武汉大型养路机械运用检修段　蒋俊

　　摘　要：国内QS-650清筛机弯角导槽耐磨板及角滚轮不仅使用寿命短，维修更换工作强度大，而且使用成本极高。本文通过对QS-650清筛机上升弯角导槽拐角立面部位的磨耗板及相关联的角滚轮磨损机理进行分析，提出了延长其使用寿命的方案。本方案从母材选择、磨耗板及角滚轮的结构设计、硬质合金材料的选择进行研究，对利用高频钎焊将硬质合金与母材焊接为一体及等离子熔覆工艺的应用过程进行分析，将研制成功的合金磨耗板及合金角滚轮进行一段时间的跟踪试用，验证了利用新材料与新工艺研制的磨耗板及角滚轮的使用寿命得到了显著提高。

　　关键词：硬质合金；高频钎焊；等离子熔覆；使用寿命

　　1　前言

　　铁道线路在运营过程中会发生变形、磨耗、破损、腐蚀、脏污及老化，因此要对其进行养护、维修，以使其处于正常可靠的工作状态，保证行车安全。对碎石道床而言，当其不洁度超过30％时应进行道床清筛。武汉铁路局大养路机械运用检修段现有大型清筛机13台，每年平均有近400km铁路的机械清筛任务。大型清筛机全套各型磨耗板及板条共160多种，常用易损磨耗板有几十种，而频繁磨耗且受力不均需经常更换的就有十几种，每年需要消耗各型磨耗板400多块，普通角滚轮200多个，特别是上升导槽、下降导槽和弯角导槽的磨耗板和相应的角滚轮消耗数量Z大。主要原因在于：这些部位的工作环境Z为恶劣，频繁受到撞击及剪切应力；当前从市场采购的高锰钢磨耗板和普通碳钢角滚轮耐磨性差，使用寿命较短。由于频繁更换此类配件，不仅增加了作业人员设备维修工作量和劳动强度，且储存和运输都很困难。研究应用新型合金材料，采用独特焊接技术及热处理工艺，对弯角立面部位的磨耗板和角滚轮进行耐磨性改进，提高使用寿命，降低线路维修成本，成为了一项具有现实性和紧迫性的课题。

　　2　上升弯角导槽磨耗板和角滚轮使用现状分析

　　弯角导槽侧立面的磨耗件有64.08.1329和64.08.1333两种立式磨耗板及一个拐角滚轮64.08.5000.26，是整台清筛机使用环境Z恶劣的部位（图1）。

　　2.1　上升弯角导槽磨耗板使用现状

　　2.1.1　磨耗板使用情况

　　以上升弯角导槽安装的64.08.1329和64.08.1333型磨耗板为例（图2、图3），材质为65Mn的高锰钢铸件，使用中磨损情况非常严重。一般情况下，两种磨耗板的使用寿命在4km左右，铁路工务部门为防止铁路天窗期间更换磨耗板而影响施工进度，通常在即将报废前会提前更换，这增加了成本支出。另外，因铸造技术的原因，高锰钢铸件内部存在的夹渣、气孔等缺陷不可避免，导致有的磨耗板在使用过程中易出现崩断碎裂现象，实际使用寿命还会减少。普遍来看，清筛作业磨耗板配件消耗量大，维修更换劳动强度高，虽然有路局也尝试使用国外进口合金材质的磨耗板，但实际寿命增加有限，又因进口配件价格太高、采购时间太长，根本无法满足现场实际需求，无法彻底解决问题。为提高磨耗板的使用寿命，达到节能减排、降支节耗的目的，研制新型材料和工艺的磨耗板替换现有普通材质的磨耗板非常必要。

　　2.1.2　磨耗板磨损机理

　　从QS-650清筛机挖掘装置中的挖掘链运动轨迹可以知道，石砟是从水平导槽和弯角导槽进入，经上升导槽导入筛网，然后进行筛分，筛过的粗粒石砟再回填道床，清筛下的污土排出道床外。由于挖掘链和石砟的共同作用使得弯角导槽的磨耗板磨损非常严重，而弯角导槽上根据磨耗板位置不同，其耐磨程度也不同。以弯角导槽立侧的64.08.1329型和64.08.1333型磨耗板为研究对象，将弯角导槽立面磨耗板的耐磨性研究作为提升磨耗板使用寿命的突破点。

　　2.2　角滚轮使用现状

　　2.2.1　角滚轮使用情况

　　在上升弯角导槽和上升导槽的连接处配备一个角滚轮（如图4所示），它的作用是：连接两个导槽的拐点；扒砟链改变运动方向的支撑点。角滚轮在使用过程中不仅要承受扒砟链行走时的摩擦，还要支撑扒砟链改变方向的滑动摩擦及承受链子和石砟的冲击挤压，所以工作环境非常恶劣。

　　2.2.2　角滚轮磨损机理

　　角滚轮在工作过程中转速非常高，内部要有非常好的润滑系统，工作中要承受来自石砟和扒砟链的压力，所以表面磨损非常快。表面磨损一定深度后，轮体变薄，受石砟挤压后会变形，导致角滚轮轴扭曲变形，轴承抱死，角滚轮随之报废。

　　3　硬质合金磨耗板和角滚轮的设计研究

　　3.1　硬质合金磨耗板的设计研究

　　3.1.1　硬质合金磨耗板母材的选择设计与热处理

　　根据磨耗板的使用要求，结合普遍使用的65Mn材质的磨耗板特点，对母材的选用既考虑要有良好的耐磨性、焊接性，又要有足够的韧性和抗冲击性，从而达到抗疲劳而不损坏的目的，这样就可以提高硬质合金在磨耗板母材的使用寿命，降低磨耗板的使用成本。采用硬质合金制作磨耗板的设计思路就是在有磨损部位的几个工作面（也就是磨损面上）均匀的钎焊一层不同几何形状的硬质合金材料，使挖掘链和石砟在硬质合金层上磨损而不伤害下面的基体。把硬质合金和基体形成一个整体，这样既能有合金的耐磨性也具有母材基体的抗冲击性。

　　根据使用性能和价值分析，选用35CrMo作为磨耗板的母材材料，其化学成份与力学性能分别见表1和表2。母材组织经“淬火+回火”的热处理工艺后，其基体组织为板条状马氏体，另外还有少量的残余奥氏体，通过910℃淬火和保温1h的处理，230℃回火保温2h后，试验材料的组织为回火索氏体，Z终提高了金属组织和性能。

　　3.1.2　纳米硬质合金磨耗板结构设计

　　64.08.1329和64.08.1333型磨耗板采用平面开直凹槽，凹槽内铺盖镶嵌耐磨的硬质合金片，板的侧面和左面开设窄凹槽，在凹槽内镶嵌圆弧T型纳米粉末烧结的硬质合金片，再经高频钎焊焊接粘合技术粘接固定，使板面受力更加合理，耐磨的硬质合金与板面结合的更加紧密牢固，从而使板更具耐磨性、抗冲击力和韧性，提高和金磨耗板的使用寿命。图5、图6分别为两种型号磨耗板母材结构设计主视图。

　　3.1.3　硬质合金原材料选择与工艺特点分析

　　耐磨合金材料的选用是新产品研制成败的关键因素。硬质合金磨耗板在硬质合金材料的选择上必须具有耐磨、耐冲击和抗腐蚀性等特点，才能符合磨耗板的使用技术要求。研制中的耐磨合金片材料必需选用粗颗粒抗冲击的硬化粉和粘结粉，之后要在炉中烧结48h以上，然后进行保温处理，在硬质合金片材料出炉后，还要重新进行淬火处理，之后再进入高压炉中进行24h加压处理，经过上述工艺Z终可使合金材料内部结构得到充分密实，消除材料内部的收缩应力，从而提高材料的硬度和韧性指标。

　　3.2　合金角滚轮结构设计

　　3.2.1　合金角滚轮的设计思路

　　合金角滚轮的设计思路是合金角滚轮外层单边留3mm余量，用碳化钨粉、钴粉和镍粉按不同比例配合，采用等离子焊接的方式熔覆在角滚轮的外壁作为耐磨层形成“外硬里软”的组合方式，内壁轴承选用双列滚柱轴承，润滑剂选择抗咬合剂来保证轴承不被“抱死”。

　　3.2.2　等离子熔覆原材料选择与工艺特点

　　等离子焊接耐磨材料主要由3种粉末组成，分别是铸造碳化钨粉、钴粉和镍粉。选择镍粉是防止在焊接过程中产生裂纹，它的比例为75%。钴粉的作用是与碳化钨形成粘结，增加结合强度，它的比例为10%。碳化钨粉的作用是耐磨，它的比例为15%。3种粉的粒度为200目左右。

　　4　合金磨耗板和合金角滚轮焊接技术应用

　　4.1　合金磨耗板焊接技术应用

　　4.1.1　硬质合金磨耗板焊接方式选择

　　一般根据热源性质、形成接头的状态以及是否采用加压来划分焊接种类，可分为熔化焊、压焊和钎焊3种。熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法；压焊是通过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法；钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。根据实际条件分析，因高频钎焊加热快，钎剂熔化迅速，焊接强度高，变形小，综合机械性能优于其他焊接方法，因此，采用高频钎焊工艺将纳米硬质合金片与磨耗板母材焊接为一体。

　　4.1.2　高频钎焊技术要点

　　4.1.2.1　防止钎焊时产生表面裂纹

　　因为硬质合金含有较高含量的碳化钨和合金元素，虽然可以进行焊接加工，但焊接时容易出现淬硬组织和裂纹，必须采取有效的工艺措施才能获得满意的焊接接头，要注意线膨胀系数与钎焊裂纹的关系，防止产生表面裂纹。硬质合金的尺寸比较小，一般是固定在一个比较厚大的钢支撑材料上使用，而合金磨耗板需要整个面上都焊接上纳米硬质合金，所以难度非常大。因硬质合金的线膨胀系数（4.1×10^-6～7.0×10-6℃^-1）与普通钢的线膨胀系数（12×10^-6℃^-1）相比差别很大，硬质合金只有钢的1/3～1/2左右，加热时硬质合金和钢都自由膨胀，但冷却时钢的收缩量比硬质合金大得多，此时焊缝处于受压力状态，而在硬质合金表面上则承受拉应力，如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度，硬质合金的表面就可能产生裂纹，这是硬质合金钎焊时产生裂纹的Z主要原因之一。解决办法是在合金与合金之间钎焊一小块普通碳素钢，把合金与合金之间隔开，这样既不影响耐磨程度也避免了合金裂纹的产生。

　　4.1.2.2　减少焊接残余应力的影响

　　焊接区域的残余应力是一种潜在的危害，尽管焊接后硬质合金工件上不一定能马上发现裂纹，但在随后的加工、保管或使用过程中却容易产生裂纹，造成使用寿命降低。当硬质合金的钎焊面积越大时，产生的焊接残余应力越大，发生裂纹的可能性也越大，因此，在焊接硬质合金磨耗板时，必须使焊接残余应力尽量减小。实际焊接中，严格控制钎焊温度、焊前预热及缓冷、选用塑性好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施，以减少焊接残余应力的影响。

　　4.1.2.3　减少氧化现象

　　硬质合金在空气中加热到800℃以上时，硬质合金的表面开始氧化，生成疏松的氧化物层，同时伴随有脱碳现象。当加热至950～1100℃时，表面层会发生急剧的氧化，形成的氧化薄膜使硬质合金变脆，降低力学性能。表面氧化层的存在，降低了焊缝的强度、硬度。在将纳米硬质合金片与磨耗板基体焊接时，需要采用惰性气体-氩气保护措施，尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象。

　　4.1.3　纳米合金片布局图

　　在平板和曲面上焊接大面积纳米合金在国内是个难题，需要解决板的受热问题、变形问题及合金片之间的均匀排列问题。为此，设计了焊接的专用工装和矫平的专用工装，使耐磨的硬质合金材料与板面粘接成为极为牢固不易脱落的结构，使易受损板面部分的耐磨性和抗冲击力得到极大的增强。母材板与纳米硬质合金片镶嵌情况如图7、图8所示（图7为板表面合金片布局实物图）。

　　4.1.4　高频钎焊过程及成品对比

　　用表面喷砂清理好母材板面和凹槽，用酒精清洗铜钎料，把处理好的纳米合金片与配制的焊剂和钎料整齐摆放在凹槽中，在室温下放置12h，再进行高频钎焊。当工件与钎料被加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料熔化（工件未熔化），并借助毛细管作用被吸入和充满固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷疑后即形成钎焊接头，焊接后再把磨耗板放入校直工装内，并随工装一起保温，让其释放应力，防止变形。图9、图10分别为64.08.1329和64.080.1333型合金磨耗板成品。

　　纳米合金磨耗板设计技术指标应达到：合金比重≥14.3G/cm³，合金硬度≥89.3HRA，弯曲强度≥60MPa，抗折力≥380MPa，冲击强度≥58MPa，设计使用寿命将是普通材质磨耗板的10倍以上。

　　4.2　合金角滚轮焊接技术应用

　　4.2.1　合金角滚轮焊接方式选择

　　选择等离子熔覆堆焊是因为其特点为：等离子弧温度高、能量集中、热传率和热利用率高，所以熔敷速度较高、熔深浅、稀释率低。另外等离子弧燃烧稳定，弧长变化对电流的影响小，同时容易保持挺度和方向性。这样可以保证焊接角滚轮耐磨层时焊层稳定，结合强度高。改变电流、送粉速度、堆焊速度和摆动幅度等，即可使堆焊层尺寸在较大的范围内变化，因此容易控制角滚轮的整体变形量。

　　4.2.2　等离子熔覆技术要点

　　4.2.2.1　角滚轮堆焊

　　堆焊形式分三层，分别是：

　　（1）打底层。打底层粉末用以增加耐磨层与母材的结合强度，保证堆焊层与母体结合良好，防止整个堆焊层剥落，同时要求抗裂性好，能够有效阻止板面的焊接裂纹过大和疲劳裂纹向母体的延伸、发展，保护母体不受破坏。

　　（2）耐磨层。耐磨层要求堆焊金属具有较高的焊态硬度和良好的抗裂性，具有优异的抗磨粒磨损和抗冲击磨损综合性能，要求耐磨层材料的硬度要高于过渡层。

　　（3）过渡层和花纹层。在熔覆耐磨层时，耐磨层的合金元素和打底层的材料在高温下会相互渗透形成过渡层，它既有打底层的高结合度也有耐磨层的耐磨性能，这是过渡层Z大的优点。而花纹层则是耐磨层Z上方暴露在空气中形成的一个薄层，它是直接工作面，因此也具有更加优异的耐磨粒磨损性能和抗冲击磨损性能，材料的硬度Z高。

　　4.2.2.2　合金角滚轮的焊接工艺

　　（1）预热。因为合金粉末中含有硅和硼作脱氧剂。预热温度应低于堆焊工件可能氧化的温度。当工件预热到暗红色时，先焊一层粉末，待这层粉末熔化并湿润工件形成熔池后再继续焊接。

　　（2）熔覆打底层。堆焊打底层时要严格控制焊接温度、送粉速度以及送气量，保证打底层均匀无漏焊、无压面。堆焊完以后，堆焊层的硬度从内到外呈梯度分布，逐渐升高，这样即能保证板面耐磨性好，又能保证能够承受强大的冲击力、抗裂性和抗疲劳性能。

　　（3）熔覆耐磨层。堆焊时因为使用焊粉和自动焊接技术，所以容易获得稀释率低的堆焊层，堆焊层表面平整光滑，不加工或稍加工即可使用，同时可降低贵金属堆焊材料的消耗。

　　根据焊接温度和焊接状态要及时改变主电流，这样可以控制工件的加热、熔深和稀释率。可以使非转移型弧来补充转移型弧的能量，并作为转移弧的引导弧，来改变非转移弧的电流，可以控制粉末的熔融状态，使其达到理想的耐磨层。

　　气孔是堆焊Z常见的缺陷。在表面堆焊层末端由于供料不足产生气孔（又称微缩孔），防止的方法是在堆焊收口时焊粉继续送进40~50mm，并且逐渐抬起焊炬使等离子弧逐渐离开熔池可减小和防止微缩孔。

　　4.2.2.3　等离子熔覆合金角滚轮总结

　　熔覆合金角滚轮由于使用等离子弧作为热源，因离子弧柱的温度高，能量密度大，对焊件的加热集中，熔透能力强，在同样的熔深情况下，角滚轮的焊接速度快，提高生产效率和质量。

　　此外，等离子弧对焊接的热输入相对较小，焊缝形状截面较窄，深度比较大，成“酒杯”状，热影响区窄，变形也较小，这样就能使合金角滚轮更加适合扒链和石渣对角滚轮的运动磨损。

　　5　现场试用情况及分析

　　采用硬质合金材料研制的64.08.1333型和64.08.1329型磨耗板各30块，合金角滚轮6个，分别装于7台QS650K清筛机上，经过一段时间的使用后，截止到2014年12月31日，试用情况见表3（有些还未更换下来）。分别将外观状态进行对比分析，采用新型材料和加工工艺研制的磨耗板和角滚轮比原来使用普通材质的磨耗板和角滚轮更耐磨、更抗冲击，使用寿命大幅提高。当然，根据线路板结情况不同，其磨耗程度有些许不同，使用寿命有些许差别，这从试用记录表统计的数据可以看出，但总体情况是磨耗板寿命至少提高了8~10倍，角滚轮提高了5~8倍。

　　6　结束语

　　经过采用35CrMo作为磨耗板的母材材料，在其表面钎焊一层硬质合金片，研制成的新型合金磨耗板实际试用效果已经相比普通材质的磨耗板使用寿命有很大提高。经等离子焊接的合金角滚轮实际使用效果比普通材质的角滚轮寿命也有极大的提高。经过后期持续使用跟踪，预计使用分别能达到50km以上，性价比将更高。将新材料与新工艺应用于研制QS-650型清筛机上使用的磨耗板和角滚轮配件，不仅综合性能大幅提高，具有高耐磨、耐腐蚀、机械强度高的特点，而且抗震减噪、安装方便，能够减轻员工维修更换的强度，从而进一步降低企业线路清筛维护材料成本。

　　通过对上升弯角导槽磨耗板和角滚轮的改进，提高了使用寿命，同时弯角导槽的更换周期也相应的延长，但不足之处是单件成本高，下一步的改进方案应该着重研究磨耗板和角滚轮不同位置的磨耗量大小，然后根据磨耗量相应减少耐磨材料的用量，使其性价比进一步提高，为国家节能降耗多贡献一份力量。