高速列車關鍵耐磨零部件中的先進表面工程技術

蔣紅暉，王麗君，茍國慶，陳 輝

(1.南寧鐵路局工務處，廣西 南寧 530029；2.西南交通大學 材料學院，四川 成都610031)

高速列車關鍵耐磨零部件中的先進表面工程技術

蔣紅暉1，王麗君2，茍國慶2，陳 輝2

(1.南寧鐵路局工務處，廣西 南寧 530029；2.西南交通大學 材料學院，四川 成都610031)

鐵道車輛進一步高速化、重載化，為提高高速列車關鍵耐磨耐蝕零部件的使用性能和降低列車維護成本，迫切要求研究具有良好的高溫力學性能、摩擦性能和更長使用壽命的耐磨損材料，研究能夠滿足使用性能要求的表面涂層技術。發展表面工程對于提高零件的使用壽命和可靠性，改善機械設備的性能質量，增強產品的競爭能力，解決引進設備零備件的修復和國產化問題，支持新技術與高技術的發展，以及節約材料、能源等各方面都具有重要意義。

高速列車；表面工程；耐磨損材料

0 前言

目前國內鐵路正處于跨越式發展的關鍵時期，按照《中長期鐵路網規劃》，中國鐵路將在2020年完成16 000 km客運專線建設。屆時，中國將成為全球最大的高速鐵路運輸國家。2008年2月26日，國務委員陳至立同科技部、鐵道部領導等共同簽署了《中國高速列車自主創新聯合行動計劃》。國家已經啟動研制符合京滬高速鐵路運營需求的時速350 km及以上等級的高速列車，確保擁有中國完全自主知識產權的高速列車與京滬高速鐵路開通同步投入運營。該項聯合行動計劃一方面要為京滬高速鐵路提供強有力的裝備保障，另一方面要建立并完善具有自主知識產權、國際競爭力強的時速350 km及以上中國高速鐵路技術體系，加快實現引領世界高速鐵路技術發展。

表面工程概括了所有“表面處理”“表面加工”“表面涂層”和“表面改性”的內容，即利用各種物理的、化學的或機械的工藝過程，使零件表面獲得特殊的材料成分、組織結構和性能，以提高產品質量的工程[1]。它廣泛適用于零件的耐磨、抗蝕、裝飾及制造各種功能器件。發展表面工程對于提高零件的使用壽命和可靠性，改善機械設備的性能質量，增強產品的競爭能力，解決引進設備零備件的修復及國產化問題，支持新技術與高技術的發展，以及節約材料、能源等各方面都具有重要意義。因此，近年來各種各樣表面技術的研究與開發異常活躍，特別是在高速列車速度大幅提升的背景下，表面技術已經廣泛應用于高速鐵路事業。

1 高速列車軸承中的表面工程技術

隨著工業現代化的飛速發展，對軸承等零件表面性能要求越來越高，尤其是要適應高速、高溫、高壓、重載以及腐蝕介質等惡劣工況條件。往往軸承零件由于局部表面損壞而導致其報廢，所以改善軸承表面性能，提高軸承的疲勞壽命和可靠性，已引起相關人員廣泛關注。軸承零件的熱處理質量控制在整個機械行業最為嚴格。軸承熱處理已經取得了很大的進步，但熱處理仍以整體淬火為主。近年來表面技術逐漸應用于軸承熱處理領域。

1.1 高速列車軸承失效特點

西南交通大學曾對軸承套圈進行外觀檢查，發現套圈存在兩種不同類型的失效形式(見圖1)，其中A處為光亮的擦傷痕跡和麻點，B處為破裂、剝落形貌。

圖1 軸承套外觀形貌

由圖1可以看出，在A、B處可能由于進入污染物或潤滑不良，同時在該部位受力較大，產生較多的擦傷和麻點，在局部發生破裂和剝落現象。

1.2 高速列車軸承材料的進展

國內外的研究表明，采用離子注入與沉積的方法來強化軸承材料，能夠在材料表面合成新的強化相，從而大大提高抗磨損能力，延長使用壽命。但是，常規束線離子注入的直射性限制使其無法處理復雜形狀的軸承滾道和滾珠。哈爾濱工業大學[2]研究了全方位離子注入與沉積方法采用離子鞘層來實現離子的注入與沉積，能夠實現復雜形狀零件表面的均勻處理，可以在軸承滾道和滾珠表面獲得一層均勻的改性層，從而提高軸承在高速狀態下的使用性能和壽命。目前采用保形離子注入技術和高壓旋轉技術已經實現軸承內外滾道和滾珠的全方位氣體離子注入處理，其均勻性也非常高，完全有可能實現高速列車軸承的全方位離子注入與沉積處理。

激光等高能束表面熱處理[3]是運用于軸承熱處理領域的新方法，目前使用較多的是CO2激光束。通過激光加熱可獲得0.25～2.0 mm的硬化層，與其他表面硬化方法相比，具有硬化層深度和位置控制精確、無變形等優點。這一技術由于成本較高，主要用于精密軸承零件的表面處理。

2 高速列車輪對中的表面工程技術

2.1 噴丸工藝對輪對性能的影響

火車車輪是鐵道車輛的關鍵部件之一，為保障車輪使用安全性能，防止車輪裂損，對車輪的輻板疲勞性能有較嚴格的要求。研究結果表明[4]，表面殘余應力狀態是影響疲勞性能的關鍵因素之一。

從火車車輪的制造過程看，車輪在經過軋制、等溫和輪輞淬回火調質處理后，沿車輪周向進行了全尺寸精加工和輻板噴丸處理，噴丸處理后的車輪輻板內側表面周向殘余應力呈明顯的壓應力狀態，殘余壓應力的存在可阻止疲勞裂紋的擴展，這是因為如果車輪輻板表層存在壓應力，當車輪承受外加載荷時，表層的合成應力水平下降，即平均應力降低，必然會提高車輪輻板的疲勞強度[5-6]。該結果表明，噴丸處理有效改善了精加工過程對輻板表面殘余應力狀態產生的不利影響，實現提高車輪安全作用性能的目的。

2.2 輪對踏面材料的探索

基于高鐵運輸的安全性、可靠性和經濟性需求，根據國家重大科學研究計劃“納米研究領域科技計劃”2011年度重要支持方向“11.納米材料工業化制造技術及檢測裝備”，西南交通大學牽頭提出開展高鐵輪對納米科技前瞻性研究，應用激光表面重熔納米化和微納晶化噴丸技術，解決長期困擾世界鐵路高成本車輪踏面磨耗運營、車輪多部位疲勞斷裂重大安全隱患和車軸多部位、多裂紋疲勞損傷重大安全隱患三個關鍵科技問題，引領世界軌道車輛輪對技術新工藝，研究開發形成高性能軌道車輛輪對設計、制造與工藝、分析與安全評價的集成科學技術，并形成產業化基礎。

3 高速列車制動盤中的表面工程技術

高速列車普遍采用盤形制動裝置。隨著列車運行速度的提高，動能急劇增加，制動時產生的熱能也大大增加，巨大的制動熱負荷使制動盤產生很大熱應力并導致熱裂紋。因此制動盤體必須具有好的抗熱裂性、耐磨性、導熱性和摩擦制動性能。

3.1 制動盤失效特點

高速列車的制動過程是通過制動盤和制動閘的摩擦將動能轉化為熱能，并通過制動盤的通風設備將熱能傳遞到空氣中。該過程中，劇烈的高溫摩擦和大量熱傳遞是導致制動盤磨損的直接原因。通過對列車失效制動盤的研究發現，制動盤的磨損機理主要包括以下三方面[7]：

(1)制動盤受摩擦發熱后，溫度升高造成摩擦表面聯合燒損。

(2)路面灰塵、磨損表面脫落的硬質點造成的磨粒磨損。

(3)制動過程中制動盤與摩擦副相互作用產生的熱應力造成的蠕變和熱疲勞損壞。

研究表明，制動過程中產生的熱應力造成的蠕變和熱疲勞損壞是導致制動盤破壞的主要原因。因而研究列車制動盤失效機制，尤其是制動盤的熱疲勞失效機理是列車制動盤材料設計的先決條件，它為制動盤材料的選擇提供了理論依據。為此國內外許多專家和科研人員采用各種手段對制動盤熱疲勞失效進行了分析。

3.2 新型高速列車制動盤研發

南京理工大學江劍等人發明專利公開了一種制動面為微弧氧化陶瓷層的機動車鋁合金制動盤，該制動盤的基體材料為鋁合金，制動盤的內外制動表面覆蓋有氧化鋁陶瓷膜層，此鋁合金制動盤質量輕、散熱好、耐磨性高，制動工作表面生成的Al2O3陶瓷膜層解決了現有鑄鐵制動盤耐磨性差、散熱效果不好、質量大等問題。

北京理工大學發明了一種新型梯度材料車輛制動盤。制動盤在制動過程中會產生大量的熱及較大的熱應力從而導致熱應力裂紋的產生，減少了制動盤的使用壽命，梯度材料制動盤能夠有效地較低汽車制動時制動盤的熱應力及表面溫度。該制動盤利用Al和SiC組成的梯度材料，SiC的體積分數由內至外從5%到35%遞增。與常規制動盤相比，梯度材料的制動盤可以降低制動時產生的熱應力約20%～30%，且溫度降低了近50%，從而減小了制動時制動盤的損耗，延長了制動盤的壽命。

陶瓷涂層能承受很高的表面溫度。其低熱導率產生的熱障效應，減少了傳遞給基體的熱量，從而降低了溫度。這也同樣降低了在高能制動過程中因局部瞬時高溫而導致的塑性變形和金屬咬合。其結果是，陶瓷涂層制動盤具有更為穩定的摩擦性能并且在使用中磨損更小。

LAMIH實驗室[8]在鋼制動盤上噴涂具有耐磨損和耐高溫、高強度、低熱擴散率的摩擦涂層，并對噴涂層進行了熱處理。實驗表明熱處理提高了涂層結合力、減少了孔隙率，提高了模擬保壓制動的制動盤的性能，提高了摩擦系數，改善了摩擦系數的穩定性，進而提高了制動功率。在縮小比例的摩擦阻力系數測量裝置上進行了保壓制動試驗(在干燥條件下)，試驗表明這種復合材料符合鐵路運輸設備高速制動要求的優良性能。但在潮濕條件下的保壓制動試驗和耐久性制動試驗還將繼續。

Bu-byoung KANG等人[9]研究了陶瓷涂層、金屬陶瓷涂層制動盤。研究表明，陶瓷涂層制動盤在高速制動條件下顯示出穩定的摩擦系數，這與鋼制動盤波動的摩擦系數形成對比。這也證實陶瓷涂層制動盤在使用中的確具有更穩定的摩擦性能且磨損較小，熱障效果好。但是，由于有大量熱量轉移到制動閘片上，并且制動盤表面硬度高，使得制動閘片的磨損要比鋼制動盤嚴重。對于金屬陶瓷涂層制動盤，在幾乎所有條件下都顯示出穩定的摩擦系數，但它對制動閘片所造成的磨損也比氧化鋯陶瓷涂層制動盤要大。試驗同樣表明，還需要針對陶瓷涂層制動盤開發新的制動閘片材料，以保持制動閘片在現有使用條件下的使用壽命。還需要對不同類型的陶瓷涂層的耐久性作深入的研究，以保證其壽命周期和安全可靠性。M.Watremez等人最近研究了不同等離子噴涂涂層結合強與內聚強度對制動盤性能的影響，探討了等離子噴涂涂層用于高速制動盤的可行性[10]。

綜上所述，隨著國內高速鐵路運輸的飛速發展，在制動盤表面復合涂層材料的設計、涂層的強／韌化研究、提高涂層的結合力以及表面復合涂層在各種制動環境的制動性能、涂層的耐久性、可靠性研究等方面還有許多工作有待進一步深入研究。

4 受電弓中的表面工程技術

4.1 受電弓的失效特點

受電弓滑板是電力機車從接觸導線獲取電能的關鍵環節。一般工況下，它同時承受與接觸導線的滑動摩擦、電接觸熱應力和機械接觸應力；特別是受電弓瞬時離線引起的25 kV超高壓電弧灼蝕及霜露等水分環境的腐蝕。隨著列車速度的提高，滑板與接觸導線的滑動磨損進一步加劇，由于瞬時離線次數顯著增加，電弧灼蝕和接觸熱應力造成的損傷也變得更加嚴重。如此嚴酷的電、力、磨、蝕共同作用，對滑板材料的要求變得極其苛刻[11]。

由于在受電弓磨耗的同時，電力接觸網也受到不同程度的損耗，在優先保護接觸網不受損耗的前提下[12]，受電弓滑板材料的研制一直是國內外關注的問題。國內受電弓滑板從最初的鋼質滑板，經歷了粉末冶金滑板、碳滑板、鋁包碳滑板和浸金屬碳滑板的探索階段[13]，目前使用銅導線和混架導線區間以鋁包碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板居多。

從使用要求來看[14-15]，滑板材料需要滿足七個基本條件：強度高、電阻率小、耐熱性好、對接觸導線磨損小、自身磨耗小、易加工、低成本。用傳統的材料來滿足這些要求相當困難。從20世紀60年代日本的新干線高速鐵路開通起，隨著列車速度的提高，滑板材料大體上經歷了三代：第一代所使用的合金材料對接觸導線的損傷太大，基本已被淘汰；第二代是添加自潤滑顆粒的鐵基或銅基粉末燒結材料，但自身磨耗太快，也沒有解決對接觸導線的磨損問題，總體上面臨淘汰的趨勢；第三代是近年來開發和試用的碳基材料，主要是解決自潤滑問題。

4.2 受電弓材料的研究進展

目前采取浸銅或銅包覆以及碳纖維增強等技術來減小電阻，提高強度，但材料制備工藝越來越復雜，成本大幅度提高。激光表面合金化或熔覆技術是近年來發展起來的材料表面強化技術，它利用激光將高性能的強化材料(如合金粉末、陶瓷材料)和基體表面材料共熔形成高強度結合的合金化層或熔覆層，達到提高基體材料表面特殊性能要求的目的，如提高基體材料表面耐磨、耐腐蝕等性能，通過調整強化材料的不同配方成分和激光處理工藝，可以獲得不同理想性能的材料[16-18]。

余先濤、莫易敏[19]研究了鋁合金表面通過激光熔覆不同配方的功能材料后，獲得不同表面性能的功能層，這種功能層與其他化學方法和熱噴涂方法獲得的功能層在厚度、結合的強度上有更大的優越性，為鋁合金材料應用于機車受電弓奠定了理論基礎；鋁合金激光表面技術用作受電弓的關鍵點在于熔覆功能層的合金配方和其激光熔覆工藝，功能層必須滿足受電弓材料的全部要求，即耐磨、導電和對接觸網磨損小。

哈爾濱工業大學發明了一種受電弓滑板復合材料及其制備方法，涉及銅基受電弓滑板復合材料及其制備方法。解決現有銅基受電弓滑板復合材料中陶瓷增強相與銅之間的界面潤濕性差，界面結合強度低的問題。本發明的復合材料是由銅粉和陶瓷顆粒制得，其中陶瓷顆粒表面具有化學鍍銅層。將表面具有化學鍍銅層的陶瓷顆粒和銅粉混合得到混合物料，然后將混合物料經熱壓燒結工藝或者熱壓燒結和熱擠壓結合工藝處理后即可。復合材料內部的Ti3AlC2陶瓷顆粒分布均勻、組織致密度高、界面結合性能好和力學性能好，致密度99.86%～100.79%，硬度92.3～93.3 HB，抗拉強度230～300MPa，摩擦系數0.15～0.4。

5 高速列車轉向架構架焊接件中的表面工程技術

目前國內工廠焊接結構消除殘余應力大多是采用熱時效即退火處理，雖然基本上能達到生產要求，但該工藝也存在以下缺點[20]：

(1)退火使構件發生新的變形，而校正變形又會引起新的內應力。

(2)由于退火爐結構和工藝上的某些問題，在冷卻過程中會產生新的殘余應力。

(3)退火使構件表面出現氧化皮和脫碳，并使構件軟化，不同程度地降低構件的機械強度。

(4)大型構件退火需要大型退火爐，設備費用多、耗能大，且退火爐的溫度很難控制均勻，造成退火效果不佳，有時需幾次退火才能達到要求。

(5)退火消耗能量大，生產周期長，生產效率低，成本高。

幾十年來，國內外一直在探求新的工藝代替退火工藝，其中卓有成效的是噴丸強化和振動時效。噴丸強化是20世紀40年代發展起來的一種比較成熟的表面處理技術，具有下列特點：

(1)噴丸可提高材料疲勞強度約80%，可提高材料的抗腐蝕應力約一倍，且材料表面硬度亦有不同程度的提高，從而提高了零部件的安全系數。

(2)噴丸工藝能夠彌補和消除零件表面因脫碳或合金元素貧化帶來的不良影響。對經過滲碳、氰化或氮化的零件再進行噴丸時，可進一步改善其疲勞強度。電鍍零件如在鍍前噴丸處理，能克服電鍍后疲勞強度降低的缺陷和有效降低電鍍過程中氫脆破壞的傾向。

(3)噴丸強化工藝操作簡便，耗能小，質量可靠，生產周期短，生產效率高。

為了提高轉向架構架的疲勞強度，可以選用噴丸工藝強化焊縫和金屬表面，以達到改變焊縫殘余應力分布狀態的目的。

國內已大規模研究了構架側梁模擬件噴丸試驗，研究結果有：

(1)焊結構采用退火工藝時，在較為理想的條件下可消除焊接應力約70%，盡管如此，還是殘存有很小部分焊接應力，因此退火工藝對提高結構的承載能力有一定的作用，但是不能顯著提高結構的疲勞壽命。

(2)側梁經噴丸處理后，其殘余應力均為壓應力，這種應力場與工作載荷方向相反，殘余壓應力的數值較大，與工作應力疊加后，其合成應力值均較小，在彈性應力數值范圍內，這對提高結構的疲勞壽命是非常有利的。

(3)由模擬試驗可知，在結構承受拉應力區必須進行噴丸強化處理，改變其應力場分布情況，而對于承受壓應力區則不必進行噴丸處理，只有這樣才能達到提高疲勞壽命的目的。

(4)噴丸處理時要注意使噴丸后的應力場形成一個平緩的過渡區，不能存在一個應力突變的截面，以免造成新的應力集中，影響結構的疲勞壽命，這可以通過噴丸操作工藝來保證。

模擬試驗結果表明，焊接結構經噴丸處理后，對除銹質量和消除焊接殘余拉應力均有良好改善，并且使焊縫和焊件表面獲得退火工藝所無法得到的殘余壓應力，這就進一步提高了焊結構的疲勞壽命，噴丸處理是從工藝入手克服側梁慣性裂紋的一種較好的工藝。

6 結論

鐵道車輛進一步高速化、重載化，為提高高速列車關鍵耐磨耐蝕零部件的使用性能和降低列車維護成本，迫切需要研究具有良好高溫力學性能、更好摩擦性能和更長使用壽命的耐磨損材料，研究能夠滿足使用性能要求的表面涂層技術。只有逐步解決高速車輛上關鍵部件先進制造涉及的基礎理論、技術問題，才能提高高速列車關鍵耐磨耐蝕零部件的使用性能、降低高速列車的運行維護成本，為逐步實現高速列車國產化建立扎實的技術基礎。

目前國外已開始探索研究采用等離子噴熔等表面復合方法制備具有優良高溫性能的表面摩擦涂層。但在制動盤、軸承、受電弓、車輪表面復合涂層材料的設計、涂層的強／韌化研究、提高涂層的結合力以及表面復合涂層在各種制動環境的制動性能、涂層的耐久性、可靠性研究等方面尚有許多工作有待深入研究，國內外的相關研究很少。由于國內高速鐵路運輸飛速發展，為打破國外壟斷，提高中國鐵路機車車輛制造水平，尤其是機車車輛關鍵零部件的制造水平，將表面工程技術用于高速列車車輛關鍵耐磨耐腐蝕零部件具有重大的經濟價值和深遠的社會意義。

[1]徐濱士.表面工程在促進新技術及高技術發展中的作用[J].表面工程，1989(1)：4-9.

[2]王浪平，湯寶寅，王小峰，等.用于高速列車軸承強化處理的全方位離子注入與沉積技術研究[J].哈爾濱軸承，2003，24(2)：3-12.

[3]劉耀中.表面工程技術在軸承上的應用[J].金屬熱處理，2005，30(增刊)：45-48.

[4]米谷茂.殘余應力的產生和對策[M].朱荊璞，邵會孟，譯.北京：機械工業出版社，1983：185-187.

[5]王 珉.抗疲勞制造原理[M].南京：江蘇科學技術出版社，1999：95-96.

[6]王守加，呂士勇，封金保.SS3n電力機車車軸輪顯微裂紋分析及對策[J].鐵道機車車輛，2004，24(6)：27-29.

[7]湯偉杰，陳 輝.高速列車制動盤失效分析及材料研究的進展[J].焊接，2007(3)：14-17.

[8]閻 鋒.陶瓷制動盤[J].國外鐵道車輛，2000，37(1)：40-41.

[9]Bu-byoung KANG.陶瓷涂層制動盤的潛力[J].國外機車車輛工藝，2003(1)：36-37.

[10]Watremez M，Guerin J D，Bricout J P.Coating cohesion and adhesion-Assessment of stresses in plasma sprayed coatings applied to railway disc brakes[D].Proceedings of the 18th International Conference on Surface Modification Technologies，2006：127-132.

[11]劉建軍.電力機車受電弓滑板的技術現狀[J].機械工程師，2003(10)：23-24.

[12]潘連明.電力機車受電弓滑板[J].機車車輛工藝，2001(3)：1-4.

[13]楊 崗.高速動車受電弓滾動弓頭特征研究[J].機車電傳動，2010(10)：20-23.

[14]王紹復.電力機車鋁包碳滑板運用試驗[J].機車電傳動，1995(3)：50-52.

[15]陳廣志.電力機車受電弓滑板的研制[J].材料與表面處理，2003(4)：39-41.

[16]趙戈紅.淺談鋁合金在接觸網零件中的應用[J].鐵道技術監督，2001(4)：28-29.

[17]蔡 峋.鑄造鋁合金激光表面改性金屬-陶瓷梯度層[J].機械工程材料，2002(1)：25-28.

[18]紀 紅.鋁合金激光表面強化的研究進展[J].材料科學與工藝，2003(2)：220-224.

[19]余先濤，莫易敏.激光表面熔覆在機車受電弓滑板材料中的應用[J].武漢理工大學學報，2005(8)：23-25.

[20]程恩清，張士合，徐衛兵.噴丸強化在電力機車轉向架焊接件上的試驗與應用[J].電力機車與城軌車輛，1982(4)：19-35.

Advanced surface engineering technologies in key wear parts of the high-speed train

JIANG Hong-hui1，WANG Li-jun2，GOU Guo-qing2，CHEN Hui2
(1.Nanning Railway Administration Job Iffice，Nanning 530029，China；2.Material Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

With further high-speed and overloaded of railway vehicles，in order to increase wear and corrosion resistance performance of the key parts and decrease the maintenance costs，there is an urgent requirement with good high temperature mechanical properties，better friction performance and longer service life of the wear resistance material，surface coating technology to meet the performance requirements.Development of surface engineering to improve the life and reliability of the parts，to improve the quality of the performance of machinery and equipment，to enhance the competitiveness of products，to solve the problem of the introduction，repair and localization of equipment，spare parts，to support the development of new technologies and high-tech，as well as saving materials energy is of great significance.

high-speed train；surface engineering technologies；wear-resistance material

TG47

C

1001-2303(2012)05-0006-06

2012-03-21

蔣紅暉(1970—)，男，廣西桂林人，高級工程師，碩士，主要從事鐵路養路機械運用技術管理工作。