レーザークラッディング技術を適用して地下鉄の車輪の摩擦性能を向上させる方法

鉄道輸送は、その高効率と大容量により、特に都市部での交通渋滞を軽減するための最も重要な代替手段の 1 つとして確立されています。 重大な安全事故は発生していませんが、産業の発展と技術の進歩により、列車の安全な運行の重要性はますます高まっています。 車輪は地下鉄車両の重要な部品の一つです。 地下鉄の路線は高速鉄道よりも複雑な特性があり、頻繁なブレーキや加速により車輪が損傷しやすくなります。 ホイールの一般的な損傷には、リムの摩耗、トレッドの擦り傷、トレッドの摩耗、トレッドの剥がれ、リムの脱落などがあります。 さらに、ホイール修理中のホイールとレール間の相対移動により、タイヤのトレッドが摩耗する可能性があります。 列車の安全性を確保するためには、車輪の滑り摩擦性能を検討することが非常に重要です。

レーザークラッディング技術は、基材上に金属合金の表面層を堆積させます。この層は、高付加価値部品の修理に多くの潜在的な用途があり、摩耗や転がり接触疲労亀裂に対する強い耐性を備えています。

レーザークラッディング技術は材料を強化し、基板表面を優れた品質にします。 ほとんどの研究者は、レーザークラッディング技術はさまざまな合金粉末を使用して、耐摩耗性、摩擦低減、耐食性、耐疲労性、耐酸化性を備えた合金コーティングを生成できると考えています。

適切な合金粉末を選択することは、レーザー クラッド技術にとって非常に重要です。 鉄およびニッケルベースの粉末は、履帯や車輪の構造によく使用されます。 ただし、2 つの粉末は組成、機能、特性が異なります。

研究者らは、地下鉄の車輪の修理におけるニッケル基合金コーティングと鉄基合金コーティングの性能を比較したことがわかります。 鉄道車輪の ER9 材料は、レーザー溶解技術によって Ni および Fe ベースの合金でコーティングされています。 得られたコーティングは緻密な微細構造を持ち、欠陥、亀裂、細孔はありません。

研究者らは、エネルギー分散分光法（EDS）、走査型電子顕微鏡（SEM）、3D光学トポグラフィー、X線回折計（XRD）を使用して、コーティングの微細構造形態、界面元素、相タイプを研究した。

コーティングの機械的特性は、MFT-EC4000 往復電気化学的摩耗および摩擦試験機およびビッカース微小硬度試験機を使用してテストされました。 (Ni, Fe)、Cr23C6 および Cr7C3 相を含む Ni ベースのコーティングと、-Fe、(Fe-Cr-Ni) および (Fe, Ni) 固溶体相を含む Fe ベースのコーティングを選択しました。

Ni ベースの合金では、クロムの析出により原子間の結合が強化され、固溶体の強化に寄与します。 さらに、クラッド構造内の硬質炭化物相と固溶体の存在により、材料の圧縮強度と引張強度が増加します。

Ni ベースの合金では、クロムの析出により原子間の結合が強化され、固溶体の強化に寄与します。 さらに、クラッド構造内の硬質炭化物相と固溶体の存在により、材料の圧縮強度と引張強度が増加します。

凝着摩耗が主な摩耗メカニズムである場合、Ni ベースのコーティングは摩耗および摩擦試験の終了時にさらに深刻な酸化を受けました。

Feベースのコーティングの硬度は715 HV0.7であり、これは母材の2.86倍です。 Ni ベースのコーティングの最大硬度は 268.4HV0.7 です。 また、Ni基皮膜はFe基皮膜に比べて摩擦係数が低い。 摩耗や摩擦の点で、Ni ベースのコーティングの耐久性は Fe ベースのコーティングの約 4 倍です。

固溶体相の存在により、Fe ベースのコーティングは固溶体強化を示します。 溶融コーティングの予熱により局所的な焼き入れが発生し、組織の硬度と耐摩耗性が向上します。

高温での Ni ベースのコーティングの機能は期待どおりであり、その硬度と摩擦品質も低いです。 しかし、Ni 基合金の経済的利点は乏しいです。

この研究は、レーザークラッディング技術がホイールの硬度と耐摩耗性を向上できることを示しています。 さらに、合金コーティングが下層の材料と同じである場合、合金粉末がより大幅な性能向上をもたらすことが研究によって示されています。

トラックとホイールの間の最適な摩耗関係、およびコーティングの高い耐摩耗性と硬度のため、Fe ベースのコーティングはホイールのクラッディングには適していません。

参照：
Xiao, Q.、Zhang, B.、& Yang, W. (2022) 地下鉄車輪のレーザー被覆合金コーティングの滑りトライボロジー特性。 https://www.mdpi.com/2079-6412/12/10/1561/htm