Znaczenie kół dla bezpieczeństwa pojazdów metra
Ze względu na wysoką efektywność i dużą przepustowość transport kolejowy został uznany za jedną z najważniejszych alternatyw zmniejszania zatorów komunikacyjnych, zwłaszcza na obszarach miejskich. Choć nie doszło do żadnych poważnych i poważnych wypadków związanych z bezpieczeństwem, rozwój przemysłu i postęp technologiczny realnie zwiększyły znaczenie bezpiecznej eksploatacji pociągów. Koło jest jedną z najważniejszych części pojazdu metra. Charakterystyka linii metra jest bardziej złożona niż pociągów dużych prędkości, a częste hamowanie i przyspieszanie może łatwo uszkodzić koła. Typowe rodzaje uszkodzeń kół obejmują zużycie obręczy, zadrapania bieżnika, zużycie bieżnika, łuszczenie się bieżnika i odpadanie felg. Ponadto względny ruch koła względem szyny podczas naprawy koła może powodować zużycie bieżnika opony. Bardzo ważne jest zbadanie wydajności tarcia ślizgowego koła, aby zapewnić bezpieczeństwo pociągu.
Technologia napawania laserowego
Technologia napawania laserowego polega na osadzeniu na podłożu warstwy powierzchniowej ze stopów metali, która ma wiele potencjalnych zastosowań w naprawie części o wysokiej wartości dodanej i charakteryzuje się dużą odpornością na zużycie i pęknięcia zmęczeniowe podczas toczenia.
Technologia napawania laserowego wzmacnia materiał i sprawia, że powierzchnia podłoża uzyskuje najwyższą jakość. Większość badaczy uważa, że w technologii napawania laserowego można wykorzystać różne proszki stopowe do wytworzenia powłok stopowych charakteryzujących się odpornością na zużycie, redukcją tarcia, odpornością na korozję, odpornością na zmęczenie i utlenianiem.
Wybór odpowiedniego proszku stopowego jest bardzo ważny w technologii napawania laserowego. W konstrukcjach gąsienic i kół często stosuje się proszki na bazie żelaza i niklu. Jednakże oba proszki różnią się składem, funkcją i właściwościami.
Analiza suchego tarcia ślizgowego i właściwości zużywalnych stopów Ni i Fe w naprawie kół metra
Przyjmuje się, że badacze porównali skuteczność powłok stopowych na bazie Ni i Fe w naprawie kół metra. Materiał kół kolejowych ER9 powlekany jest stopami na bazie Ni i Fe metodą topienia laserowego. Powstała powłoka ma gęstą mikrostrukturę, nie ma wad, pęknięć i porów.
Naukowcy wykorzystali spektroskopię dyspersji energii (EDS), skaningową mikroskopię elektronową (SEM), topografię optyczną 3D i dyfraktometr rentgenowski (XRD) do zbadania morfologii mikrostruktury, elementów interfejsu i typów faz powłoki.
Właściwości mechaniczne powłoki badano za pomocą elektrochemicznego testera zużycia i tarcia tłokowego MFT-EC4000 oraz testera mikrotwardości Vickersa. Wybrano powłoki na bazie Ni z fazami (Ni, Fe), Cr23C6 i Cr7C3 oraz powłoki na bazie Fe z fazami stałego roztworu -Fe, (Fe-Cr-Ni) i (Fe, Ni).
W stopach na bazie niklu osadzanie chromu wzmacnia wiązania międzyatomowe i przyczynia się do wzmocnienia roztworu stałego. Dodatkowo obecność fazy twardego węglika oraz roztworu stałego w strukturze okładziny zwiększa wytrzymałość materiału na ściskanie i rozciąganie.
W stopach na bazie niklu osadzanie chromu wzmacnia wiązania międzyatomowe i przyczynia się do wzmocnienia roztworu stałego. Dodatkowo obecność fazy twardego węglika oraz roztworu stałego w strukturze okładziny zwiększa wytrzymałość materiału na ściskanie i rozciąganie.
Kiedy zużycie adhezyjne było głównym mechanizmem zużycia, powłoka na bazie niklu ulegała silniejszemu utlenianiu pod koniec testów zużycia i tarcia.
Twardość powłoki na bazie Fe wynosi 715 HV0,7, czyli 2,86 razy więcej niż w przypadku materiału podstawowego. Maksymalna twardość powłoki na bazie niklu wynosi 268,4HV0.7. Ponadto współczynnik tarcia powłoki na bazie Ni jest niższy niż w przypadku powłoki na bazie Fe. Pod względem zużycia i tarcia trwałość powłoki na bazie Ni jest około czterokrotnie większa niż w przypadku powłoki na bazie Fe.
Ze względu na obecność fazy stałego roztworu powłoki na bazie Fe wykazują wzmocnienie w roztworze stałym. Lokalne hartowanie następuje w wyniku wstępnego podgrzania stopionej powłoki, co zwiększa twardość i odporność tkanki na zużycie.
Funkcja powłoki na bazie Ni w wysokich temperaturach spełnia oczekiwania, a jej twardość i jakość tarcia są również niskie. Jednakże korzyści ekonomiczne stopów na bazie niklu są niewielkie.
Badanie to pokazuje, że technologia napawania laserowego może poprawić twardość i odporność kół na zużycie. Ponadto badania wykazały, że gdy powłoka stopowa jest taka sama jak materiał bazowy, proszek stopowy może zapewnić bardziej znaczącą poprawę wydajności.
Ze względu na optymalną zależność zużycia między gąsienicą a kołem oraz wysoką odporność na zużycie i twardość powłoki, powłoki na bazie Fe nie nadają się do okładzin kół.
Odniesienie:
Xiao, Q., Zhang, B. i Yang, W. (2022) Poślizgowe właściwości tribologiczne powłok stopowych napawania laserowego na kołach metra. https://www.mdpi.com/2079-6412/12/10/1561/htm