كيفية تطبيق تقنية الكسوة بالليزر لتحسين أداء الاحتكاك لعجلات مترو الأنفاق

ونظراً لكفاءته العالية وقدرته العالية، فقد أصبح النقل بالسكك الحديدية أحد أهم البدائل لتخفيف الازدحام المروري، خاصة في المناطق الحضرية. على الرغم من عدم وقوع أي حوادث سلامة كبيرة أو خطيرة، إلا أن تطور الصناعة والتقدم التكنولوجي قد زاد بالفعل من أهمية التشغيل الآمن للقطارات. العجلة هي أحد الأجزاء المهمة في مركبة مترو الأنفاق. تعد خصائص خطوط مترو الأنفاق أكثر تعقيدًا من القطارات عالية السرعة، ويمكن أن يؤدي الكبح والتسارع المتكرر إلى إتلاف العجلات بسهولة. تشمل الأنواع الشائعة من تلف العجلة تآكل الحافة، وخدوش المداس، وتآكل المداس، وتقشر المداس، وسقوط الحواف. بالإضافة إلى ذلك، فإن الحركة النسبية بين العجلة والقضيب أثناء إصلاح العجلة قد تتسبب في تآكل مداس الإطار. من المهم جدًا دراسة أداء الاحتكاك المنزلق للعجلة لضمان سلامة القطار.

تقوم تقنية الكسوة بالليزر بترسيب طبقة سطحية من السبائك المعدنية على الركيزة، والتي لها العديد من التطبيقات المحتملة في إصلاح الأجزاء ذات القيمة المضافة العالية وتتمتع بمقاومة قوية للتآكل والشقوق الناتجة عن إجهاد التلامس.

تعمل تقنية الكسوة بالليزر على تقوية المادة وتجعل سطح الركيزة يحصل على جودة فائقة. يعتقد معظم الباحثين أن تقنية الكسوة بالليزر يمكن أن تستخدم مساحيق سبائك مختلفة لإنتاج طلاءات سبائك ذات مقاومة التآكل وتقليل الاحتكاك ومقاومة التآكل ومقاومة التعب ومقاومة الأكسدة.

يعد اختيار مسحوق السبائك المناسب أمرًا مهمًا جدًا لتقنية الكسوة بالليزر. غالبًا ما تستخدم المساحيق القائمة على الحديد والنيكل في هياكل الجنزير والعجلات. ومع ذلك، فإن المساحيقتين تختلفان في التركيب والوظيفة والخصائص.

ومن المفهوم أن الباحثين قارنوا أداء الطلاءات المصنوعة من السبائك القائمة على النيكل والحديد في إصلاح عجلات مترو الأنفاق. إن مادة ER9 لعجلات السكك الحديدية مطلية بسبائك قائمة على Ni - وFe بواسطة تقنية الذوبان بالليزر. يحتوي الطلاء الناتج على بنية مجهرية كثيفة، ولا توجد بها عيوب أو شقوق أو مسام.

استخدم الباحثون التحليل الطيفي لتشتت الطاقة (EDS)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والتضاريس البصرية ثلاثية الأبعاد، ومقياس حيود الأشعة السينية (XRD) لدراسة مورفولوجيا البنية المجهرية، وعناصر الواجهة وأنواع الطور للطلاء.

تم اختبار الخواص الميكانيكية للطلاء باستخدام جهاز اختبار التآكل والاحتكاك الكهروكيميائي الترددي MFT-EC4000 واختبار Vickers Microhardness. تم اختيار الطلاءات القائمة على النيكل مع مراحل (Ni، Fe)، Cr23C6 وCr7C3 والطلاءات القائمة على Fe مع مراحل المحلول الصلب -Fe و(Fe-Cr-Ni) و(Fe، Ni).

في السبائك القائمة على النيكل، يعزز ترسب الكروم الترابط بين الذرات ويساهم في تقوية المحاليل الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود طور الكربيد الصلب والمحلول الصلب في هيكل الكسوة يزيد من قوة الضغط وقوة الشد للمادة.

في السبائك القائمة على النيكل، يعزز ترسب الكروم الترابط بين الذرات ويساهم في تقوية المحاليل الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود طور الكربيد الصلب والمحلول الصلب في هيكل الكسوة يزيد من قوة الضغط وقوة الشد للمادة.

عندما كان تآكل المادة اللاصقة هو آلية التآكل الأساسية، تعرض الطلاء المعتمد على النيكل إلى أكسدة أكثر شدة في نهاية اختبارات التآكل والاحتكاك.

تبلغ صلابة الطلاء المعتمد على الحديد 715 HV0.7، أي 2.86 مرة من صلابة المادة الأساسية. الحد الأقصى للصلابة للطلاء القائم على النيكل هو 268.4HV0.7. بالإضافة إلى ذلك، فإن معامل الاحتكاك للطلاء المعتمد على النيكل أقل من معامل الاحتكاك للطلاء المعتمد على الحديد. من حيث التآكل والاحتكاك، فإن متانة الطلاء المعتمد على النيكل تبلغ حوالي أربعة أضعاف قوة الطلاء المعتمد على الحديد.

نظرًا لوجود مرحلة المحلول الصلب، تُظهر الطلاءات القائمة على الحديد تقوية المحلول الصلب. يحدث التبريد الموضعي بسبب التسخين المسبق للطبقة المنصهرة، مما يزيد من صلابة الأنسجة ومقاومتها للتآكل.

إن وظيفة الطلاء القائم على النيكل في درجات الحرارة المرتفعة تلبي التوقعات، كما أن صلابته وجودة الاحتكاك منخفضة أيضًا. ومع ذلك، فإن الفوائد الاقتصادية للسبائك القائمة على النيكل ضعيفة.

توضح هذه الدراسة أن تقنية الكسوة بالليزر يمكنها تحسين صلابة العجلات ومقاومتها للتآكل. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات أنه عندما يكون طلاء السبائك هو نفس المادة الأساسية، فإن مسحوق السبائك يمكن أن يحقق تحسينات أكثر أهمية في الأداء.

نظرًا لعلاقة التآكل المثالية بين المسار والعجلة ومقاومة التآكل العالية وصلابة الطلاء، فإن الطلاءات القائمة على الحديد ليست مناسبة لتكسية العجلات.

مرجع:
Xiao، Q.، Zhang، B.، & Yang، W. (2022) الخصائص القبلية المنزلقة لطلاءات سبائك الكسوة بالليزر على عجلات مترو الأنفاق. https://www.mdpi.com/2079-6412/12/10/1561/htm