應用納米合金提高清篩車磨耗板使用壽命研究

劉學敏

(中國神華軌道機械化維護分公司，天津 300457)

神華軌道機械化維護分公司現有QS-650道床清篩車13臺，承擔著神華1 380 km鐵路的機械清篩任務。每年道床清篩消耗各型磨耗板700多塊，消耗數量較大，主要原因在于當前從市場采購的磨耗板使用壽命較短，增加了作業人員設備維修工作量和勞動強度，而且由于頻繁更換此類配件，材料庫日常儲備量也較大。本文探討應用新型合金材料，采用獨特焊接技術及熱處理工藝，對重點部位的磨耗板進行耐磨性改進，以提高磨耗板使用壽命和清篩作業的安全性，降低線路維修成本。

1 磨耗板使用現狀分析

以QS-650型清篩車上安裝的64.08.1469型磨耗板為例，材質為65Mn的高錳鋼鑄件，使用中磨損情況最為嚴重。一般情況下，鐵路工務部門為防止在鐵路天窗期間更換磨耗板而影響施工進度，通常會提前更換，增加了成本支出。另外，因鑄造技術的原因，高錳鋼鑄件產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崩斷剝落的現象，產品實際使用壽命大打折扣。普遍來看，清篩作業磨耗板配件消耗量大，維修更換勞動強度高，雖然有些企業也使用國外進口合金材質的磨耗板，使用壽命有所提高，但由于進口配件價格高、采購時間長，在國內實際使用量很少。為提高磨耗板的使用壽命，達到節能減排、節支降耗的目的，研制新型合金磨耗板替換現有普通材質的磨耗板非常必要。

QS-650清篩車挖掘裝置安裝在兩臺轉向架間的車體中部，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篩上。從挖掘裝置中的挖掘鏈運動過程可以知道，石砟先從上升導槽進入，然后進行篩分，再從下降導槽輸送回道床。下降導槽的主要作用是為挖掘鏈循環提供通道，由于挖掘鏈和石砟的共同作用使得上升導槽的磨耗板磨損最為嚴重，而上升導槽根據磨耗板位置不同，其磨損程度也不同。其中磨損最為嚴重的是上升導槽靠近收料口的64.08.1469型和64.08.1329型以及轉彎處的64.08.1333型磨耗板，為此，對上述3種型號磨耗板進行耐磨性研究，作為提升磨耗板使用壽命的突破點。

2 納米硬質合金磨耗板的設計研究

2.1母材選擇設計與熱處理

根據磨耗板的使用要求，結合普遍使用的65Mn材質的磨耗板特點，選取母材時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。采用納米硬質合金制作磨耗板的設計思路就是在工作面(磨損面)上均勻地釬焊一層納米硬質合金材料，使挖掘鏈和石砟在合金層上磨損而不傷害下面的基體，使硬質合金和基體形成一個整體，這樣既能有合金的耐磨性也具有基體的抗沖擊性。

根據使用性能和價值分析，選用35CrMo作為磨耗板的母材材料。其化學成分與力學性能分別見表1和表2。母材組織經“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 納米硬質合金磨耗板結構設計

64.08.1469，64.08.1329和64.08.1333型磨耗板采用平面開直凹槽，凹槽內鑲嵌耐磨的納米粉末燒結的硬質合金片。板的側面和左面開設窄凹槽，在凹槽內鑲嵌圓弧T型納米粉末燒結的硬質合金片，再經高頻釬焊焊接粘合技術粘接固定，使板面受力更加合理，使耐磨的納米硬質合金與板面結合得更加緊密牢固，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種型號磨耗板母材結構設計主視圖。

表1 35CrMo化學成分 %

表2 35CrMo力學性能

2.3 納米硬質合金片研制分析

2.3.1 原材料選擇與工藝特點分析

耐磨合金材料的選用合適與否是關系新產品研制成敗的關鍵之一。納米硬質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成的硬質合金片材料。它必須具有耐磨、耐沖擊和抗腐蝕性等特點，才能符合磨耗板使用的技術要求。研制中的耐磨合金片材料要在爐中燒結48 h以上，然后進行保溫處理，在耐磨合金片材料出爐后，還要重新進行淬火處理，之后再進入高壓爐中進行24 h加壓處理。經過上述工藝最終可使合金材料內部結構得到充分密實，消除材料內部的收縮應力，從而提高材料的硬度和韌性。

2.3.2 添加鋯元素增強材質性能

在硬質合金中添加少量鋯(Zr)元素可強化材料的硬質相、粘結相和凈化晶界，并顯著提高材料的抗彎強度和沖擊韌性，因此在硬質合金中采用了加鋯(Zr)的硬質合金基體材料，使材料的硬度和耐磨度大幅度提高，產生三重效果。第一重效果是在硬質合金基體材質中添加了鋯(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。

經過燒結及熱處理后，納米硬質合金片的顯微組織非常細小，具有優良的力學性能，維氏硬度顯著提高。隨著硬度的提高，其裂紋擴展的阻力也隨著提高，相應提高了合金的韌性，具有極強的抗變形能力，使得到的合金材料能夠適應清篩中的各種惡劣工況。

2.4 焊接鑲嵌技術應用分析

2.4.1 焊接方式選擇

一般根據熱源性質、形成接頭的狀態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，不加壓力完成焊接的方法;壓焊是通過對焊件施加壓力(加熱或不加熱)來完成焊接的方法;釬焊是采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，在加熱溫度高于釬料低于母材熔點的情況下，利用液態釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴散實現連接焊件的方法。根據實際條件分析，因高頻釬焊加熱快，釬劑熔化迅速，焊接強度高，無變形，綜合機械性能優于其他焊接方法，因此，采用高頻釬焊工藝將納米硬質合金片與磨耗板母材焊接為一體。

2.4.2 高頻釬焊技術要點分析

1)防止釬焊時產生表面裂紋

因為硬質合金含有較高含量的碳化鎢和合金元素，雖然可以進行焊接加工，但焊接時容易出現淬硬組織和裂紋，必須采取有效的工藝措施才能獲得滿意的焊接接頭。要注意線膨脹系數與釬焊裂紋的關系，防止產生表面裂紋。硬質合金的尺寸比較小，一般是固定在一個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面上都要焊接上納米硬質合金，所以難度非常大。因硬質合金的線膨脹系數((4.1～7.0)×10－6/℃)與普通鋼的線膨脹系數(12 ×10－6/℃)相比差別很大，硬質合金只有鋼的1/3～1/2左右，加熱時硬質合金和鋼都自由膨脹，但冷卻時鋼的收縮量比硬質合金大得多。此時焊縫處于受壓狀態，而在硬質合金表面上則承受拉應力，如果殘余應力大于硬質合金的抗拉強度，則硬質合金的表面就可能產生裂紋。這是硬質合金釬焊時產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生。

2)減少焊接殘余應力的影響

焊接區域的殘余應力是一種潛在的危害，盡管焊接后硬質合金工件上不一定能馬上發現裂紋，但在隨后的加工、保管或使用過程中卻容易產生裂紋，造成使用壽命降低。硬質合金的釬焊面積越大，產生的焊接殘余應力越大，發生裂紋的可能性也越大，因此，在焊接硬質合金磨耗板時，必須使焊接殘余應力盡量減小。實際焊接中，采取嚴格控制釬焊溫度、焊前預熱及緩冷、選用塑性好的釬料、加補償墊片、改進接頭結構等措施，以減少焊接殘余應力的影響。

3)減少氧化現象

硬質合金在空氣中加熱到800℃以上時，硬質合金的表面開始氧化，生成疏松的氧化物層，同時伴隨有脫碳現象。當加熱至950～1 100℃時，表面層會發生急劇的氧化，形成的氧化薄膜使硬質合金變脆，降低其力學性能。表面氧化層的存在，也降低了焊縫的強度、硬度。在將納米硬質合金片與磨耗板基體焊接時，需要采用惰性氣體——氬氣進行保護，盡量減少硬質合金焊接部位的氧化現象。

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是個難題，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，設計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硬質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。母材板與納米硬質合金片鑲嵌如圖2所示。

圖2 母材板與納米硬質合金片鑲嵌示意

2.4.4 高頻釬焊過程及成品對比

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，再進行高頻釬焊。當工件與釬料被加熱到稍高于釬料熔點溫度后，釬料熔化(工件未熔化)，并借助毛細管作用被吸入和充滿于固態工件間隙之間，液態釬料與工件金屬相互擴散溶解，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，并隨工裝一起保溫，讓其釋放應力，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。對比普通材質的64.08.1469型磨耗板，即可看出表面特征明顯不同。

納米合金磨耗板設計技術指標應達到:合金比重≥14.3 g/cm3，合金硬度≥89.3 HRA，彎曲強度≥60 MPa，抗折力≥380 MPa，沖擊強度≥58 MPa，設計使用壽命將是普通材質磨耗板的10倍以上。

圖3 磨耗板

3 現場試用情況及分析

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QS-650清篩機上，經過一段時間的使用后，以64.08.1469型不同材質磨耗板外觀狀態進行對比分析。圖4(a)是道床清篩4.7 km后的表面狀態，圖4(b)是清篩9.3 km后的表面狀態，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，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，只能拆下報廢更換新品。將圖4(b)與圖4(c)對比，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磨耗板更耐磨、更抗沖擊，使用壽命大幅提高。

圖4 不同材質磨耗板效果對比

4 結論

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而成的硬質合金片，研制成的新型納米合金磨合板實際試用效果相比普通材質的磨耗板使用壽命已有很大提高。經過后期持續使用跟蹤，預計使用壽命能達到25 km以上，性價比將更高。

應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、機械強度高的特點，而且抗震減噪、安裝方便，減輕員工維修更換的強度，從而進一步降低企業線路清篩維護材料成本。

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