热喷涂在铁路行业的应用现状及前景展望
马光, 王国刚, 孙冬柏, 樊自栓, 孟惠民, 俞宏英
铁道学报
摘 要:热喷涂是提高材料耐磨性和耐蚀性的有效技术,近几年得到快速发展。新的喷涂技术以及新型涂层不断涌现,并在各行业开展了广泛的应用性研究。本文综述了热喷涂技术在铁路工程构件上的一些应用性研究,其中包括车轴、制动盘、活塞环、铁路桥梁等。同时,对近几年热喷涂热点研究方向———热喷涂非晶涂层、纳米涂层以及非晶纳米晶复合涂层的发展进行阐述,并对先进热喷涂技术在铁路行业的进一步应用进行展望。
关键词:热喷涂;铁路;非晶涂层;纳米结构涂层
众所周知,腐蚀和磨损带来的危害是巨大的,金属材料的腐蚀和磨损不仅会消耗大量的材料,造成停机检修,往往还会带来环境污染等不良后果。据统计[1],全球每年腐蚀经济损失约10 000亿美元,占各国国民生产总值(GNP)的2%~4%。我国2002年调查结果显示[2]:每年因腐蚀支付的直接费用已达人民币2 000亿元,如果考虑间接损失,花费在腐蚀方面的费用总和估计可达4 900亿元,占国民经济总值的5%。摩擦、磨损造成的经济损失也是巨大的,在中国工程院与国家自然科学基金委员会2005年联合召开的“摩擦学科与工程前沿研讨会”上,有专家[3]指出,我国每年由于摩擦、磨损原因损失584.7亿元。这些数字说明,传统的表面保护技术不足以承担磨损和腐蚀损伤的保护,采用新技术或新材料来提高材料的耐蚀耐磨能力是非常重要的,利用现代热喷涂技术制备耐磨损、耐腐蚀性能优异的新型涂层对于缓解我国磨损与腐蚀的危害具有重大意义。
在铁路行业,随着我国铁路向高速、重载方向的发展,对铁路机车车辆的安全性和可靠性提出了更高的要求,尤其是对关键零部件磨损性能、疲劳性能、腐蚀性能等指标的要求也越来越高。热喷涂技术的发展,为铁路工程构件的磨损、疲劳断裂、腐蚀等问题的解决提供了一条新的途径,其在铁路工程构件制造与旧件修复两个方面均有广阔的应用前景。
1 热喷涂在铁路行业的应用及应用研究
1.1 机车车辆车轴
车轴是列车运行的关键部件,其与车轮、轴承和制动盘等零件均采用过盈配合连接。车轴在列车运行过程中承受着交变载荷和轴颈后部的对称弯曲应力,因此,在车轴与轴承过盈配合的轴颈表面上,或在与轮毂过盈配合的轮座表面上,或在与机车传动齿轮过盈配合的齿轮嵌入部均可产生微动。该微动所造成的表面损伤包括:产生氧化磨屑;表面形貌变化;表面、亚表面塑性变形或出现微观裂纹(图1为微观裂纹发生的典型位置[4])。微动会降低过盈量和退轮力,还会在循环应力作用下引起裂纹的扩展,导致车轴疲劳强度降低或早期断裂。由此可见,车轴的微动损伤是危及行车安全的巨大隐患。
从国内外经验来看,为防止车轴轮座处的微动损伤,在车轴的制造过程中,除采用合理的结构设计措施外,在工艺上还采用了表面强化措施,其中包括在车轴轮座表面喷涂一种能与基体牢固结合的特殊覆盖层———钼和氧化钼。经过喷钼处理后的车轴,一方面可以防止压装车轮时拉伤车轴配合表面;另一方面,可消除配合表面的微动损伤,提高车轴的疲劳强度。德国E120机车及ICE动力车车轴轮座处均采用了喷钼处理。实践证明喷钼层具有良好的抗擦伤性能,能防止轮轴装拆时拉伤车轴表面[5]。
俄罗斯在喷涂修复车轴轴颈方面进行了大量的研究,并进行了生产性试验。研究发现电弧喷涂0.15~0.20 mm厚度钼喷涂层可提高预磨试样疲劳极限的40%,而经滚压的试样提高11.5%。随着单面涂层厚度增大到1.5 mm,带涂层试样的疲劳极限也随着增加。对于只进行滚压而不喷涂的车轴而言,疲劳极限随试验次数增加而下降的情况非常明显;而对喷涂试样而言,在试验次数增加至1×109次循环时疲劳极限并不降低。此技术已经在乌克兰斯塔勒斯克车辆修理工厂进行了修复车辆车轴轴颈工艺的生产性试验。部分货车经10万km运行表明,涂层状态是令人满意的[6]。
利用金属喷涂的方法治理车轴轴颈可以获得很高的经济效益,据俄罗斯方面统计,车辆车轴2个轴颈的喷涂修复成本大约是新车轴成本的8%;机车车轴2个轴颈的喷涂修复成本大约是车轴制造成本的5%。卡纳什车辆修理工厂喷涂500根轴颈磨损的车轴,预计每根轴可获得60万卢布(1995年价格)的收益[7]。国内方面,北京交通大学、戚墅堰机车车辆研究所在应用热喷涂修复车轴方面也开展了研究工作。他们将Fe、Ni、Cr及Al合金粉末喷涂于模拟试验轴表面,然后进行模拟车轴工况的微动损伤试验。研究发现,涂层的层状结构有利于阻止微动作用下表面裂纹向纵深扩展形成疲劳裂纹,提高了车轴的抗微动疲劳能力和使用寿命。对比1.0 mm和0.5 mm厚度的涂层,在选定的试验条件下,0.5 mm厚的修复涂层具有较高的耐微动疲劳和磨损能力,能延长车轴使用寿命。此外,通过XRD分析磨损后车轴涂层的化学成分,发现10 nm深度的涂层由Fe3+和Cr3+的氧化物组成。Fe2O32C2O3和FeO2C2O3对车轴涂层的耐磨损性能起着非常重要的作用:这些物质避免了车轴和轮毂直接的金属2金属接触,降低了摩擦因数,减少了粘着磨损并防止了车轴的磨蚀疲劳断裂[8~12]。
1.2 高速列车制动盘
列车制动盘特别是高速列车制动盘处于强摩擦、高热负荷以及较大制动力和离心力等复杂工况下工作,制动盘工作的可靠性几乎决定了整个基础制动装置的可靠性水平,直接影响列车的行车安全。图2为法国TGV高速列车的盘式制动装置[13]。
在制动盘表面制造一层可提高摩擦磨损性能的强化材料是制造高能量制动盘的一个新途径,方法之一就是采用等离子热喷涂技术,通过调整涂层结构和涂层材料,可以实现对制动盘表面的强化。图3是文献[14]中提出的多层涂层的结构:第一层为粘着层,目的是提高盘体与涂层的结合性能;第二层为热屏障层,这层材料的主要性能是具有低的导热系数,阻碍热量向轮轴传递;第三层为耐磨层,满足高速列车制动条件下的摩擦磨损性能。
在利用等离子喷涂技术改善制动盘表面性能方面,法国LAMI实验室进行了一系列研究,所试验的涂层材料主要有两类:一类是陶瓷材料,另一类是超合金材料。他们首先在TGV列车所使用的C38制动盘上应用大气等离子喷涂(APS)NiCr2Cr3C2金属陶瓷涂层,涂层硬度达800 HV,涂层厚度为250μm,陶瓷涂层下的衬层材料为Ni2CrAlY,衬层厚度为80μm。考虑到钢盘经陶瓷表面强化后,具有更高的耐温性能和耐磨性能,普通的粉末冶金闸片难于满足这种高温高磨损条件要求,因此,相配的制动闸片选用了Al2TiO5陶瓷闸片, Al2TiO5陶瓷闸片硬度为420 HV。研究发现,涂层在高温下具有很高且稳定的机械性能以及抗摩擦特性,与非喷涂制动盘相比,其摩擦因数很稳定,表面的温度也远低于未喷涂盘体,而且闸片磨损量也大为降低。其后,他们研究了转移弧等离子喷涂(PTA)Ni基和Co基的超耐热合金涂层,制动闸片仍然是Al2TiO5,表1为表面喷涂所用的超合金的成分。
研究发现,除Nirec1试样的摩擦因数波动较大外,其他2种材料的摩擦因数与陶瓷材料相近。在耐磨损性方面,3种超合金涂层均优于陶瓷涂层,当制动功率超过1 500 W以上时,Nirec6材料的耐磨损性明显好于另2种材料[15~18]。
1.3 内燃机活塞环
活塞环是内燃机的关键零件之一,它直接影响到内燃机的性能。由于活塞环安装在活塞槽中与气缸接触,随着活塞的往复运动,在高温、高压以及化学物质的腐蚀下与缸套相摩擦,因此,活塞环与气缸这对摩擦副的耐磨性能直接影响到内燃机的使用寿命、可靠性和效率。热喷涂技术是提高活塞环耐磨性能的有效技术之一。早期喷涂强化活塞环耐磨性能的技术主要是喷涂钼及钼合金,但是,随着铁路高速、重载的发展,纯钼涂层已经不能满足机车内燃机发展的需要。因此,国内外都开始进行喷涂复合涂层以及陶瓷涂层的研究。
Sampath等人利用等离子喷涂方法在活塞环表面喷涂Mo2Mo2C复合涂层,其摩擦性能在不同的滑动接触条件下比纯钼涂层得到了很大改善。利用火焰喷涂Mo和NiCrBSi的复合材料,研究表明其耐磨性得到很大改善并可以保持低的摩擦因数[19,20]。Karamis等人在活塞环表面等离子喷涂Al2Mo2Ni复合涂层,并对涂层在不同温度、不同载荷状态下进行了干、湿2种摩擦试验[21]。Jeehoon等人利用大气等离子喷涂纯钼以及钼与Cu、Al2Si合金混合的材料,研究发现喷涂钼与Cu、Al2Si合金混合材料所得到的涂层,其耐磨性好于纯钼涂层[22]。
Dearnley等人在活塞环材料表面等离子喷涂纳米和非晶相的Al2O32SiC陶瓷涂层,其表面硬度可达900~1 150 HV,喷涂层具有很好的耐磨性[23]。Hide2ki等人利用等离子喷涂CeO22Al2O32ZrO2陶瓷涂层,其摩擦因数远低于活塞环/气缸材料[24]。美国Cum2mins工程公司在活塞环上应用HVOF喷涂Cr3C22NiCr涂层,其涂层在服役过程中具有良好的抗裂纹能力。
1.4 铁路桥梁
随着铁路高速、重载、电气化的发展,对桥梁的耐蚀性提出了更高的要求。在铁路桥梁维修时,整体维修大部分采用电弧喷涂Al或Zn进行防腐处理,但桥梁的上盖板多采用电弧喷涂Zn+耐磨漆,在提高盖板耐蚀性基础上使其具有一定的耐磨性。在铁路桥梁正交异型板搭接面上采用电弧喷涂Al涂层,提高搭接面之间的摩擦因数,同时又有长效防腐的功能。采用电弧喷涂在桥梁栓接面上喷涂Al涂层,涂层具有较低的孔隙率、良好的耐腐蚀性能,是理想的桥梁栓接面防滑耐腐蚀涂层[25,26]。
1.5 其他结构和部件
铁路钢轨经受车轮冲击及压力作用,产生粘着磨损及磨粒磨损,从而造成钢轨表面严重磨损,甚至表面剥落掉块,严重影响行车安全性及平稳性。采用铁基粉末喷涂(焊)修复损伤钢轨,能提高抗磨粒磨损性能,对列车运行的平稳性有重要作用[27]。
日本机车车辆,主电动机所用轴承的典型损伤是电蚀。所谓电蚀,是指在旋转中的轴承内部通电时,非滚动接触处通过薄的油膜产生火花,造成局部熔化损伤。其中,在轴承上喷涂陶瓷的技术已被以300系为主的日本新干线列车车轴所采用[28,29]。
铁路道岔滑板上的润滑剂,以往由于老化使减磨作用降低,导致滑板偏磨严重,电弧喷涂因其对基体热输入小,基体变形不明显而受到关注。德国、日本用HVOF、APS及FS&F方法对滑板进行了喷涂试验,表明WC2Co、Cr3C22NiCr的涂层效果较好[30]。
2 热喷涂的发展及其在铁路行业的应用前景
2.1 热喷涂的发展
自20世纪初提出火焰喷涂以来,先后出现了电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂、超音速火焰喷涂等多种热喷涂技术,尤其是近几年,又出现了微等离子喷涂、活性燃烧高速燃气喷涂(AC2HAVF)等多种新技术,这些新技术的出现完善了热喷涂技术,拓宽了可喷涂材料,因而使涂层的性能更加优良。以最近几年出现的热喷涂技术———活性燃烧高速燃气喷涂(AC2HAVF)工艺为例,这种技术不仅可以制备出高耐磨性及耐蚀性的涂层,而且具有生产效率高的优点,其喷涂速率是传统超音速火焰喷涂的5~10倍,沉积效率也优于传统超音速火焰喷涂,这些优点在很大程度上降低了涂层的加工成本,更有利于热喷涂技术的推广应用[31,32]。
正是热喷涂技术的不断完善以及新技术的不断涌现,热喷涂涂层逐渐出现了非晶涂层、纳米涂层、复合涂层等多种涂层,这些具有耐磨、耐蚀、抗疲劳等多功能的涂层越来越成为材料界研究的热点。
2.1.1 热喷涂非晶涂层
Jin等人研究了爆炸喷涂Fe2Cr2B2Ni2Mn合金涂层的微观组织和耐磨性[33]。研究表明,Fe2Cr2B2Ni2Mn合金涂层在滑动摩擦过程中动态产生非晶态表面膜,导致涂层的耐磨性显著提高,同时摩擦因数显著降低。Wang B[34]等人考察了几种试验性非晶态热喷涂涂层的高温耐蚀性能。结果表明,Duocor涂层具有最好的耐蚀性能,与AISI钢相比,材料的腐蚀减少26倍;XJ216、60和Armacor M涂层具有相同的耐蚀能力,材料腐蚀减少了近7倍。这些涂层的高温耐蚀性是由于高密度和细微的板条组织造成。Kishitake等采用低压等离子喷涂设备(LPPS)制备的Fe210Cr213P27C合金的非晶涂层,其耐蚀性相比SUS316L得到显著提高[35]。Otsubo等人利用HVOF和ASP喷涂技术制备的Fe2Cr2Mo2(C,B,P)等非晶涂层具有很好的耐蚀性,这些涂层在室温5% HCl溶液条件下浸泡一周基本没发现腐蚀点,其腐蚀率比In625合金大为降低[36]。
2.1.2 热喷涂纳米结构涂层
美国纳米材料公司通过喷涂得到纳米结构的Al2O32TiO2涂层,该涂层致密度达98%。结合强度比商用普通粉末涂层提高2倍~3倍,抗磨损能力是商用普通粉末涂层的3倍,抗弯强度比商用普通粉末涂层提高2倍~3倍,这表明纳米结构涂层具有良好的综合性能,此技术已经应用于美国海军的舰艇部件。
Wang Y等人研究了等离子喷涂常规和纳米Al2O32TiO2复合涂层的磨粒磨损特性,摩擦学数据表明,纳米结构Al2O32TiO2涂层的抗磨粒磨损能力是常规Al2O32TiO2涂层的2倍[37]。美国Stevens工艺研究所分别研究了HVOF以及等离子喷涂制得的Al2O32TiO2陶瓷复合涂层的微观结构、机械性能及磨损行为。研究发现涂层由微米级以及纳米级的Al2O3混合组成,其喷枪对涂层耐磨损性能有显著的影响,而粉对涂层影响不大。HVOF制得的涂层很致密,其硬度和断裂韧性高于等离子制得的涂层。HVOF涂层的耐磨性比等离子涂层的耐磨性高2~3倍[38]。
2.1.3 热喷涂非晶纳米晶复合涂层
采用现代热喷涂技术制备非晶纳米晶复合涂层是最近提出的一个新概念,根本目的是利用纳米化技术提高材料耐磨性,非晶化技术提高材料耐蚀性。将纳米化技术与非晶化技术相结合,可制备耐蚀耐磨综合性能优异的非晶纳米晶复合涂层。图4就是Dent等人利用HVOF制备的Ni2Cr2Mo2B非晶纳米晶复合涂层的TEM图,图4(a)为纳米晶区,图4(b)为非晶+纳米晶混合区[39]。通常,热喷涂得到的非晶纳米晶复合涂层具有优异的耐磨性,例如Horlock[40]等人制得的NiCr–TiB2非晶纳米晶复合涂层就具有优异的耐磨性,其耐磨性优于普通HVOF制得的NiCr2Cr3C2涂层;同时,一些研究者还发现非晶纳米晶复合涂层具有优异的耐蚀性,例如Shmyreva[41]等人通过爆炸喷涂制得的Fe2Cr2P2C非晶纳米晶复合涂层,其耐蚀性比不锈钢有了显著的提高,因此可见,利用先进的热喷涂工艺得到既耐磨又耐蚀的高性能非晶纳米晶复合涂层是可能的。北京科技大学孙冬柏等在国家的863项目“高耐蚀耐磨非晶纳米晶复合涂层材料及制备技术”中,利用AC2HAVF制得Ni基、Mo基非晶纳米晶复合涂层。其中,Mo基涂层在非晶基体中均匀分布了纳米晶粒,通过透射电镜可观察到20 nm~70 nm的晶粒,该涂层具有较高的硬度,平均显微硬度为859.0HV[42]。摩擦磨损以及电化学试验表明,此非晶纳米晶复合涂层的综合性能优异[43,44]。应用这些新型的涂层对水轮机叶片进行修复,通过台架试验和真机试验验证了这些新型涂层优异的综合性能。
2.2 热喷涂新技术在铁路行业的应用前景
作为国民经济大动脉,我国铁路发展处于国家经济发展的先锋地位。尤其是“九五”以来,重载铁路、提速线路逐渐投入运营,高速铁路建设也在开展之中。今后几年,高速铁路和重载铁路的建设速度还将大幅度提高。高速、重载和环境劣化等新服役条件对铁路用关键材料的正常服役提出了一系列挑战性课题。其中,热喷涂这种高新技术,尤其是纳米、纳米/非晶复合涂层的出现,为解决铁路工程构件磨损和腐蚀严重的问题提供一条新的可靠的途径,在铁路工程构件制造与旧件修复的应用方面均有广阔的前景,对缓解铁路及其他部门能源和材料紧缺的情况具有战略意义。
图略
参考文献略
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