ما هو التركيب المادي لمحمل الدفع البرونزي القصدير؟

اختيار المواد لمحمل الدفع لا يكون عشوائيًا أبدًا. تحدد السبيكة الحمل الذي يمكن أن يتحمله السطح قبل الانحناء. كما أنه يحدد السرعة التي يظل بها طبقة الزيت بسمك مناسب. فهو يحدد مدى قدرة جزيئات الأوساخ الصلبة على دفع السطح بدلاً من خدش العمود. أمحمل الدفع من البرونز القصديرمصنوعة من نظام النحاس-القصدير. وقد تم استخدامه في المصانع منذ القرن التاسع عشر. لكن خيارات المزيج المحددة داخل النظام-كمية القصدير، وكمية الرصاص، وكمية الفوسفور، إذا تمت إضافة الزنك-يمكن أن تمنح وجهك كثافة وسلوكيات فرك مختلفة تمامًا. ستصف هذه الورقة المادة التي يتكون منها الخليط، وسبب وجود كل معدن، وكيف تغير التغييرات في الخليط طريقة عمل المحامل.

النظام الثنائي للنحاس والقصدير: أساس السبيكة

برونز القصدير هو في الأساس خليط صلب من القصدير المذاب في قاعدة نحاسية. كانت القاعدة النحاسية على شكل مكعب ذو قلب وجه. في الحالة المستقرة، لا يمكن للقصدير أن يذوب إلا في النحاس عند درجة حرارة الغرفة مع قابلية ذوبان تبلغ حوالي 1% بالوزن. لكن السبائك الحاملة تحتوي عادةً على 8-12% بالوزن من القصدير. يبقى هذا القصدير الإضافي في المزيج حيث يتم استخدام معدلات الصب والتبريد في الإنتاج، مما يمنع المعدن من العودة إلى حالته المستقرة. لذلك يبقى القصدير على شكل محلول ألفا صلب في جميع أنحاء الخليط.

قام ماسالسكي (1990) بعمل أفضل في رسم خريطة لمرحلة النحاس-القصدير في دراسات CALPHAD اللاحقة، حيث أظهر ثلاث مراحل مهمة للسبائك المصبوبة:

-المرحلة: هذا هو الخليط الصلب الغني بالنحاس- والذي يشكل الجسم الرئيسي. ناعمة وقابلة للانحناء. كما أنه يمنح المحامل القدرة على تغيير شكلها والسماح بدخول الأوساخ. هذا هو السبب في أن السبائك الحاملة يمكنها التعامل مع تصادمات سطح العمود.

δ-الطور (Cu31Sn8): عبارة عن معدن غني بالقصدير- يتشكل عند حافة الحبوب عندما يبرد المعدن ببطء. عند 8-12% من القصدير، لا بد أن تتشكل مرحلة الدلتا. هذه المرحلة صعبة وهشة. ويتحكم موقعها داخل الطور ألفا في قدرة السبيكة على تحمل الضغوط المتكررة.

ε-phase (Cu3Sn) وη-phase (Cu6Sn5): هذه هي المعادن البينية الأخرى التي تحدث عند نقاط الاتصال وعلى حافة الجزيئات تحت ظروف تبريد معينة. عندما تحتوي على جزء صغير فقط، فإنها تزيد من صلابة السطح دون تقليل المرونة بشكل كبير.

النتيجة الميكانيكية لإضافة المزيد من القصدير هي ارتفاع خطي تقريبًا في التوتر والتصلب. ويتم تحقيق ذلك عن طريق التعزيز المذاب الصلب-. لكن في الوقت نفسه، كلما زاد عدد الطور δ-، قل قابليتها للانحناء. تتراوح مقاومة الخضوع للرمل-من برونز القصدير المصبوب عادةً بين 120-145 ميجا باسكال و60-80 HB عند نسبة 10% من وزن القصدير (ASM International, 1990).

درجات السبائك القياسية المستخدمة في تطبيقات محامل الدفع

تقوم جمعية تطوير النحاس وASTM بتسمية العديد من خلائط برونز القصدير المستخدمة في المحامل. الدرجات الأكثر شيوعًا لوظيفة الدفع هي:

C90300 (88-0-4): 88% نحاس، 8% قصدير، 0% رصاص، 4% زنك. يضاف الزنك بشكل رئيسي لإزالة الأكسجين وتقليل فتحات صب الرمل. صلابة برينل هي 65-75 HB وقوة الشد 275-310 ميجا باسكال. يعد هذا مزيجًا أساسيًا من مهمة الدفع التقليدية دون الحاجة إلى الرصاص (ASTM B505).

C90500 (88-10-0-2): 88% نحاس، 10% قصدير، 0% رصاص، 2% زنك. تزيد كمية القصدير الأعلى من الصلابة إلى 75-85HB وتسمح للمحامل بأن تدوم لفترة أطول تحت التلامس الأمامي والخلفي. إنه أقل تكاملاً قليلاً من C90300.

C90700 (89-11-0-0): يحتوي على 89% نحاس، 11% قصدير، رصاص وزنك. يمنحك هذا المزيج عالي القصدير الخالي من الرصاص أقوى برونز القصدير القياسي، حيث يزن 80-90 HB. يتم استخدامه في مهمة الدفع، حيث يكون دخول الأوساخ أقل أهمية من مقاومة التآكل تحت ضغوط التلامس العالية.

C93200 (83-7-7-3): 83% نحاس، 7% قصدير، 7% رصاص، 3% زنك. هذا هو البرونز القصدير الرصاص. من الناحية الفنية، إنها عائلة مختلفة من السبائك، لكن تحمل الكتالوجات يقرنها ببرونز القصدير. يغير الجزء الرئيسي (الذي تمت مناقشته في القسم التالي) الكثير من سلوك الفرك.

دور الرصاص: خزان مواد التشحيم في المصفوفة

لا يمكن خلط الرصاص مع النحاس. عندما يتصلب المعدن، فإنه يتحول إلى قطرات صغيرة. تنتشر هذه القطرات عبر كائنات الطور ألفا. تؤدي المعلقات الرئيسية وظيفتين مرتبطتين بالقمامة-. أولاً، عند أول اتصال، يتم تلطيخها على الوجه الحامل. وهذا يسمح للطبقة الرقيقة والناعمة بالبدء في العمل وفي ظل ظروف استهلاك الوقود المنخفض. وبعد ذلك، تشكل ثقوبًا صغيرة في السطح. بين دورات تشحيم الزيت العادية، يمكن لهذه الثقوب تخزين الزيت لوقت لاحق.

في C93200، تكون قطرات الرصاص كافية لتقليل الاحتكاك الجاف بحوالي 20-30% عند 7 نسبة مئوية من الرصاص، في حين انخفضت الخلائط الخالية من الرصاص بحوالي 20-30% عند نفس الحمل والسرعة (Stachowiak & Batchelor, 2014). تتمثل العيوب في انخفاض السحب (C93200 عادة C93200 220 - 240 ميجا باسكال، C90300 عادة 275-310 ميجا باسكال) وعمر الانحناء الأمامي والخلفي أقصر.

يتمتع الرصاص بميزة احتكاك إضافية قليلة بالنسبة لمحامل الدفع المصنوعة من البرونز-والقصدير والتي تعمل دائمًا بأعلى من سرعة الفيلم في نظام تزييت الزيت. يعمل فيلم الزيت على فصل الأسطح. يعد الرصاص مهمًا عند التشغيل أو الإيقاف أو التشغيل، أو عندما يكون استهلاك الوقود منخفضًا. يتضمن ذلك المحاور ذات السرعة المنخفضة-، وخطافات الرافعة، ومسامير الأسطوانات الهيدروليكية. للحصول على مهمة دفع سريعة ومتواصلة، عادةً ما تكون الخلائط الخالية من الرصاص-مع سمات البرونز-الفوسفورية خيارًا أفضل.

الفوسفور: إزالة الأكسدة والتقوية

يضاف الفوسفور إلى برونز القصدير المنصهر، وذلك أساسًا لطرد الأكسجين. يتم إضافته على شكل سبيكة رئيسية من النحاس والفوسفور (عادةً 8-15% P). عندما ينصهر المعدن، يرتبط الفوسفور أولاً بالأكسجين المذاب ليشكل خامس أكسيد ثنائي الفوسفات. يطفو على الخبث ويحمل بعيدا. يؤدي هذا إلى إزالة بتات الأكسيد من الصب. وهذا يجعل المحمل أقوى تحت الضغط المتكرر لأنه يزيل الشقوق المحتملة.

عندما يظل الفوسفور مذابًا بعد إزالة الأكسجين - - عادة عند 0.10 --0.35 نسبة وزن مئوية - فإنه ينثر جزيئات Cu3P الصغيرة حول حافة الحبة. يزيد تأثير التصلب هذا من الصلابة بمقدار 5-15 HB، مما يجعل المعامل المرن أعلى قليلاً من الخليط الخالي من الفوسفور. تسمى السبائك التي تحتوي عمدًا على أكثر من كمية الفوسفور الإضافية المطلوبة لإزالة الأكسجين ببرونزيات الفوسفور (سلسلة C51000–C52400 تحت ASTM B103). لا يطلق عليها برونز القصدير. ولكن في الهندسة العملية، الفرق هو الكمية، وليس النوع. كلاهما يستخدم النحاس. تقبل العديد من مواصفات الحامل كلا الاسمين، اعتمادًا على توازن القصدير والفوسفور (ASTM B103).

الزنك: تقليل المسامية وكفاءة التكلفة

تؤدي إضافة الزنك بنسبة 2 - 4% بالوزن إلى تقليل درجة حرارة انصهار برونز القصدير، مما يسمح للمعدن السائل بالتدفق بشكل أفضل عند صبه. وهذا يقلل من ثقوب الانكماش في مصبوبات الرمل والدوران. هذه هي الوظيفة الرئيسية للزنك في تحمل السبائك. عند هذا المستوى المنخفض، فإنه لا يزيد من قوة المعدن.

عندما تتجاوز مستويات الزنك 4٪ بالوزن، يكون خطر غسله في الماء أو البيئات الحمضية أعلى. ولذلك، فإن أعمال التحمل المعرضة للماء-سوائل القطع أو المياه المعدنية الحمضية تميل إلى اختيار مخاليط خالية من الزنك أو مخاليط منخفضة الزنك. إنهم يقبلون مخاطر حفر أعلى قليلاً، أو يتم تعويضها عن طريق الصب الدوراني بدلاً من صب الرمل الثابت (تايلارد وآخرون، 2007، مستشهد به في جمعية تطوير النحاس، منشور CDA 144).

عملية الصب وتأثيرها على تجانس التركيب

يختلف توزيع القصدير على الصب إلا إذا تمكنت من التحكم في عملية الصب. المشاكل الرئيسية لهيكل القصدير في مصبوبات برونز القصدير هي وجود قصدير أقل في الجزء المركزي والمزيد من القصدير في حافة الحبوب. كلما كانت الأجزاء أكثر سمكًا، كان معدل التبريد أبطأ، وكلما زاد محتوى القصدير، كان تأثير التلوين أسوأ.

إن الصب الدوراني هو الطريقة الرئيسية لتصنيع أغلفة المحامل الدائرية وغسالة الدفع. قوة الدوران أثناء التصلب تدفع الطور الأثقل إلى الخارج. بالنسبة لبرونز القصدير (كثافته حوالي 8.8 جم/سم3)، تتراكم كمية صغيرة من القصدير على الحافة الخارجية. في حشيات الدفع، تكون هذه الحافة الخارجية هي سطح التحميل. توفر المواصفة القياسية ISO 1083 (حديد الجرافيت الكروي) طريقة أساسية لقياس الهياكل المجهرية. بالنسبة لبرونز القصدير على وجه التحديد، تحدد المواصفات القياسية ASTM B505 للمسبوكات المستمرة المصنوعة من السبائك النحاسية- قواعد المزيج والقوة لقضبان وأنابيب الصب. عادة ما يتم قطع غسالات الدفع من هذه المواد.

التسخين عند درجات حرارة 400-450 درجة لمدة 2-4 ساعات يسوي الهيكل ويقلل النوى. وهذا يسمح للقصدير بالانتشار في جميع أنحاء الطور ألفا. وهذا يجعل صلابة الجزء بأكمله أكثر تجانسًا. تعتبر هذه المعالجة الحرارية أمرًا طبيعيًا بالنسبة لشريط البرونز الفوسفوري المشغول (C51000)، ولكنها أقل شيوعًا بالنسبة لسبائك السبائك الحاملة. وما لم تجبرك نتائج اختبار الكثافة على القيام بذلك، فمن الصعب إثبات التكلفة.

الخواص الميكانيكية والترايبولوجية: الأرقام المهمة

الحد الأقصى لضغط التلامس المسموح به (P): بالنسبة لـ C90300 المشحم بزيت غشائي كامل-، يكون حد الضغط الثابت عادةً 48 - 55 ميجا باسكال (7000-8000 رطل لكل بوصة مربعة) وفقًا لبيانات ASTM B505. ينخفض ​​ضغط العمل الفعلي إلى 10 - 20 ميجا باسكال مع التعرض للزيت ذهابًا وإيابًا-و-أو انخفاضًا.

الحد الكهروضوئي: يمثل ناتج ضغط المحمل P (MPa) وسرعة الانزلاق V (m / s) إجمالي الحمل الحراري والميكانيكي على وجه المحمل. بالنسبة لبرونز القصدير الخالي من الرصاص المستخدم في عمليات تزييت الزيت، فإن الحدود الكهروضوئية البالغة 2.0-3.5 ميجاباسكال/ثانية تعتبر طبيعية. الرصاص C93200 ذو قوة إنتاجية منخفضة تبلغ 1.5-2.5 ميجاباسكال/ثانية في نفس الظروف. وهذا صحيح على الرغم من أنه يحتوي على نسبة فرك أقل بالزيت (Khonsari & Booser, 2008).

التضمين: تسمح كائنات الطور ألفا الناعمة لجزيئات الأوساخ الصلبة بالغرق تحت سطح المحمل. وهذا يمنعهم من البقاء على العمود كوكالة تابعة لجهة خارجية-. يتمتع برونز القصدير العادي بصلابة برونز القصدير تبلغ 65-85 HB، مما يجعله أكثر ليونة من أعمدة الفولاذ المتصلبة التي يحتك بها (عادةً 55-65HRC=595–832 HV). هذه النعومة ضرورية لتضمين العمل.

قوة الكلال: يبلغ حد الكلال لـ C90500 لمدة 107 أسابيع حوالي 90-110 ميجاباسكال في ظل الانحناء المتكرر (ASM Specialty Handbook, 1990). وبالمقارنة، فإن درجة حرارة الرصاص C93200 تتراوح بين 70-90 ميجاباسكال. وذلك لأن قطرات الرصاص تركز الضغط في مكان واحد.

مقارنة مع السبائك الحاملة المنافسة

يتميز برونز الألومنيوم (C95400: 85% نحاس، 11% ألومنيوم، 4% حديد) بقوة أعلى-شد 550–620 ميجا باسكال، صلابة 160–180 HB-لكنك تفقد التضمين والمطابقة. بالنسبة لوظيفة الدفع بالزيت المتسخ أو جزيئات الأوساخ العرضية، يمتص الجسم البرونزي المصنوع من القصدير الناعم الجزيئات الصلبة بشكل أكثر أمانًا من برونز الألومنيوم. يكون برونز الألومنيوم عرضة لتآكل الجسم ثلاث مرات عندما تستقر الجزيئات على سطح الاحتكاك (Stachowiak & Batchelor, 2014).

تتمتع المحامل ثنائية المعدن (-المدعمة بالفولاذ والمعدن الأبيض والقصدير أو الطبقة العلوية من القصدير والألومنيوم) بحد كهروضوئي أقل ولكنها تتميز بتوافق أفضل ويتم دمجها عند السرعات المنخفضة جدًا. يتم تصنيع حشوات الدفع الثقيلة من برونز القصدير بالكامل- وتعمل بشكل أفضل عندما يكون الحمل مستقيمًا في الغالب. سرعة التشغيل لا تتوقف- ويتم الحفاظ على طبقة الزيت الكاملة من خلال إمداد الزيت المضغوط.

ملخص

إن الجمع بين محامل الدفع البرونزية-القصدير ليس صيغة ثابتة. إنها عائلة من سبائك Cu-Sn. تحدد كمية القصدير (8-11% بالوزن) التوازن بين القوة والمرونة. تتحكم كمية الرصاص (0-7% بالوزن) في سلوك الاحتكاك بالزيت المنخفض-. تعمل كمية الفوسفور (0–0.35 بالوزن%) على إزالة قطع الأكسيد وتقوية الجزيئات لتكوين صلابة إضافية. تساعد كمية الزنك (0-4٪ بالوزن) على تدفق المعدن السائل بشكل أفضل أثناء الصب. ألفا -يتميز الجسم النحاسي الطور بالتوافق ودفع الأوساخ. تعمل المرحلة δ- وجزيئات حافة الحبوب الأخرى على زيادة الصلابة ومقاومة التآكل. إن اختيار المزيج الصحيح يعني دفع الحد الكهروضوئي والأوساخ للسبائك بما يتماشى مع ظروف الزيت الفعلية ومستوى الأوساخ وضغط التلامس. لا يجب عليك فقط اختيار الخلط مع معظم القصدير.

مراجع

• ايه اس ام انترناشيونال (1990).دليل تخصص ASM: النحاس وسبائك النحاس. ايه اس ام انترناشيونال.
• ماسالسكي، السل (محرر) (1990).مخططات طور السبائك الثنائية(الطبعة الثانية). ايه اس ام انترناشيونال.
• أستم B505/B505M-22.المواصفة القياسية للمسبوكات المستمرة لسبائك النحاس. ASTM الدولية.
• أستم B103/B103M-22.المواصفة القياسية للوحة والصفائح والأشرطة والقضبان المدرفلة من برونز الفوسفور. ASTM الدولية.
• آيزو 1083:2018.حديد صب جرافيت كروي - التصنيف. المنظمة الدولية للتوحيد القياسي. (المشار إليها لمنهجية القياس الكمي المجهرية.)
• خونساري، إم إم وبوسر، إي آر (2008).علم الاحتكاك التطبيقي: تصميم المحامل والتشحيم(الطبعة الثانية). جون وايلي وأولاده.
• ستاتشوياك، جي دبليو وباشيلور، إيه دبليو (2014).علم القبائل الهندسي(الطبعة الرابعة). بتروورث-هاينمان.
• جمعية تنمية النحاس (2011).منشور CDA رقم 144: سبائك النحاس لتطبيقات المحامل. جمعية تنمية النحاس.
• هامروك، بي جيه، شميد، إس آر وجاكوبسون، بو (2004).أساسيات تزييت فيلم السوائل(الطبعة الثانية). مارسيل ديكر.
• سزيري، أريزونا (2011).تشحيم فيلم السوائل(الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج.
• ويلكوك، دي إف وبوزر، إي آر (1957).تحمل التصميم والتطبيق. ماكجرو-هيل.
• براندز، EA وبروك، GB (محررون) (1992).كتاب سميثلز للمعادن المرجعية(الطبعة السابعة). بتروورث-هاينمان.