چگونه از فناوری روکش لیزری برای بهبود عملکرد اصطکاک چرخ‌های مترو استفاده کنیم

حمل و نقل ریلی به دلیل کارایی بالا و ظرفیت بالا به عنوان یکی از مهم ترین جایگزین ها برای کاهش تراکم ترافیک به ویژه در مناطق شهری مطرح شده است. اگرچه هیچ حادثه ایمنی بزرگ یا جدی رخ نداده است، توسعه صنعت و پیشرفت تکنولوژی واقعاً اهمیت کارکرد ایمن قطار را افزایش داده است. چرخ یکی از قطعات مهم وسیله نقلیه مترو است. ویژگی های خطوط مترو نسبت به قطارهای پرسرعت پیچیده تر است و ترمز و شتاب مکرر به راحتی می تواند به چرخ ها آسیب برساند. انواع متداول آسیب چرخ شامل سایش رینگ، خراش آج، ساییدگی آج، پوسته پوسته شدن آج و افتادن رینگ است. علاوه بر این، حرکت نسبی بین چرخ و ریل در طول تعمیر چرخ ممکن است باعث سایش آج تایر شود. مطالعه عملکرد اصطکاک لغزشی چرخ برای اطمینان از ایمنی قطار بسیار مهم است.

فناوری روکش لیزری یک لایه سطحی از آلیاژهای فلزی را بر روی یک زیرلایه رسوب می دهد که کاربردهای بالقوه زیادی در تعمیر قطعات با ارزش افزوده بالا دارد و مقاومت بالایی در برابر سایش و ترک های ناشی از تماس ناشی از غلتش دارد.

تکنولوژی روکش لیزری مواد را تقویت می کند و باعث می شود سطح زیر لایه کیفیت برتری داشته باشد. اکثر محققان معتقدند که فناوری روکش لیزری می تواند از پودرهای آلیاژی مختلف برای تولید پوشش های آلیاژی با مقاومت در برابر سایش، کاهش اصطکاک، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر خستگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون استفاده کند.

انتخاب پودر آلیاژی مناسب برای فناوری روکش لیزری بسیار مهم است. پودرهای مبتنی بر آهن و نیکل اغلب در ساختارهای مسیر و چرخ استفاده می شوند. با این حال، این دو پودر در ترکیب، عملکرد و ویژگی های متفاوت هستند.

قابل درک است که محققان عملکرد پوشش‌های آلیاژی مبتنی بر نیکل و آهن را در تعمیر چرخ‌های مترو مقایسه کردند. مواد ER9 چرخ های راه آهن با آلیاژهای مبتنی بر نیکل و آهن توسط فناوری ذوب لیزری پوشانده شده است. پوشش حاصل دارای ریزساختار متراکم، بدون نقص، ترک یا منافذ است.

محققان از طیف‌سنجی پراکندگی انرژی (EDS)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، توپوگرافی نوری سه بعدی و پراش اشعه ایکس (XRD) برای مطالعه مورفولوژی ریزساختار، عناصر رابط و انواع فاز پوشش استفاده کردند.

خواص مکانیکی پوشش با استفاده از تست کننده سایش و اصطکاک الکتروشیمیایی رفت و برگشتی MFT-EC4000 و تستر میکروسختی ویکرز مورد آزمایش قرار گرفت. پوشش‌های مبتنی بر Ni با فازهای (Ni، Fe)، Cr23C6 و Cr7C3 و پوشش‌های مبتنی بر Fe با فازهای محلول جامد -Fe، (Fe-Cr-Ni) و (Fe، Ni) انتخاب شدند.

در آلیاژهای مبتنی بر نیکل، رسوب کروم پیوند بین اتمی را افزایش می دهد و به تقویت محلول جامد کمک می کند. علاوه بر این، وجود فاز کاربید سخت و محلول جامد در ساختار روکش باعث افزایش مقاومت فشاری و مقاومت کششی ماده می شود.

در آلیاژهای مبتنی بر نیکل، رسوب کروم پیوند بین اتمی را افزایش می دهد و به تقویت محلول جامد کمک می کند. علاوه بر این، وجود فاز کاربید سخت و محلول جامد در ساختار روکش باعث افزایش مقاومت فشاری و مقاومت کششی ماده می شود.

هنگامی که سایش چسب مکانیسم سایش اولیه بود، پوشش مبتنی بر نیکل اکسیداسیون شدیدتری را در پایان آزمون‌های سایش و اصطکاک تجربه کرد.

سختی پوشش مبتنی بر آهن 715 HV0.7 است که 2.86 برابر بیشتر از ماده پایه است. حداکثر سختی پوشش پایه نیکل 268.4HV0.7 است. علاوه بر این، ضریب اصطکاک پوشش مبتنی بر Ni کمتر از پوشش مبتنی بر Fe است. از نظر سایش و اصطکاک، دوام پوشش مبتنی بر Ni حدود چهار برابر پوشش مبتنی بر Fe است.

به دلیل وجود فاز محلول جامد، پوشش های مبتنی بر آهن، تقویت محلول جامد را نشان می دهند. کوئنچ موضعی به دلیل پیش گرم شدن پوشش مذاب رخ می دهد که باعث افزایش سختی و مقاومت در برابر سایش بافت می شود.

عملکرد پوشش مبتنی بر نیکل در دماهای بالا انتظارات را برآورده می کند و سختی و کیفیت اصطکاک آن نیز پایین است. با این حال، مزایای اقتصادی آلیاژهای مبتنی بر نیکل ضعیف است.

این مطالعه نشان می دهد که فناوری روکش لیزری می تواند سختی و مقاومت در برابر سایش چرخ ها را بهبود بخشد. علاوه بر این، مطالعات نشان داده است که زمانی که پوشش آلیاژی با مواد زیرین یکسان باشد، پودر آلیاژ می تواند بهبود عملکرد قابل توجهی را به همراه داشته باشد.

به دلیل رابطه سایش مطلوب بین مسیر و چرخ و مقاومت در برابر سایش و سختی پوشش، پوشش‌های مبتنی بر آهن برای روکش چرخ‌ها مناسب نیستند.

ارجاع:
Xiao, Q., Zhang, B., & Yang, W. (2022) خواص تریبولوژیکی کشویی پوشش های آلیاژی روکش لیزری روی چرخ های مترو. https://www.mdpi.com/2079-6412/12/10/1561/htm