車輪在地鐵車輛運行安全中的重要性
由于鐵路運輸的高效率和高容量，鐵路運輸已被確立為減少交通擁堵的最重要替代方案之一，特別是在城市地區。
盡管沒有發生過任何重大或嚴重的安全事故，但工業的發展和技術進步確確實實提高了列車安全運行的重要性。
車輪是地鐵車輛的重要部件之一。地鐵線路的特點比高速列車更復雜，頻繁的制動和加速很容易損壞車輪。
常見的車輪損壞類型包括輪輞磨損、胎面擦傷、胎面磨損、胎面剝落和輪輞脫落。此外，在車輪維修過程中，車輪和鐵軌之間的相對運動可能會造成車輪胎面的磨損。
研究車輪滑動摩擦性能對保證列車安全至關重要。
用于研究車輪滑動摩擦的激光熔覆技術
激光熔覆技術在基材上沉積金屬合金的表面層，這在修復高附加值零件方面具有許多潛在應用，并擁有強大的抗磨損和抗滾動接觸疲勞裂紋的能力。
激光熔覆技術強化了材料，使基材表面獲得優越的品質。大多數研究人員認為，激光熔覆技術可以利用各種合金粉末生產出具有耐磨、減摩、耐腐蝕、抗疲勞和抗氧化的合金涂層。
選擇合適的合金粉末對于激光熔覆技術至關重要。鐵基和鎳基粉末經常被用于軌道和車輪結構。然而，這兩種粉末在成分、功能和特性上有所不同。
地鐵輪轂修復中Ni、Fe合金的干式滑動摩擦磨損性能分析
據了解，華東交通大學的研究人員肖乾、張博、楊文斌等人對Ni基和Fe基合金涂層在地鐵車輪修復中的性能進行了比較。鐵路車輪的ER9材料采用激光熔化技術鍍上了Ni基和Fe基合金，得到的涂層組織致密、無缺陷、沒有裂縫或孔隙。
摩擦試驗示意圖。
研究人員使用能量色散光譜儀（EDS）、掃描電子顯微鏡（SEM）、3D光學形貌和X射線衍射儀（XRD）研究了該涂層的微觀結構形態、界面元素和相類型。
使用MFT-EC4000往復式電化學磨損和摩擦測試儀和維氏顯微硬度測試儀測試涂層的機械性能。實驗選擇具有 γ(Ni, Fe)、Cr23C6 和 Cr7C3 相的 Ni基涂層和具有γ-Fe、(Fe-Cr-Ni) 和 (Fe, Ni) 固溶體相的Fe基涂層。
在Ni基合金中，鉻沉積增強了原子間的結合，并有助于固溶強化。此外，硬質碳化物相的存在和熔覆層結構中的固溶體增加了材料的抗壓強度和抗拉強度。
當粘合劑磨損是主要磨損機制時，Ni基涂層在磨損和摩擦試驗結束時經歷了更嚴重的氧化。Fe基涂層的硬度為715 HV0.7，是基礎材料的2.86倍。Ni基涂層的最大硬度為268.4 HV0.7。
此外，Ni基涂層的摩擦系數低于Fe基涂層。在磨損和摩擦方面，Ni基涂層的耐久性大約是Fe基涂層的四倍。
由于固溶相的存在，Fe基涂層表現出固溶強化。由于熔融涂層預熱而發生了局部淬火，這增加了組織的硬度和耐磨性。
Ni基涂層在高溫下的功能符合預期，其硬度和摩擦質量也偏低。然而，Ni基合金的經濟效益較差。
這項研究表明，激光熔覆技術可以提高車輪的硬度和耐磨性。此外，研究表明，當合金涂層與底層材料相同時，合金粉末可以帶來更顯著的性能提升。
由于軌道和車輪之間的最佳磨損關系以及涂層的高耐磨性和硬度，Fe基涂層不適用于車輪熔覆。
參考文獻
Xiao, Q., Zhang, B., & Yang, W. (2022) 地鐵車輪激光熔覆合金涂層的滑動摩擦學性能研究。https://www.mdpi.com/2079-6412/12/10/1561/htm
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