应用纳米合金提高清筛车磨耗板使用寿命研究

2014-12-25刘学敏

铁道建筑 2014年8期

刘学敏

(中国神华轨道机械化维护分公司，天津 300457)

神华轨道机械化维护分公司现有QS-650道床清筛车13台，承担着神华1 380 km铁路的机械清筛任务。每年道床清筛消耗各型磨耗板700多块，消耗数量较大，主要原因在于当前从市场采购的磨耗板使用寿命较短，增加了作业人员设备维修工作量和劳动强度，而且由于频繁更换此类配件，材料库日常储备量也较大。本文探讨应用新型合金材料，采用独特焊接技术及热处理工艺，对重点部位的磨耗板进行耐磨性改进，以提高磨耗板使用寿命和清筛作业的安全性，降低线路维修成本。

1 磨耗板使用现状分析

以QS-650型清筛车上安装的64.08.1469型磨耗板为例，材质为65Mn的高锰钢铸件，使用中磨损情况最为严重。一般情况下，铁路工务部门为防止在铁路天窗期间更换磨耗板而影响施工进度，通常会提前更换，增加了成本支出。另外，因铸造技术的原因，高锰钢铸件产品收缩量的控制无法得到提升，有的磨耗板在使用过程中易出现崩断剥落的现象，产品实际使用寿命大打折扣。普遍来看，清筛作业磨耗板配件消耗量大，维修更换劳动强度高，虽然有些企业也使用国外进口合金材质的磨耗板，使用寿命有所提高，但由于进口配件价格高、采购时间长，在国内实际使用量很少。为提高磨耗板的使用寿命，达到节能减排、节支降耗的目的，研制新型合金磨耗板替换现有普通材质的磨耗板非常必要。

QS-650清筛车挖掘装置安装在两台转向架间的车体中部，与车体水平面的夹角约为30°。挖掘装置主要功能是将污脏道砟挖掘出来，并提升和输送到振动筛上。从挖掘装置中的挖掘链运动过程可以知道，石砟先从上升导槽进入，然后进行筛分，再从下降导槽输送回道床。下降导槽的主要作用是为挖掘链循环提供通道，由于挖掘链和石砟的共同作用使得上升导槽的磨耗板磨损最为严重，而上升导槽根据磨耗板位置不同，其磨损程度也不同。其中磨损最为严重的是上升导槽靠近收料口的64.08.1469型和64.08.1329型以及转弯处的64.08.1333型磨耗板，为此，对上述3种型号磨耗板进行耐磨性研究，作为提升磨耗板使用寿命的突破点。

2 纳米硬质合金磨耗板的设计研究

2.1母材选择设计与热处理

根据磨耗板的使用要求，结合普遍使用的65Mn材质的磨耗板特点，选取母材时既要考虑其有良好的耐磨性、焊接性，又要有足够的韧性和抗冲击性，从而达到耐疲劳的目的，这样就可以大大提高磨耗板母材的使用寿命，降低磨耗板的使用成本。采用纳米硬质合金制作磨耗板的设计思路就是在工作面(磨损面)上均匀地钎焊一层纳米硬质合金材料，使挖掘链和石砟在合金层上磨损而不伤害下面的基体，使硬质合金和基体形成一个整体，这样既能有合金的耐磨性也具有基体的抗冲击性。

根据使用性能和价值分析，选用35CrMo作为磨耗板的母材材料。其化学成分与力学性能分别见表1和表2。母材组织经“淬火+回火”的热处理工艺后，其基体组织为板条状马氏体，另外还有少量的残余奥氏体。在通过910℃淬火和保温1 h的处理，再230℃回火保温2 h后，试验材料的组织为回火索氏体，最终提高了金属组织和性能。

2.2 纳米硬质合金磨耗板结构设计

64.08.1469，64.08.1329和64.08.1333型磨耗板采用平面开直凹槽，凹槽内镶嵌耐磨的纳米粉末烧结的硬质合金片。板的侧面和左面开设窄凹槽，在凹槽内镶嵌圆弧T型纳米粉末烧结的硬质合金片，再经高频钎焊焊接粘合技术粘接固定，使板面受力更加合理，使耐磨的纳米硬质合金与板面结合得更加紧密牢固，从而使板更具耐磨性、抗冲击性和韧性，提高纳米合金磨耗板的使用寿命。图1分别为3种型号磨耗板母材结构设计主视图。

表1 35CrMo化学成分 %

表2 35CrMo力学性能

2.3 纳米硬质合金片研制分析

2.3.1 原材料选择与工艺特点分析

耐磨合金材料的选用合适与否是关系新产品研制成败的关键之一。纳米硬质合金磨耗板在耐磨材料的选择上是用耐磨性和韧性俱佳的纳米粉末烧结成的硬质合金片材料。它必须具有耐磨、耐冲击和抗腐蚀性等特点，才能符合磨耗板使用的技术要求。研制中的耐磨合金片材料要在炉中烧结48 h以上，然后进行保温处理，在耐磨合金片材料出炉后，还要重新进行淬火处理，之后再进入高压炉中进行24 h加压处理。经过上述工艺最终可使合金材料内部结构得到充分密实，消除材料内部的收缩应力，从而提高材料的硬度和韧性。

2.3.2 添加锆元素增强材质性能

在硬质合金中添加少量锆(Zr)元素可强化材料的硬质相、粘结相和净化晶界，并显著提高材料的抗弯强度和冲击韧性，因此在硬质合金中采用了加锆(Zr)的硬质合金基体材料，使材料的硬度和耐磨度大幅度提高，产生三重效果。第一重效果是在硬质合金基体材质中添加了锆(Zr)元素，提高基体的抗变形能力;第二重效果是用细晶柱状的锆(Zr)提高了合金的抗氧化性和耐腐蚀性;第三重效果是在合金表面渗出一层涂层，以提高表面的润滑性、耐热性和抗剥落性。

经过烧结及热处理后，纳米硬质合金片的显微组织非常细小，具有优良的力学性能，维氏硬度显著提高。随着硬度的提高，其裂纹扩展的阻力也随着提高，相应提高了合金的韧性，具有极强的抗变形能力，使得到的合金材料能够适应清筛中的各种恶劣工况。

2.4 焊接镶嵌技术应用分析

2.4.1 焊接方式选择

一般根据热源性质、形成接头的状态以及是否采用加压来划分焊接种类，可分为熔化焊、压焊和钎焊3种。熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法;压焊是通过对焊件施加压力(加热或不加热)来完成焊接的方法;钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。根据实际条件分析，因高频钎焊加热快，钎剂熔化迅速，焊接强度高，无变形，综合机械性能优于其他焊接方法，因此，采用高频钎焊工艺将纳米硬质合金片与磨耗板母材焊接为一体。

2.4.2 高频钎焊技术要点分析

1)防止钎焊时产生表面裂纹

因为硬质合金含有较高含量的碳化钨和合金元素，虽然可以进行焊接加工，但焊接时容易出现淬硬组织和裂纹，必须采取有效的工艺措施才能获得满意的焊接接头。要注意线膨胀系数与钎焊裂纹的关系，防止产生表面裂纹。硬质合金的尺寸比较小，一般是固定在一个比较厚大的钢支撑材料上使用，而纳米合金磨耗板是需要整个面上都要焊接上纳米硬质合金，所以难度非常大。因硬质合金的线膨胀系数((4.1～7.0)×10－6/℃)与普通钢的线膨胀系数(12 ×10－6/℃)相比差别很大，硬质合金只有钢的1/3～1/2左右，加热时硬质合金和钢都自由膨胀，但冷却时钢的收缩量比硬质合金大得多。此时焊缝处于受压状态，而在硬质合金表面上则承受拉应力，如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度，则硬质合金的表面就可能产生裂纹。这是硬质合金钎焊时产生裂纹的最主要原因之一。解决办法是在合金与合金之间钎焊一小块普通碳素钢，把合金与合金之间隔开，这样既不影响耐磨程度也避免了合金裂纹的产生。

2)减少焊接残余应力的影响

焊接区域的残余应力是一种潜在的危害，尽管焊接后硬质合金工件上不一定能马上发现裂纹，但在随后的加工、保管或使用过程中却容易产生裂纹，造成使用寿命降低。硬质合金的钎焊面积越大，产生的焊接残余应力越大，发生裂纹的可能性也越大，因此，在焊接硬质合金磨耗板时，必须使焊接残余应力尽量减小。实际焊接中，采取严格控制钎焊温度、焊前预热及缓冷、选用塑性好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施，以减少焊接残余应力的影响。

3)减少氧化现象

硬质合金在空气中加热到800℃以上时，硬质合金的表面开始氧化，生成疏松的氧化物层，同时伴随有脱碳现象。当加热至950～1 100℃时，表面层会发生急剧的氧化，形成的氧化薄膜使硬质合金变脆，降低其力学性能。表面氧化层的存在，也降低了焊缝的强度、硬度。在将纳米硬质合金片与磨耗板基体焊接时，需要采用惰性气体——氩气进行保护，尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象。

2.4.3 纳米合金片布局

在平板和曲面上焊接大面积纳米合金在国内是个难题，需要解决板的受热问题、变形问题及合金片之间的均匀排列问题。为此，设计了焊接的专用工装和矫平的专用工装，使耐磨的纳米粉末烧结硬质合金材料与板面粘接成为极为牢固不易脱落的整体，使易受损的板面部分的耐磨性和抗冲击力得到极大的增强。母材板与纳米硬质合金片镶嵌如图2所示。

图2 母材板与纳米硬质合金片镶嵌示意

2.4.4 高频钎焊过程及成品对比

用表面喷砂清理好母材板面和凹槽，用酒精清洗铜钎料，把处理好的纳米合金片与配制的焊剂和钎料整齐摆放在凹槽中，在室温下放置12 h，再进行高频钎焊。当工件与钎料被加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料熔化(工件未熔化)，并借助毛细管作用被吸入和充满于固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷疑后即形成钎焊接头，焊接后再把磨耗板放入校直工装内，并随工装一起保温，让其释放应力，防止变形。图 3分别为研制的 64.08.1469，64.08.1329和64.080.1333型磨耗板成品。对比普通材质的64.08.1469型磨耗板，即可看出表面特征明显不同。

纳米合金磨耗板设计技术指标应达到:合金比重≥14.3 g/cm3，合金硬度≥89.3 HRA，弯曲强度≥60 MPa，抗折力≥380 MPa，冲击强度≥58 MPa，设计使用寿命将是普通材质磨耗板的10倍以上。

图3 磨耗板

3 现场试用情况及分析

采用纳米合金材料研制64.08.1469型和64.08.1329型磨耗板各2块，分别装于2台QS-650清筛机上，经过一段时间的使用后，以64.08.1469型不同材质磨耗板外观状态进行对比分析。图4(a)是道床清筛4.7 km后的表面状态，图4(b)是清筛9.3 km后的表面状态，厚度几乎无变化，表面略有磨损，边角无掉块。图 4(c)是 65Mn材料制作的64.08.1469型磨耗板清筛3.2 km后的表面状态，其磨损厚度仅剩4～5 mm(原形厚度为15 mm)，且端部被磨损成“钩”状，只能拆下报废更换新品。将图4(b)与图4(c)对比，可以看出，采用新型材料和加工工艺研制的磨耗板比原来使用普通材质磨耗板更耐磨、更抗冲击，使用寿命大幅提高。