Þessi grein rannsakar áhrif þess að bæta við litlu magni af sinki á örbyggingu, hörku og háhita skriðþol SnSb8Cu4 babbitt álfelgur. Skriðprófunartæki með flötum endanum var hannað til að einkenna skriðaflögunarhegðun babbitt álfelgurs við 100°C umhverfishita og mismunandi álag. Eftir að 0.83wt% Zn var bætt við SnSb8Cu4 málmblönduna, féll mikill fjöldi fíngerðra og dreifðra SnSb-agna í fylkið og þessar agnir höfðu tilhneigingu til að falla út meðfram kornamörkum Sn-fylkisins. Heildarrúmmálshlutfall millimálmasambanda, þ.e. Cu6Sn5 og SnSb agnir, jókst úr 14.9% í 21.2%. Þrátt fyrir að aukningin á Brinell hörku við stofuhita hafi ekki verið augljós, var skriðþol hennar verulega bætt. Viðbót á Zn dró úr leysni Sb í föstu formi í Sn fylkinu, sem leiddi til þess að fleiri SnSb agnir féllu út meðfram kornamörkunum, sem áttu sinn þátt í því að kornamörkin renndu við skriðaflögun, sem leiddi til aukinnar skriðþols. Í stöðugu skriðstigi er skriðhraði inndráttar veldisbundið við inndráttarálag. Samkvæmt mældum gögnum er inndráttarálagsstuðull SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn 2.95 og 2.73 í sömu röð.

SnSb8Cu4 er dæmigerð babbitt málmblöndu sem byggir á tini, með fastri lausn sem byggir á tini sem fylki, þar sem hörðum fasaögnum eins og Cu6Sn5 og SnSb er dreift. Það hefur framúrskarandi hæfni, innfellingu og krampaeiginleika og er oft notað sem burðarfóðrunarefni til að renna legum. Bræðslumark babbitt álfelgur er lágt og venjulegt þjónustuhitastig er 60 ~ 80 ℃, sem jafngildir 0.6 ~ 0.7 Tm (bræðslumark babbitt álfelgur).
Langtímaþjónusta við þetta hitastig er viðkvæmt fyrir skriðaflögun. Þar sem nútíma iðnaður gerir sífellt meiri kröfur um skilvirkni framleiðslu, verður samfelldur þjónustutími babbitt álfelgur lengri og lengri og uppsöfnun skriðaflögunar verður stærri og stærri. Þegar skriðaflögunin fer yfir bilið milli leguskelarinnar og bolþvermálsins, getur leguskelin haft beint samband við bolþvermálið, sem leiðir til þurrs núnings og bruna á leguskelinni. Þessi bilunarháttur skriðaflögunarþols skýrir aukið hlutfall í bilunarham leguskelarinnar. Þess vegna hefur efla skriðþol babbitt málmblöndunnar orðið mikilvægt umræðuefni fyrir þessa málmblöndu. Almennt séð eru aðferðirnar til að bæta háhita skriðþol efna meðal annars að auka kornastærð, málmblöndur, styrkingu á föstu lausnum eða úrkomustyrkingu osfrv., En það eru fáar skýrslur um rannsóknarvinnu til að bæta skriðþol babbitt álfelgur.

Aftur á móti er skríðaprófun málmefna almennt framkvæmt með því að nota stangalaga sýni í samræmi við GB/T-2039 „Metal Tensile Creep and Endurance Test Methods“, en fyrir babbitt álfelgur er raunverulegt notkunarástand þess að búa til þunnt lag af burðarfóðri á bakhlið stálskelja. Mótunaraðferðin og skipulagsuppbyggingin er algjörlega frábrugðin stangalaga sýnum sem notuð eru við skriðprófun, þannig að prófunarniðurstöður hefðbundinna stangalaga sýnishorna er ekki hægt að beita beint við raunveruleg vinnuskilyrði. Qian Kangle o.fl. greint frá skriðprófunaraðferð fyrir babbitt álfelgur, þ.e. flatur inndráttur með litlum þvermál er notaður til að beita ákveðnu álagi beint á yfirborð babbitt álfelgursins og viðhalda því í nokkurn tíma. Með því að mæla sambandið milli dýptar dýptar og álags og haldtíma er hægt að rannsaka skriðþol burðarfóðrunar babbitt málmblöndunnar magnbundið. Þar sem þessi prófunaraðferð notar beinan burðarskel til prófunar, eru niðurstöður hennar verðmætari fyrir tilvísun í leguhönnun.

Til að kanna aðferðina til að bæta skriðþol babbitt álfelgur, ætlar þessi grein að setja lítið magn af sinki inn í SnSb8Cu4 babbitt álfelgur og nota skriðprófunaraðferðina til að rannsaka skriðhegðun þess. Á sama tíma, í því skyni að dýpka skilning á skriðviðnámsbúnaði babbitt málmblöndunnar, er málmfræðileg uppbygging og fasasamsetning málmblöndunnar rannsökuð í smáatriðum með því að nota skönnun rafeindasmásjár og röntgengeislunarmæli.

Tilraunahluti

Leysni Zn í föstu formi í Sn við stofuhita er ~1%. Til að forðast myndun Sn-Zn eutectic fasa með lágum bræðslumarki ætti magn Zn sem bætt er við að vera minna en 1%. Þessi pappír notar 0.9% Zn viðbót sem efni. Hreint Sn, Sb, Cu, Zn og önnur frumefni eru brætt í SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn í samræmi við hannað hlutfall fyrir samanburðarpróf. Til þess að líkja eftir vinnuskilyrðum raunverulegs vinnustykkis er Babbitt álfelgur steyptur á stál undirlagið til að ná þeim tilgangi að líkja eftir raunverulegu legunni. Stál undirlagið notar 20 stál með þykkt 20mm og lengd og breidd 100mm×100mm. Raunveruleg samsetning sýnanna tveggja er sýnd í töflu 1.

Til að bæta tengingarstyrkinn á milli Babbitt málmblöndunnar og stálbaksins og halda því í samræmi við raunverulegt framleiðsluferli legur, er stálblokkinn settur fyrir í 300 ℃ tini vökva til að meðhöndla (heitt dýfa tinning) fyrir steypu, og síðan er Babbitt álfelnið steypt. Til þess að fá steypulag af ákveðinni þykkt, fyrir steypu, er 20 stálbakbotninn umkringdur stálplötum, sem eru ~20mm hærri en yfirborð stálbakbotnsins; Forhitunarhitastig stálbotnsins fyrir steypu er 260 ℃ og hitastig babbitt málmblöndunnar er ~400 ℃ meðan á steypuferlinu stendur og steypuþykkt babbitt málmblöndunnar er ~15 mm. Að lokum er steypta sýnishornið skorið í 40mm×40mm×35mm sýni, þar af hæðin 35mm inniheldur 20mm stálgrunnlag og babbitt álfelgur um 15mm. Babbitt állagið af skornu SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn sýnunum er pússað í ~5 mm þykkt með sandpappír, síðan hreinsað með etanóli, blásið þurrt og tært með 4% saltpéturssýru etanóllausn til málmfræðilegrar athugunar. Með því að nota 10 eða fleiri málmmyndir var rúmmálshlutfall útfellda fasans fengið með útreikningi og greiningu með því að nota viðeigandi myndgreiningarhugbúnað. Brinell hörku var mæld með því að nota DHB-3000 Brinell hörkuprófara með 15.625 kg álagi, 15 sekúndum geymslutíma og 2.5 mm höfuðstærð. Skriðprófunin var framkvæmd í viðnámsofni sem hitaði ofn við 100°C og skriðprófunarbúnaðurinn sem notaður var sýndur á mynd 1. Flathausinn sem notaður var fyrir skriðprófunina var 0.7 mm í þvermál og álagið var 3 kg, 4.5 kg og 6 kg, í sömu röð. Meðan á skriðprófinu stóð var tilraunin stöðvuð í samræmi við tiltekinn tíma og inndýptardýptin mæld með Keyence VHX-2000E stafrænni smásjá.

Í eðlisfasagreiningunni var notað Shimadzu XRD-6100 röntgengeislunarmælir og málmgreiningin notaði skanna rafeindasmásjá (SEM) líkan af JEOL JSM7800F sviðslosunarskanna rafeindasmásjá.

Niðurstöður og umræður

Tilraunarniðurstöður

Mynd 2 sýnir örbyggingu SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn undir sjónmálmsmásjá. Örbygging SnSb8Cu4 hefur verið rannsökuð að fullu hér heima og erlendis og helstu fasarnir eru β-Sn fylkisfasa og Cu6Sn5 og SnSb harðir fasar. Á mynd 2(a) má sjá að í málmfræðilegri uppbyggingu SnSb8Cu4 eru mjótt Cu6Sn5 dendrites sem falla út í stjörnuformi inn í Sn fylkið og einnig má sjá lítið magn af minni útfelldum fasaögnum. Af mynd 2(b) má sjá að miðað við SnSb8Cu4, eftir að litlu magni af Zn frumefni hefur verið bætt við Babbitt málmblöndu, eykst hlutfall kornóttra útfelldra fasaagna í fylkinu verulega.

Málmsjársmásjáarskyggnurnar voru tölfræðilegar greindar með myndgreiningarhugbúnaði og rúmmálshlutfall harða fasans sem fellt var út í SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn fengust, eins og sýnt er á mynd 3, sem voru 14.9% og 21.2%, í sömu röð. Innleiðing á litlu magni af sinki leiddi til 42.3% aukningar á rúmmálshlutfalli útfellda harða fasans.

Mynd 4 sýnir röntgengeislunarróf SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn sýna, í sömu röð. Með því að bera saman við staðlaða litrófið má sjá að Babbitt álsýnin tvö með mismunandi samsetningu eru samsett úr þremur fasum, nefnilega β-Sn fylkisfasa og Cu6Sn5 og SnSb hörðum fasum.

Mynd 5 sýnir málmfræðilega uppbyggingu formgerð tveggja Babbitt málmblöndur undir skanna rafeinda smásjá. Eftir slípun voru sýnin ætuð með 4% saltpéturssýrualkóhóllausn og mynduð með því að nota afturdreifð rafeindamerki. Eins og sést á mynd 5(a), í SnSb8Cu4 sýninu, eru tvenns konar úrkomufasa á fylkinu: Stærri ílangur úrkomufasi og jafnáxaður fínn (um 2-5µm í þvermál) kornóttur úrkomufasi; eftir að 0.83wt% Zn hefur verið bætt við, eins og sýnt er á mynd 5(b), eykst hlutfall fínkorna úrkomufasa verulega. Eftir stækkun að hluta á mynd 5(b), kemur í ljós að mikill fjöldi fíngerðra agna hefur tilhneigingu til að falla út meðfram kornamörkum Sn fylkisins, eins og sýnt er á mynd 5(c). Heilda línan á mynd 5(c) er skýringarmynd af kornamörkum.

Samsetning útfellda fasans á mynd 5 var greind með því að nota orkudreifingarrófsmælirinn (EDS) á rafeindasmásjánni. Niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 6. Hægt er að ákvarða að ílangu útfelldu fasarnir í punkti 1 á mynd 5 (a) og stöðu 3 í (b) séu Cu6Sn5 millimálmsambönd; kornóttu útfelldu fasarnir í punkti 2 á mynd 5 (a) og stöðu 4 í (b) eru SnSb millimálmasambönd. Það skal tekið fram að eins og sýnt er á mynd 6 (c), inniheldur Cu6Sn5 í SnSb8Cu4Zn sýninu sink, sem gefur til kynna að sink gæti verið auðgað í Cu6Sn5 ögnum.

Brinell hörku SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn málmblöndur við stofuhita var mæld og niðurstöðurnar eru sýndar á mynd 7. Brinell hörkugildin eru 21.7HBW og 25.1HBW, í sömu röð, sem gefur til kynna að innleiðing Zn eykur hörku Sn8Su um 4Cu.

Skriðhegðun tveggja babbitt álsýna, SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn, var rannsökuð við 100 ℃ með því að nota heimatilbúið skriðprófunartæki. Þrjár stöðugar álagar, 3 kg, 4.5 kg og 6 kg, voru valdar fyrir skriðprófið, og samsvarandi álag var 77, 115 og 153 MPa, í sömu röð. Ferill breytinga á dýpt dýptar á móti hleðslutíma er sýndur á mynd 8.

Sjá má af mynd 8 að með aukningu álags álags og hleðslutíma sýnir dýpt dýptarinnar stöðuga aukningu. Hægt er að skipta aukningu inndráttardýptar í tvö stig: fyrsta stigið er hraðvaxtarstig inndráttardýptar, skriðhraði (þ.e. halli ferilsins) er mjög mikill, en eftir því sem tíminn líður minnkar skriðhraðinn hratt; í öðru þrepi eykst inndráttardýptin línulega með lengingu haldtímans, sem tilheyrir stöðugu skriðþrepinu (stöðug hraða skrið). Að auki skal tekið fram að, ólíkt hefðbundnu togskriðprófi, hefur inndráttarskriðferillinn ekki síðasta hraða skriðþrepið. Óeðlilega hröð aukning á skriðhraða á síðasta hraða skriðstigi togskriðprófsins er vegna minnkunar á virku þversniðsflatarmáli sýnisins, á meðan skriðprófið hefur ekki þetta vandamál.

Annað stig inndráttarskriðs tekur yfir mikinn meirihluta skriðlotunnar. Þess vegna táknar skriðhraði (þ.e. halli skriðferilsins) á þessu stigi skriðviðnám málmblöndunnar. Skriðhraði beggja málmblöndur á mynd 8 undir mismunandi álagi er tekinn saman í töflu 2.

Discussion

Fyrir hagnýt verkfræðileg forrit ætti fyrst að fá sambandið milli skriðhraða og beitts álags. Í þessari tilraun er þrýstispennan (σ) skilgreind sem álagið (F) deilt með þversniðsflatarmáli inntaksins (A), það er σ=F/A. Ásamt niðurstöðum á mynd 8 er hægt að tjá hegðun inndráttar í stöðugu ástandi með formúlu (1): 𝑑̇ = 𝑐𝜎'𝑛 (1)
Í formúlu (1) er ̇ skriðhraði, það er sökkvandi hraði flathaussins, c er skriðfasti og n er inndráttarspennuvísitalan. Ef við tökum lógaritma beggja hliða formúlu (1) fáum við formúlu (2): 𝑙𝑔(̇) = 𝑙𝑔(𝑐) + 𝑛 ∙ 𝑙𝑔(𝜎) (2)
Af formúlu (2) má sjá að línulegt samband er á milli lg(̇) og lg(σ). Ef gögnin í töflu 2 eru sett inn í lógaritmíska hnitagrafið má sjá að það er augljóst línulegt samband á milli lg(̇) og lg(σ), eins og sýnt er á mynd 9, sem er í samræmi við lýsingu á formúlu (2). Línuleg aðlögun er framkvæmd á þessum gagnapunktum á mynd 9. Halli mátunarlínunnar er skriðspennuvísitalan n fyrir samsvarandi babbitt álsýni. Skriðfastann c er hægt að ákvarða með skurðpunkti sniðlínunnar og ordinatáss í lógaritmísku hnitagrafinu. Niðurstöður útreikninga eru taldar upp í töflu 3.

Almennt eru þrír skriðaðferðir, þ.e. dreifingarkerfi, kornmörk renna og tilfærsluhreyfing. Við hærra hitastig er renna á kornamörkum aðal skriðbúnaðurinn. Á hinn bóginn er einnig hægt að meta skriðaflögunarbúnaðinn með n-gildinu. Þegar n gildið er í kringum 1 er það dreifingarkerfi. Þegar n gildið er 2~3, spilar kornmörkin að renna stórt hlutverk. Þegar n-gildið er á bilinu 4~6, er tilfærsluklifur ríkjandi. Þegar n＞6 er vélbúnaðurinn sem tengist losunarhreyfingunni helsti skriðbúnaðurinn. Í þessari tilraun, samkvæmt útreikningnum, er niðurstaða n á bilinu 2~3, sem hægt er að álykta að kornmörk renna sé aðal skrið aflögun vélbúnaður. Þess vegna, fyrir SnSb8Cu4 álfelgur, er hindrun á kornmörkum áhrifarík ráðstöfun til að bæta skriðafköst.

Að auki gegnir kornastærð mikilvægu hlutverki í skriðþoli babbitt málmblöndur sem eru byggðar á tini vegna þess að mikill fjöldi kornamarka getur orðið hindrun fyrir hreyfingu frá hreyfingu og að kornamörk renna. Hins vegar eru enn nokkrar deilur um áhrif kornastærðar á skriðafköst. Wu o.fl. komist að því að minnkun kornastærðar dregur úr streitustyrk við kornamörk og seinkar þar með kjarnamyndun tómarúma. Þess vegna eru fínu dreifðu β-Sn agnirnar aðalástæðan fyrir því að bæta skriðþol. Hins vegar eru niðurstöður Mahmudi o.fl. sýna að ekki ætti að líta á minnkun kornastærðar sem aðalástæðuna fyrir aukinni skrið. Þeir telja að styrking Cu6Sn5 agna í β-Sn fylkinu leiði til bættrar skriðþols. Í þessari rannsókn, þar sem ekki er marktækur munur á stærð β-Sn korna og Cu6Sn5 korna í SnSb8Cu4 og SnSb8Cu4Zn málmblöndur, má telja að SnSb úrkomufasinn sé aðalþátturinn sem veldur breytingu á skriðþoli málmblöndunnar.

Eins og sést á mynd 5, í báðum málmblöndunum, er stærð SnSb agna sem fellur út á Sn fylkið 2~5µm, sem er mun minni en SnSb agnirnar (um 80μm) sem myndast í bræðslunni þegar SnSb11Cu6 bræðslan er kæld. Þess vegna er líklegt að þessar litlu SnSb agnir falli út úr yfirmettuðu Sn fylkinu meðan á kælingu stendur eftir storknun. Í kæliferlinu eftir storknun minnkar leysni Sb í föstu formi í Sn fylkinu hratt og umfram Sb hefur tilhneigingu til að dreifast að kornamörkum Sn fylkisins til að draga úr orku kerfisins og myndar að lokum SnSb harða fasann við kornmörkin. Þar sem fastfasa dreifingargeta frumefnisins er mun minni en fljótandi fasadreifing, er SnSb harði fasinn sem sést í þessari grein mun minni en SnSb harði fasinn sem myndast beint í fljótandi fasanum. Að auki getur innleiðing á litlu magni af Zn dregið úr leysni Sb í föstu formi í Sn fylkinu, sem leiðir til útfellingar á miklum fjölda fínna og dreifðra SnSb agna við kornmörkin. Vegna þess að orkuástandið við kornmörkin er hátt og lotuskipan er óskipuleg, verður dreifing auðveldari og myndar að lokum uppbygginguna sem sýnd er á mynd 5(c). Bræðslumark SnSb fasa er ~240°C, sem er mun hærra en 100°C. Það er að segja, við skriðprófunarhitastigið geta þessar litlar SnSb agnir enn verið til við kornamörkin og gegnt hlutverki við að festa kornamörkin meðan á skriðaflögun stendur, sem hindrar að kornamörk renna, sem kemur fram sem framför í skriðþoli á stórum mælikvarða.

Niðurstaða

(1) Eftir að 0.83wt% Zn er bætt við SnSb8Cu4 hefur mikill fjöldi fínna og dreifðra SnSb agna tilhneigingu til að falla út meðfram tini fylkiskornamörkum, og heildarmagn harðfasa eykst um 42.3% og hörku eykst um 15.7%. Á sama tíma bætir innleiðing Zn frumefnis verulega skriðþol Babbitt málmblöndunnar, sem má rekja til festingaráhrifa mikils fjölda fíngerðra SnSb agna sem fellur út meðfram tini fylkiskornamörkum á kornamörkum, sem hindrar að kornamörk renna við skrið.

(2) Hægt er að nota skriðprófið til að meta skriðþol Babbitt álfelgur. Í samanburði við hefðbundna skriðprófunaraðferðina er skriðprófið þægilegt og auðvelt í framkvæmd og sýnishorn þess og prófunarferli eru nær raunverulegum rekstrarskilyrðum legunnar.