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            熱噴涂在鐵路行業的應用及前景展望
            作者:管理員    發布于:2019-12-06 11:47:57    文字:【】【】【
            摘要:在鐵路行業,隨著我國鐵路向高速、重載方向的發展,對鐵路機車車輛的安全性和可靠性提出了更高的要求,尤其是對關鍵零部件磨損性能、疲勞性能、腐蝕性能等指標的要求也越來越高。熱噴涂技術的發展,為鐵路工程構件的磨損、疲勞斷裂、腐蝕等問題的解決提供了一條新的途徑,其在鐵路工程構件制造與舊件修復兩個方面均有廣闊的應用前景。

                眾所周知,腐蝕和磨損帶來的危害是巨大的,金屬材料的腐蝕和磨損不僅會消耗大量的材料,造成停機檢修,往往還會帶來環境污染等不良后果。據統計,全球每年腐蝕經濟損失約10 000億美元,占各國國民生產總值(GNP)2%~4%。我國2002年調查結果顯示:每年因腐蝕支付的直接費用已達人民幣2 000億元,如果考慮間接損失,花費在腐蝕方面的費用總和估計可達4 900億元,占國民經濟總值的5%。摩擦、磨損造成的經濟損失也是巨大的,在中國工程院與國家自然科學基金委員會2005年聯合召開的“摩擦學科與工程前沿研討會”上,有專家指出,我國每年由于摩擦、磨損原因損失584.7億元。這些數字說明,傳統的表面保護技術不足以承擔磨損和腐蝕損傷的保護,采用新技術或新材料來提高材料的耐蝕耐磨能力是非常重要的,利用現代熱噴涂技術制備耐磨損、耐腐蝕性能優異的新型涂層對于緩解我國磨損與腐蝕的危害具有重大意義。

             

             

                在鐵路行業,隨著我國鐵路向高速、重載方向的發展,對鐵路機車車輛的安全性和可靠性提出了更高的要求,尤其是對關鍵零部件磨損性能、疲勞性能、腐蝕性能等指標的要求也越來越高。熱噴涂技術的發展,為鐵路工程構件的磨損、疲勞斷裂、腐蝕等問題的解決提供了一條新的途徑,其在鐵路工程構件制造與舊件修復兩個方面均有廣闊的應用前景。

             

                1 機車車輛車軸

             

                車軸是列車運行的關鍵部件,其與車輪、軸承和制動盤等零件均采用過盈配合連接。車軸在列車運行過程中承受著交變載荷和軸頸后部的對稱彎曲應力,因此,在車軸與軸承過盈配合的軸頸表面上,或在與輪轂過盈配合的輪座表面上,或在與機車傳動齒輪過盈配合的齒輪嵌入部均可產生微動。該微動所造成的表面損傷包括:產生氧化磨屑;表面形貌變化;表面、亞表面塑性變形或出現微觀裂紋。微動會降低過盈量和退輪力,還會在循環應力作用下引起裂紋的擴展,導致車軸疲勞強度降低或早期斷裂。由此可見,車軸的微動損傷是危及行車安全的巨大隱患。

             

                從國內外經驗來看,為防止車軸輪座處的微動損傷,在車軸的制造過程中,除采用合理的結構設計措施外,在工藝上還采用了表面強化措施,其中包括在車軸輪座表面噴涂一種能與基體牢固結合的特殊覆蓋層———鉬和氧化鉬。經過噴鉬處理后的車軸,一方面可以防止壓裝車輪時拉傷車軸配合表面;另一方面,可消除配合表面的微動損傷,提高車軸的疲勞強度。德國E120機車及ICE動力車車軸輪座處均采用了噴鉬處理。實踐證明噴鉬層具有良好的抗擦傷性能,能防止輪軸裝拆時拉傷車軸表面。

             

                俄羅斯在噴涂修復車軸軸頸方面進行了大量的研究,并進行了生產性試驗。研究發現電弧噴涂0.15~0.20 mm厚度鉬噴涂層可提高預磨試樣疲勞極限的40%,而經滾壓的試樣提高11.5%。隨著單面涂層厚度增大到1.5 mm,帶涂層試樣的疲勞極限也隨著增加。對于只進行滾壓而不噴涂的車軸而言,疲勞極限隨試驗次數增加而下降的情況非常明顯;而對噴涂試樣而言,在試驗次數增加至1×109次循環時疲勞極限并不降低。此技術已經在烏克蘭斯塔勒斯克車輛修理工廠進行了修復車輛車軸軸頸工藝的生產性試驗。部分貨車經10km運行表明,涂層狀態是令人滿意的。

             

                利用金屬噴涂的方法治理車軸軸頸可以獲得很高的經濟效益,據俄羅斯方面統計,車輛車軸2個軸頸的噴涂修復成本大約是新車軸成本的8%;機車車軸2個軸頸的噴涂修復成本大約是車軸制造成本的5%??{什車輛修理工廠噴涂500根軸頸磨損的車軸,預計每根軸可獲得60萬盧布(1995年價格)的收益。國內方面,北京交通大學、戚墅堰機車車輛研究所在應用熱噴涂修復車軸方面也開展了研究工作。他們將Fe、Ni、CrAl合金粉末噴涂于模擬試驗軸表面,然后進行模擬車軸工況的微動損傷試驗。研究發現,涂層的層狀結構有利于阻止微動作用下表面裂紋向縱深擴展形成疲勞裂紋,提高了車軸的抗微動疲勞能力和使用壽命。對比1.0 mm0.5 mm厚度的涂層,在選定的試驗條件下,0.5 mm厚的修復涂層具有較高的耐微動疲勞和磨損能力,能延長車軸使用壽命。

             

                2 內燃機活塞環

             

                活塞環是內燃機的關鍵零件之一,它直接影響到內燃機的性能。由于活塞環安裝在活塞槽中與氣缸接觸,隨著活塞的往復運動,在高溫、高壓以及化學物質的腐蝕下與缸套相摩擦,因此,活塞環與氣缸這對摩擦副的耐磨性能直接影響到內燃機的使用壽命、可靠性和效率。熱噴涂技術是提高活塞環耐磨性能的有效技術之一。早期噴涂強化活塞環耐磨性能的技術主要是噴涂鉬及鉬合金,但是,隨著鐵路高速、重載的發展,純鉬涂層已經不能滿足機車內燃機發展的需要。因此,國內外都開始進行噴涂復合涂層以及陶瓷涂層的研究。

             

                利用等離子噴涂方法在活塞環表面噴涂Mo2Mo2C復合涂層,其摩擦性能在不同的滑動接觸條件下比純鉬涂層得到了很大改善。利用火焰噴涂MoNiCrBSi的復合材料,研究表明其耐磨性得到很大改善并可以保持低的摩擦因數。大氣等離子噴涂鉬與Cu、Al-Si合金混合的材料,研究發現噴涂鉬與Cu、Al2Si合金混合材料所得到的涂層,其耐磨性好于純鉬涂層。

             

                3 高速列車制動盤

             

                列車制動盤特別是高速列車制動盤處于強摩擦、高熱負荷以及較大制動力和離心力等復雜工況下工作,制動盤工作的可靠性幾乎決定了整個基礎制動裝置的可靠性水平,直接影響列車的行車安全。

             

                在制動盤表面制造一層可提高摩擦磨損性能的強化材料是制造高能量制動盤的一個新途徑,方法之一就是采用等離子熱噴涂技術,通過調整涂層結構和涂層材料,可以實現對制動盤表面的強化。

             

                4 鐵路橋梁

             

                隨著鐵路高速、重載、電氣化的發展,對橋梁的耐蝕性提出了更高的要求。在鐵路橋梁維修時,整體維修大部分采用電弧噴涂AlZn進行防腐處理,但橋梁的上蓋板多采用電弧噴涂Zn+耐磨漆,在提高蓋板耐蝕性基礎上使其具有一定的耐磨性。在鐵路橋梁正交異型板搭接面上采用電弧噴涂Al涂層,提高搭接面之間的摩擦因數,同時又有長效防腐的功能。采用電弧噴涂在橋梁栓接面上噴涂Al涂層,涂層具有較低的孔隙率、良好的耐腐蝕性能,是理想的橋梁栓接面防滑耐腐蝕涂層。

             

                5 其他結構和部件

             

                鐵路鋼軌經受車輪沖擊及壓力作用,產生粘著磨損及磨粒磨損,從而造成鋼軌表面嚴重磨損,甚至表面剝落掉塊,嚴重影響行車安全性及平穩性。采用鐵基粉末噴涂()修復損傷鋼軌,能提高抗磨粒磨損性能,對列車運行的平穩性有重要作用。

             

                日本機車車輛,主電動機所用軸承的典型損傷是電蝕。所謂電蝕,是指在旋轉中的軸承內部通電時,非滾動接觸處通過薄的油膜產生火花,造成局部熔化損傷。其中,在軸承上噴涂陶瓷的技術已被以300系為主的日本新干線列車車軸所采用。

             

                鐵路道岔滑板上的潤滑劑,以往由于老化使減磨作用降低,導致滑板偏磨嚴重,電弧噴涂因其對基體熱輸入小,基體變形不明顯而受到關注。德國、日本用HVOF、APSFS&F方法對滑板進行了噴涂試驗,表明WC-Co、CrC-NiCr的涂層效果較好。

             

                6 熱噴涂新技術在鐵路行業的應用前景

             

                作為國民經濟大動脈,我國鐵路發展處于國家經濟發展的先鋒地位。尤其是“十二五”以來,重載鐵路、提速線路逐漸投入運營,高速鐵路建設也在開展之中。今后幾年,高速鐵路和重載鐵路的建設速度還將大幅度提高。高速、重載和環境劣化等新服役條件對鐵路用關鍵材料的正常服役提出了一系列挑戰性課題。其中,熱噴涂這種高新技術,尤其是納米、納米/非晶復合涂層的出現,為解決鐵路工程構件磨損和腐蝕嚴重的問題提供一條新的可靠的途徑,在鐵路工程構件制造與舊件修復的應用方面均有廣闊的前景,對緩解鐵路及其他部門能源和材料緊缺的情況具有戰略意義。

            標簽:熱噴涂
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