuan oinarritutako babbitt aleazio tipikoa da, matrize gisa eztainuan oinarritutako soluzio solidoa duena, zeinetan Cu6Sn5 eta SnSb bezalako fase gogorreko partikulak banatzen diren. Betetze-, txertatze- eta harrapatze-kontrako propietate bikainak ditu, eta sarritan errodamenduen estaldura-aleazio-material gisa erabiltzen da errodamendu irristagarrietarako. Babbitt aleazioaren urtze-puntua baxua da eta zerbitzu-tenperatura normala 60 ~ 80 ℃ da, hau da, 0.6 ~ 0.7 Tm-ren baliokidea (babbitt aleazioaren urtze-puntua).
Tenperatura horretan iraupen luzeko zerbitzua deformazio arrastagarria izateko joera du. Industria modernoak produkzio-eraginkortasunari gero eta eskakizun handiagoak ezartzen dizkionez, babbitt aleazio-errodamenduen etengabeko zerbitzu-denbora gero eta luzeagoa da, eta deformazioaren metaketa gero eta handiagoa da. Deformazioak errodamendu-maskorraren eta ardatzaren diametroaren arteko tartea gainditzen duenean, errodamendu-maskorrak ardatzaren diametroarekin zuzenean kontaktuan jar dezake, eta horrek marruskadura lehorra eta errodamendu-maskorraren erretzea eragin dezake. Crep-en deformazioaren tolerantziaren hutsegite-modu honek gero eta proportzio handiagoa du errodamendu-zorroaren hutsegite-moduan. Hori dela eta, babbitt aleazioaren erresistentzia areagotzea gai garrantzitsua bihurtu da aleazio honentzat. Orokorrean, materialen tenperatura altuko erresistentzia hobetzeko metodoak alearen tamaina handitzea, aleazioa, soluzio solidoa indartzea edo prezipitazioa sendotzea, etab., baina babbitt aleazioen erresistentzia hobetzeko ikerketa-lanei buruzko txosten gutxi daude.

Bestalde, metalezko materialen errendimenduaren proba, oro har, hagaxka-formako aleak erabiliz egiten da GB/T-2039 "Metal Tensile Creep and Endurance Test Methods"-ren arabera, baina babbitt aleaziorako, bere benetako aplikazio-egoera da. egin errodamenduen estalkiaren geruza fin bat altzairuzko zorroen atzealdean. Bere moldaketa-metodoa eta antolakuntza-egitura arrastatze-probak egiteko erabilitako hagaxka-formako laginetatik guztiz desberdinak dira, beraz, hagaxka-formako lagin konbentzionalen proben emaitzak ezin dira zuzenean aplikatu benetako lan-baldintzetan. Qian Kangle et al. Babbitt aleazioko errodamenduen forruetarako koska-sprea probaren metodo bat jakinarazi du, hau da, diametro txikiko koska laua erabiltzen da babbitt aleazioko errodamenduaren gainazalean karga jakin bat zuzenean aplikatzeko eta denbora-tarte batez mantentzeko. Koska-sakoneraren eta kargaren eta euste-denboraren arteko erlazioa neurtuz, babbitt aleazioko errodamenduaren estalduraren erresistentzia kuantitatiboki azter daiteke. Proba-metodo honek benetako errodamendu-zorroa zuzenean erabiltzen duenez probak egiteko, bere emaitzak baliotsuagoak dira errodamenduen diseinuari erreferentzia egiteko.

Babbitt aleazioaren erresistentzia hobetzeko metodoa aztertzeko, dokumentu honek SnSb8Cu4 babbitt aleazioan zink kopuru txiki bat sartu nahi du, eta koska-erresistentzia probaren metodoa erabili bere arrastatze-portaera aztertzeko. Aldi berean, babbitt aleazioaren erresistentzia-mekanismoaren ulermenean sakontzeko, aleazioaren egitura metalografikoa eta fase-konposizioa zehatz-mehatz aztertzen dira ekorketa-mikroskopia elektronikoa eta X izpien difraktometroa erabiliz.

Parte esperimentala

Zn-ren disolbagarritasun solidoa Sn-n giro-tenperaturan %1 da. Sn-Zn fase eutektikoa urtze-puntu baxua sortzea saihesteko, gehitutako Zn kopurua % 1 baino txikiagoa izan behar da. Paper honek % 0.9 Zn gain erabiltzen du material gisa. Sn, Sb, Cu, Zn eta beste elementu hutsak SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn-etan urtzen dira proba konparatiborako diseinatutako proportzioaren arabera. Benetako piezaren lan-baldintzak simulatzeko, Babbitt aleazioa altzairuzko substratuan botatzen da benetako errodamendua simulatzeko helburua lortzeko. Altzairuzko substratuak 20 mm-ko lodiera eta 20 mm × 100 mm-ko luzera eta zabalera duten 100 altzairu erabiltzen ditu. Bi laginen benetako konposizioa 1. taulan ageri da.

Babbitt aleazioaren eta altzairuaren babesaren arteko lotura-indarra hobetzeko eta benetako errodamenduen fabrikazio-prozesuarekin koherente mantentzeko, altzairuzko blokea 300 ℃-ko lata-likidoan jartzen da estalita (beroan estalita) tratamendurako galdaketa aurretik, eta ondoren, Babbitt aleazioa botatzen da. Lodiera jakin bateko galdaketa-geruza bat lortzeko, galdaketa aurretik, 20 altzairuzko atzeko hondoa altzairuzko xaflez inguratuta dago, altzairuzko atzeko hondoaren gainazala baino ~ 20 mm altuago daudenak; Galdaketa aurretik altzairuaren atzeko hondoaren aurreberotze-tenperatura 260 ℃ da, eta babbitt aleazioaren tenperatura ~ 400 ℃ da galdaketa-prozesuan, eta babbitt aleazioaren galdaketa-lodiera ~ 15 mm. Azkenik, galdatutako lagina 40 mm × 40 mm × 35 mm laginetan mozten da, eta horietatik 35 mm-ko altuerak 20 mm-ko altzairuzko oinarrizko geruza eta 15 mm inguruko babbitt aleazio-geruza ditu. Ebakitako SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn laginen babbitt aleazio-geruza ~ 5 mm-ko lodierara leundu egiten da lixa-paperarekin, gero etanolarekin garbitu, lehortu eta % 4ko azido nitrikoko etanol-soluzioarekin korroditzen da behaketa metalografikorako. 10 argazki metalografiko edo gehiago erabiliz, hauspeatutako fasearen bolumen-frakzioa irudiak aztertzeko software egokia erabiliz kalkulatu eta aztertuz lortu da. Brinell-en gogortasuna 3000 kg-ko karga, 15.625 segundoko euste-denbora eta 15 mm-ko buruaren tamaina duen DHB-2.5 Brinell-en gogortasun-probagailu batekin neurtu da. Koska-lasterketa-proba erresistentzia-labearen erresistentzia berotzeko labe batean egin zen 100 °C-tan, eta erabilitako koska-probarako gailua 1. Irudian erakutsi zen. Koskatze-erresistentzia-probarako erabilitako buru lauak 0.7 mm-ko diametroa zuen, eta kargak 3 kg, 4.5 kg eta 6 kg ziren, hurrenez hurren. Crep proban, esperimentua ezarri zen denboraren arabera gelditu zen, eta koska-sakonera Keyence VHX-2000E mikroskopio digitalarekin neurtu zen.

Fase fisikoaren analisiak Shimadzu XRD-6100 X izpien difraktometroa erabili zuen, eta analisi metalografikoak JEOL JSM7800F eremu-igorpenaren eskaneatzeko mikroskopio elektronikoaren (SEM) eredua erabili zuen.

Emaitzak eta eztabaida

Emaitza esperimentalak

2. irudiak SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn mikroegitura metalografiko optiko baten azpian erakusten du. SnSb8Cu4-ren mikroegitura erabat aztertu da etxean eta atzerrian, eta fase nagusien artean β-Sn matrize fasea eta Cu6Sn5 eta SnSb fase gogorrak daude. 2(a) Irudian ikus daiteke SnSb8Cu4-ren egitura metalografikoan, izar forman hauspeatutako Cu6Sn5 dendrita lerdenak Sn matrizean txertatuta daudela, eta fase-partikula txikiagoen kopuru txiki bat ere ikus daiteke. 2(b) Irudian ikus daiteke SnSb8Cu4-rekin alderatuta, Babbitt aleazioari Zn elementu kopuru txiki bat gehitu ondoren, matrizean prezipitatutako fase partikulen proportzioa nabarmen handitzen dela.

Mikroskopio metalografikoko diapositibak estatistikoki aztertu dira irudiak aztertzeko softwarea erabiliz, eta SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn-en hauspeatutako fase gogorren bolumen-frakzioak lortu dira, 3. irudian ikusten den moduan, % 14.9 eta % 21.2 ziren hurrenez hurren. Zink kopuru txiki bat sartzeak hauspeatutako fase gogorren bolumen-frakzioa %42.3 handitu zuen.

4. irudiak SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn laginen X izpien difrakzio-espektroak erakusten ditu, hurrenez hurren. Espektro estandarrekin alderatuz, ikus daiteke konposizio ezberdineko bi Babbitt aleazio laginak hiru fasez osatuta daudela, hots, β-Sn matrize fasea eta Cu6Sn5 eta SnSb fase gogorrak.

5. Irudiak Babbitt-en bi aleazioen egitura metalografikoen morfologia erakusten du ekorketa-mikroskopio elektronikoan. Leundu ondoren, laginak % 4ko azido nitrikoko alkohol disoluzio batekin grabatu ziren eta atzera barreiatutako elektroi-seinaleen bidez irudikatu ziren. 5(a) Irudian ikus daitekeenez, SnSb8Cu4 laginean, bi motatako prezipitazio-fase daude matrizean: prezipitazio-fase luzeagoa eta ekiaxe fin bat (2-5µm inguruko diametroa) prezipitazio-fase granularra; % 0.83 pisuko Zn gehitu ondoren, 5 (b) irudian erakusten den moduan, prezipitazio pikor finaren proportzioa nabarmen handitzen da. 5(b) irudiaren handitze partzial baten ondoren, Sn matrizearen ale-mugetan zehar partikula fin kopuru handi batek hauspeatzera jotzen duela ikusten da, 5(c) irudian ikusten den bezala. 5(c) irudiko lerro sendoa ale-mugaren diagrama eskematiko bat da.

5. irudiko hauspeatutako fasearen osaera aztertu zen ekorketa-mikroskopio elektronikoan energia-dispertsio-espektrometroa (EDS) erabiliz. Emaitzak 6. Irudian ageri dira. 1 (a) irudiko 5. puntuan eta (b) 3. posizioan Cu6Sn5 konposatu intermetalikoak direla zehaztu daiteke; 2 (a) irudiko 5. puntuan eta (b) 4. posizioan SnSb konposatu intermetalikoak dira prezipitatutako fase granularrak. Kontuan izan behar da, 6 (c) irudian ikusten den bezala, SnSb6Cu5Zn lagineko Cu8Sn4-ek zinka duela, eta zinka Cu6Sn5 partikulaz aberastu daitekeela adierazten du.

SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn aleazioen Brinell-en gogortasuna giro-tenperaturan neurtu zen, eta emaitzak 7. irudian ageri dira. Brinell-en gogortasun-balioak 21.7HBW eta 25.1HBW dira, hurrenez hurren, Zn sartzeak SnSb8Cu4-ren gogortasuna handitzen duela adierazten du. %15.7.

SnSb8Cu4 eta SnSb8Cu4Zn bi babbitt aleazio-laginen arrastatze-portaera 100 ℃-tan aztertu zen, etxeko koska-koska probarako gailua erabiliz. Koskaren arrastakuntza probarako 3kg, 4.5kg eta 6kg-ko hiru karga konstante aukeratu ziren, eta dagozkien tentsioak 77, 115 eta 153MPa izan ziren, hurrenez hurren. Koska-sakoneraren aldaketaren kurba kargatzeko denboraren aldean 8. Irudian agertzen da.

8. Irudian ikus daiteke aplikatutako karga eta karga-denbora handitzearekin batera, koska-sakonerak etengabeko hazkundearen joera erakusten duela. Koska-sakoneraren gehikuntza bi fasetan bana daiteke: lehenengo etapa koska-sakoneraren hazkuntza azkarreko etapa da, creep-tasa (hau da, kurbaren malda) oso altua da, baina denborak aurrera egin ahala, creep-tasa gutxitzen da. azkar; bigarren etapan, koska-sakonera linealki handitzen da euste-denboraren luzapenarekin, hau da, creep egonkorraren (abiadura konstanteko creep) etapari dagokiona. Horrez gain, kontuan izan behar da, trakzio-errestapen-proba tradizionalak ez bezala, koska-lerroaren kurbak ez duela azken arrastatze-etapa azeleratua. Tentsioaren arrastatze-probaren azken fase azeleratuko arrastatze-tasa anormalki hazi izana laginaren ebakidura-eremu eraginkorra murriztearen ondorioz gertatzen da, eta koska-irudiaren probak ez du arazo hori izaten.

Koskaren arrastakuntzaren bigarren faseak arrastatze-zikloaren gehiengoa hartzen du. Hori dela eta, fase honetako fluentzia-tasa (hau da, fluentzia-kurbaren malda) aleazioaren erresistentzia adierazten du. 8. irudiko bi aleazioen arrastatze-tasa karga ezberdinetan 2. taulan laburbiltzen da.

Eztabaida

Ingeniaritza-aplikazio praktikoetarako, lehertze-tasa eta aplikatutako kargaren arteko erlazioa lortu behar da lehenik. Esperimentu honetan, konpresio-esfortzua (σ) karga (F) koskagailuaren (A) sekzio-eremuarekin zatitutako karga gisa definitzen da, hau da, σ=F/A. 8. irudiko emaitzekin konbinatuta, egoera egonkorreko koska-jokaera (1) formularen bidez adieraz daiteke: 𝑑˙ = 𝑐𝜎'𝑛 (1)
(1) formulan, 𝑨 fluentzia-abiadura da, hau da, buru lauko koskagailuaren hondoratze-abiadura, c fluentzia-konstantea eta n koska-tentsio-indizea. (1) formularen bi aldeen logaritmoa hartuta, (2) formula lortuko dugu: 𝑙𝑔(𝑑˙) = 𝑙𝑔(𝑐) + 𝑛 ∙ 𝑙𝑔(𝜎) (2)
(2) formulatik, ikus daiteke erlazio lineala dagoela lg(𝑕) eta lg(σ) artean. 2. taulako datuak koordenatu logaritmikoko grafikoan jarriz, ikus daiteke lg(𝑑˙) eta lg(σ) arteko erlazio lineal nabaria dagoela, 9. irudian ikusten den moduan, (2) formularen deskribapenarekin bat datorrena. . Egokitzapen lineala datu-puntu hauetan egiten da 9. Irudian. Egokitze-lerroaren malda dagokion babbitt aleazio laginaren koska-erresistentzia-indizea da. C fluentzia-konstantea egokitze-lerroaren eta ordenatuen ardatzaren ebakiduraren bidez zehaztu daiteke koordenatu logaritmikoko grafikoan. Kalkuluen emaitzak 3. taulan ageri dira.

Orokorrean, hiru creep-mekanismo daude, hots, difusio-mekanismoa, ale-mugaren irristaketa eta dislokazio-mugimendua. Tenperatura altuagoetan, ale-mugaren irristatzea da arrastatze-mekanismo nagusia. Bestalde, creep deformazio-mekanismoa n balioaren arabera ere ebalua daiteke. n balioa 1 ingurukoa denean, difusio mekanismo bat da. n balioa 2~3 denean, ale-mugaren irristatzeak zeresan handia du. n balioa 4~6 bitartekoa denean, dislokazio-igoera da nagusi. n>6 denean, dislokazio-mugimenduarekin lotutako mekanismoa da creep-aren mekanismo nagusia. Esperimentu honetan, kalkuluaren arabera, n-ren emaitza 2~3 bitartekoa da, eta ondorioz alea-mugaren irristatzea dela creep deformazio-mekanismo nagusia. Hori dela eta, SnSb8Cu4 aleaziorako, ale-mugaren irristaketa inhibitzea neurri eraginkorra da creep-aren errendimendua hobetzeko.

Horrez gain, ale-tamainak paper garrantzitsua betetzen du eztainuan oinarritutako babbitt aleazioen erresistentzian, ale-muga ugari dislokazio-mugimendurako eta ale-mugetarako irristatze-oztopo bihur daitezkeelako. Hala ere, oraindik eztabaida dago alearen tamainak creep-aren errendimenduan duen eraginari buruz. Wu et al. aleen tamaina murrizteak aleen mugan tentsio-kontzentrazioa murrizten duela ikusi zuen, eta, ondorioz, hutsuneen nukleazioa atzeratzen da. Hori dela eta, sakabanatutako β-Sn partikula finak dira creep erresistentzia hobetzeko arrazoi nagusia. Hala ere, Mahmudi et al. erakutsi alearen tamaina murriztea ez dela hartu behar creep hobekuntzaren arrazoi nagusitzat. β-Sn matrizean Cu6Sn5 partikulen indartzeak creep erresistentzia hobetzea dakarrela uste dute. Ikerketa honetan, SnSb6Cu5 eta SnSb8Cu4Zn aleazioetan β-Sn aleen eta Cu8Sn4 aleen tamainan alde nabarmenik ez dagoenez, kontsidera daiteke SnSb prezipitazio-fasea dela aleazioaren erresistentziaren aldaketa eragiten duen faktore nagusia. .

5. Irudian ikus daitekeenez, bi aleazioetan, Sn matrizean hauspeatutako SnSb partikulen tamaina 2 ~ 5µm da, hau da, SnSb80Cu11 urtzea denean SnSb6Cu5 urtzean eratutako SnSb partikulen (240μm inguru) baino askoz txikiagoa da. hoztu. Hori dela eta, litekeena da tamaina txikiko SnSb partikula hauek solidotu ondoren hozte-prozesuan Sn matrize gainsaturatutik hauspeatuko direla. Solidifikazioaren ondoren hozte-prozesuan, Sb-ren disolbagarritasun solidoa azkar gutxitzen da Sn matrizean, eta gehiegizko Sb-a Sn matrizearen ale-mugetara hedatu ohi da sistemaren energia murrizteko, eta azkenean SnSb fase gogorra sortzen du alean. mugak. Elementuaren fase solidoaren difusio-ahalmena fase likidoaren difusioa baino askoz txikiagoa denez, dokumentu honetan ikusitako SnSb fase gogorra fase likidoan zuzenean eratutako SnSb fase gogorra baino askoz txikiagoa da. Horrez gain, Zn-kopuru txiki bat sartzeak Sb-ren disolbagarritasun solidoa murriztu dezake Sn matrizean, eta ondorioz, ale-mugetan SnSb partikula fin eta sakabanatu ugari prezipitatzen dira. Ale-mugan energia-egoera altua denez eta antolamendu atomikoa kaotikoa denez, difusioa errazagoa da, eta azkenean 100(c) irudian erakusten den egitura osatzen du. SnSb fasearen urtze-puntua ~ XNUMX °C da, hau da, XNUMX °C baino askoz handiagoa. Hau da, koska-irrestapen-probaren tenperaturan, tamaina txikiko SnSb partikula hauek oraindik ere egon daitezke ale-mugan eta aleen-muga finkatzeko zeregina izan dezakete creep-en deformazioan, ale-mugaren irristatzea oztopatzen duena, hau da, creep-aren hobekuntza gisa agertzen dena. erresistentzia makro eskala batean.

Ondorioa

(1) SnSb0.83Cu8-ri % 4 pisuko Zn gehitu ondoren, SnSb partikula fin eta sakabanatutako kopuru handi batek eztainu-matrizearen ale-mugan zehar hauspeatzera jotzen du, eta fase gogorren bolumen-frakzio orokorra % 42.3 handitzen da eta gogortasuna % 15.7 handitzen da. . Aldi berean, Zn elementua sartzeak Babbitt aleazioaren erresistentzia nabarmen hobetzen du, hau da, alea-mugan eztainu-matrizearen ale-mugan zehar hauspeatutako SnSb partikula fin ugariren efektuari egotzi zaiona, alea oztopatzen duena. muga labaintzea arrastatzean zehar.

(2) Koska-erresistentzia proba erabil daiteke Babbitt-en aleazio-erresistentzia kuantitatiboki ebaluatzeko. Tentsio-erresistentzia proba tradizionalaren metodoarekin alderatuta, koska-lerroaren proba erosoa eta egiteko erraza da, eta bere laginak eta proba-prozesua errodamenduaren benetako funtzionamendu-baldintzetatik hurbilago daude.