應(yīng)用納米合金提高清篩車磨耗板使用壽命研究

劉學(xué)敏

(中國神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司，天津 300457)

神華軌道機(jī)械化維護(hù)分公司現(xiàn)有QS-650道床清篩車13臺(tái)，承擔(dān)著神華1 380 km鐵路的機(jī)械清篩任務(wù)。每年道床清篩消耗各型磨耗板700多塊，消耗數(shù)量較大，主要原因在于當(dāng)前從市場采購的磨耗板使用壽命較短，增加了作業(yè)人員設(shè)備維修工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且由于頻繁更換此類配件，材料庫日常儲(chǔ)備量也較大。本文探討應(yīng)用新型合金材料，采用獨(dú)特焊接技術(shù)及熱處理工藝，對(duì)重點(diǎn)部位的磨耗板進(jìn)行耐磨性改進(jìn)，以提高磨耗板使用壽命和清篩作業(yè)的安全性，降低線路維修成本。

1 磨耗板使用現(xiàn)狀分析

以QS-650型清篩車上安裝的64.08.1469型磨耗板為例，材質(zhì)為65Mn的高錳鋼鑄件，使用中磨損情況最為嚴(yán)重。一般情況下，鐵路工務(wù)部門為防止在鐵路天窗期間更換磨耗板而影響施工進(jìn)度，通常會(huì)提前更換，增加了成本支出。另外，因鑄造技術(shù)的原因，高錳鋼鑄件產(chǎn)品收縮量的控制無法得到提升，有的磨耗板在使用過程中易出現(xiàn)崩斷剝落的現(xiàn)象，產(chǎn)品實(shí)際使用壽命大打折扣。普遍來看，清篩作業(yè)磨耗板配件消耗量大，維修更換勞動(dòng)強(qiáng)度高，雖然有些企業(yè)也使用國外進(jìn)口合金材質(zhì)的磨耗板，使用壽命有所提高，但由于進(jìn)口配件價(jià)格高、采購時(shí)間長，在國內(nèi)實(shí)際使用量很少。為提高磨耗板的使用壽命，達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)支降耗的目的，研制新型合金磨耗板替換現(xiàn)有普通材質(zhì)的磨耗板非常必要。

QS-650清篩車挖掘裝置安裝在兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架間的車體中部，與車體水平面的夾角約為30°。挖掘裝置主要功能是將污臟道砟挖掘出來，并提升和輸送到振動(dòng)篩上。從挖掘裝置中的挖掘鏈運(yùn)動(dòng)過程可以知道，石砟先從上升導(dǎo)槽進(jìn)入，然后進(jìn)行篩分，再從下降導(dǎo)槽輸送回道床。下降導(dǎo)槽的主要作用是為挖掘鏈循環(huán)提供通道，由于挖掘鏈和石砟的共同作用使得上升導(dǎo)槽的磨耗板磨損最為嚴(yán)重，而上升導(dǎo)槽根據(jù)磨耗板位置不同，其磨損程度也不同。其中磨損最為嚴(yán)重的是上升導(dǎo)槽靠近收料口的64.08.1469型和64.08.1329型以及轉(zhuǎn)彎處的64.08.1333型磨耗板，為此，對(duì)上述3種型號(hào)磨耗板進(jìn)行耐磨性研究，作為提升磨耗板使用壽命的突破點(diǎn)。

2 納米硬質(zhì)合金磨耗板的設(shè)計(jì)研究

2.1母材選擇設(shè)計(jì)與熱處理

根據(jù)磨耗板的使用要求，結(jié)合普遍使用的65Mn材質(zhì)的磨耗板特點(diǎn)，選取母材時(shí)既要考慮其有良好的耐磨性、焊接性，又要有足夠的韌性和抗沖擊性，從而達(dá)到耐疲勞的目的，這樣就可以大大提高磨耗板母材的使用壽命，降低磨耗板的使用成本。采用納米硬質(zhì)合金制作磨耗板的設(shè)計(jì)思路就是在工作面(磨損面)上均勻地釬焊一層納米硬質(zhì)合金材料，使挖掘鏈和石砟在合金層上磨損而不傷害下面的基體，使硬質(zhì)合金和基體形成一個(gè)整體，這樣既能有合金的耐磨性也具有基體的抗沖擊性。

根據(jù)使用性能和價(jià)值分析，選用35CrMo作為磨耗板的母材材料。其化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見表1和表2。母材組織經(jīng)“淬火+回火”的熱處理工藝后，其基體組織為板條狀馬氏體，另外還有少量的殘余奧氏體。在通過910℃淬火和保溫1 h的處理，再230℃回火保溫2 h后，試驗(yàn)材料的組織為回火索氏體，最終提高了金屬組織和性能。

2.2 納米硬質(zhì)合金磨耗板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

64.08.1469，64.08.1329和64.08.1333型磨耗板采用平面開直凹槽，凹槽內(nèi)鑲嵌耐磨的納米粉末燒結(jié)的硬質(zhì)合金片。板的側(cè)面和左面開設(shè)窄凹槽，在凹槽內(nèi)鑲嵌圓弧T型納米粉末燒結(jié)的硬質(zhì)合金片，再經(jīng)高頻釬焊焊接粘合技術(shù)粘接固定，使板面受力更加合理，使耐磨的納米硬質(zhì)合金與板面結(jié)合得更加緊密牢固，從而使板更具耐磨性、抗沖擊性和韌性，提高納米合金磨耗板的使用壽命。圖1分別為3種型號(hào)磨耗板母材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主視圖。

表1 35CrMo化學(xué)成分 %

表2 35CrMo力學(xué)性能

2.3 納米硬質(zhì)合金片研制分析

2.3.1 原材料選擇與工藝特點(diǎn)分析

耐磨合金材料的選用合適與否是關(guān)系新產(chǎn)品研制成敗的關(guān)鍵之一。納米硬質(zhì)合金磨耗板在耐磨材料的選擇上是用耐磨性和韌性俱佳的納米粉末燒結(jié)成的硬質(zhì)合金片材料。它必須具有耐磨、耐沖擊和抗腐蝕性等特點(diǎn)，才能符合磨耗板使用的技術(shù)要求。研制中的耐磨合金片材料要在爐中燒結(jié)48 h以上，然后進(jìn)行保溫處理，在耐磨合金片材料出爐后，還要重新進(jìn)行淬火處理，之后再進(jìn)入高壓爐中進(jìn)行24 h加壓處理。經(jīng)過上述工藝最終可使合金材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到充分密實(shí)，消除材料內(nèi)部的收縮應(yīng)力，從而提高材料的硬度和韌性。

2.3.2 添加鋯元素增強(qiáng)材質(zhì)性能

在硬質(zhì)合金中添加少量鋯(Zr)元素可強(qiáng)化材料的硬質(zhì)相、粘結(jié)相和凈化晶界，并顯著提高材料的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，因此在硬質(zhì)合金中采用了加鋯(Zr)的硬質(zhì)合金基體材料，使材料的硬度和耐磨度大幅度提高，產(chǎn)生三重效果。第一重效果是在硬質(zhì)合金基體材質(zhì)中添加了鋯(Zr)元素，提高基體的抗變形能力;第二重效果是用細(xì)晶柱狀的鋯(Zr)提高了合金的抗氧化性和耐腐蝕性;第三重效果是在合金表面滲出一層涂層，以提高表面的潤滑性、耐熱性和抗剝落性。

經(jīng)過燒結(jié)及熱處理后，納米硬質(zhì)合金片的顯微組織非常細(xì)小，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，維氏硬度顯著提高。隨著硬度的提高，其裂紋擴(kuò)展的阻力也隨著提高，相應(yīng)提高了合金的韌性，具有極強(qiáng)的抗變形能力，使得到的合金材料能夠適應(yīng)清篩中的各種惡劣工況。

2.4 焊接鑲嵌技術(shù)應(yīng)用分析

2.4.1 焊接方式選擇

一般根據(jù)熱源性質(zhì)、形成接頭的狀態(tài)以及是否采用加壓來劃分焊接種類，可分為熔化焊、壓焊和釬焊3種。熔化焊是將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法;壓焊是通過對(duì)焊件施加壓力(加熱或不加熱)來完成焊接的方法;釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，在加熱溫度高于釬料低于母材熔點(diǎn)的情況下，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。根據(jù)實(shí)際條件分析，因高頻釬焊加熱快，釬劑熔化迅速，焊接強(qiáng)度高，無變形，綜合機(jī)械性能優(yōu)于其他焊接方法，因此，采用高頻釬焊工藝將納米硬質(zhì)合金片與磨耗板母材焊接為一體。

2.4.2 高頻釬焊技術(shù)要點(diǎn)分析

1)防止釬焊時(shí)產(chǎn)生表面裂紋

因?yàn)橛操|(zhì)合金含有較高含量的碳化鎢和合金元素，雖然可以進(jìn)行焊接加工，但焊接時(shí)容易出現(xiàn)淬硬組織和裂紋，必須采取有效的工藝措施才能獲得滿意的焊接接頭。要注意線膨脹系數(shù)與釬焊裂紋的關(guān)系，防止產(chǎn)生表面裂紋。硬質(zhì)合金的尺寸比較小，一般是固定在一個(gè)比較厚大的鋼支撐材料上使用，而納米合金磨耗板是需要整個(gè)面上都要焊接上納米硬質(zhì)合金，所以難度非常大。因硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)((4.1～7.0)×10－6/℃)與普通鋼的線膨脹系數(shù)(12 ×10－6/℃)相比差別很大，硬質(zhì)合金只有鋼的1/3～1/2左右，加熱時(shí)硬質(zhì)合金和鋼都自由膨脹，但冷卻時(shí)鋼的收縮量比硬質(zhì)合金大得多。此時(shí)焊縫處于受壓狀態(tài)，而在硬質(zhì)合金表面上則承受拉應(yīng)力，如果殘余應(yīng)力大于硬質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度，則硬質(zhì)合金的表面就可能產(chǎn)生裂紋。這是硬質(zhì)合金釬焊時(shí)產(chǎn)生裂紋的最主要原因之一。解決辦法是在合金與合金之間釬焊一小塊普通碳素鋼，把合金與合金之間隔開，這樣既不影響耐磨程度也避免了合金裂紋的產(chǎn)生。

2)減少焊接殘余應(yīng)力的影響

焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力是一種潛在的危害，盡管焊接后硬質(zhì)合金工件上不一定能馬上發(fā)現(xiàn)裂紋，但在隨后的加工、保管或使用過程中卻容易產(chǎn)生裂紋，造成使用壽命降低。硬質(zhì)合金的釬焊面積越大，產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力越大，發(fā)生裂紋的可能性也越大，因此，在焊接硬質(zhì)合金磨耗板時(shí)，必須使焊接殘余應(yīng)力盡量減小。實(shí)際焊接中，采取嚴(yán)格控制釬焊溫度、焊前預(yù)熱及緩冷、選用塑性好的釬料、加補(bǔ)償墊片、改進(jìn)接頭結(jié)構(gòu)等措施，以減少焊接殘余應(yīng)力的影響。

3)減少氧化現(xiàn)象

硬質(zhì)合金在空氣中加熱到800℃以上時(shí)，硬質(zhì)合金的表面開始氧化，生成疏松的氧化物層，同時(shí)伴隨有脫碳現(xiàn)象。當(dāng)加熱至950～1 100℃時(shí)，表面層會(huì)發(fā)生急劇的氧化，形成的氧化薄膜使硬質(zhì)合金變脆，降低其力學(xué)性能。表面氧化層的存在，也降低了焊縫的強(qiáng)度、硬度。在將納米硬質(zhì)合金片與磨耗板基體焊接時(shí)，需要采用惰性氣體——?dú)鍤膺M(jìn)行保護(hù)，盡量減少硬質(zhì)合金焊接部位的氧化現(xiàn)象。

2.4.3 納米合金片布局

在平板和曲面上焊接大面積納米合金在國內(nèi)是個(gè)難題，需要解決板的受熱問題、變形問題及合金片之間的均勻排列問題。為此，設(shè)計(jì)了焊接的專用工裝和矯平的專用工裝，使耐磨的納米粉末燒結(jié)硬質(zhì)合金材料與板面粘接成為極為牢固不易脫落的整體，使易受損的板面部分的耐磨性和抗沖擊力得到極大的增強(qiáng)。母材板與納米硬質(zhì)合金片鑲嵌如圖2所示。

圖2 母材板與納米硬質(zhì)合金片鑲嵌示意

2.4.4 高頻釬焊過程及成品對(duì)比

用表面噴砂清理好母材板面和凹槽，用酒精清洗銅釬料，把處理好的納米合金片與配制的焊劑和釬料整齊擺放在凹槽中，在室溫下放置12 h，再進(jìn)行高頻釬焊。當(dāng)工件與釬料被加熱到稍高于釬料熔點(diǎn)溫度后，釬料熔化(工件未熔化)，并借助毛細(xì)管作用被吸入和充滿于固態(tài)工件間隙之間，液態(tài)釬料與工件金屬相互擴(kuò)散溶解，冷疑后即形成釬焊接頭，焊接后再把磨耗板放入校直工裝內(nèi)，并隨工裝一起保溫，讓其釋放應(yīng)力，防止變形。圖 3分別為研制的 64.08.1469，64.08.1329和64.080.1333型磨耗板成品。對(duì)比普通材質(zhì)的64.08.1469型磨耗板，即可看出表面特征明顯不同。

納米合金磨耗板設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到:合金比重≥14.3 g/cm3，合金硬度≥89.3 HRA，彎曲強(qiáng)度≥60 MPa，抗折力≥380 MPa，沖擊強(qiáng)度≥58 MPa，設(shè)計(jì)使用壽命將是普通材質(zhì)磨耗板的10倍以上。

圖3 磨耗板

3 現(xiàn)場試用情況及分析

采用納米合金材料研制64.08.1469型和64.08.1329型磨耗板各2塊，分別裝于2臺(tái)QS-650清篩機(jī)上，經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，以64.08.1469型不同材質(zhì)磨耗板外觀狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。圖4(a)是道床清篩4.7 km后的表面狀態(tài)，圖4(b)是清篩9.3 km后的表面狀態(tài)，厚度幾乎無變化，表面略有磨損，邊角無掉塊。圖 4(c)是 65Mn材料制作的64.08.1469型磨耗板清篩3.2 km后的表面狀態(tài)，其磨損厚度僅剩4～5 mm(原形厚度為15 mm)，且端部被磨損成“鉤”狀，只能拆下報(bào)廢更換新品。將圖4(b)與圖4(c)對(duì)比，可以看出，采用新型材料和加工工藝研制的磨耗板比原來使用普通材質(zhì)磨耗板更耐磨、更抗沖擊，使用壽命大幅提高。

圖4 不同材質(zhì)磨耗板效果對(duì)比

4 結(jié)論

采用35CrMo作為磨耗板的母材材料，在其表面釬焊一層由納米粉末燒結(jié)而成的硬質(zhì)合金片，研制成的新型納米合金磨合板實(shí)際試用效果相比普通材質(zhì)的磨耗板使用壽命已有很大提高。經(jīng)過后期持續(xù)使用跟蹤，預(yù)計(jì)使用壽命能達(dá)到25 km以上，性價(jià)比將更高。

應(yīng)用新材料與新工藝研制的QS-650型清篩車磨耗板配件，不僅使磨耗板綜合性能大幅提高，具有高耐磨、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而且抗震減噪、安裝方便，減輕員工維修更換的強(qiáng)度，從而進(jìn)一步降低企業(yè)線路清篩維護(hù)材料成本。

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