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,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: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 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。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。

    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。

    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。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。

    2 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。

    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。大气等离子喷涂钼与Cu、Al-Si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。

    3 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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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WC-Co、CrC-NiCr的涂层效果较好。

    6 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“十二五”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。