지하철 차량의 안전에 있어서 바퀴의 중요성
높은 효율성과 고용량으로 인해 철도 운송은 특히 도시 지역의 교통 혼잡을 줄이기 위한 가장 중요한 대안 중 하나로 자리 잡았습니다. 비록 크고 심각한 안전사고는 발생하지 않았으나, 산업의 발전과 기술의 발전으로 인해 열차안전운행의 중요성은 실로 높아지고 있습니다. 바퀴는 지하철 차량의 중요한 부품 중 하나입니다. 지하철 노선의 특성은 고속열차에 비해 복잡하며, 잦은 제동과 가속은 바퀴를 쉽게 손상시킬 수 있습니다. 휠 손상의 일반적인 유형에는 림 마모, 트레드 긁힘, 트레드 마모, 트레드 벗겨짐, 림 떨어지는 등이 있습니다. 또한, 휠 수리 중 휠과 레일 사이의 상대적인 움직임으로 인해 타이어 트레드가 마모될 수 있습니다. 열차의 안전을 보장하기 위해서는 바퀴의 미끄럼 마찰 성능을 연구하는 것이 매우 중요합니다.
레이저 클래딩 기술
레이저 클래딩 기술은 기판에 금속 합금의 표면층을 증착하여 고부가가치 부품을 수리하는 데 많은 응용 가능성을 갖고 있으며 마모 및 구름 접촉 피로 균열에 대한 강한 저항성을 가지고 있습니다.
레이저 클래딩 기술은 재료를 강화하고 기판 표면의 품질을 향상시킵니다. 대부분의 연구자들은 레이저 클래딩 기술이 다양한 합금 분말을 사용하여 내마모성, 마찰 감소, 내식성, 피로 저항성 및 내산화성을 갖춘 합금 코팅을 생성할 수 있다고 믿습니다.
레이저 클래딩 기술에서는 올바른 합금 분말을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 철 및 니켈 기반 분말은 트랙 및 휠 구조에 자주 사용됩니다. 그러나 두 분말은 구성, 기능 및 특성이 다릅니다.
지하철 바퀴 수리 시 Ni 및 Fe 합금의 건조 미끄럼 마찰 및 마모 특성 분석
연구진은 지하철 바퀴 수리 시 Ni 기반 합금 코팅과 Fe 기반 합금 코팅의 성능을 비교한 것으로 이해된다. 철도 바퀴의 ER9 소재는 레이저 용융 기술을 통해 Ni 및 Fe 기반 합금으로 코팅됩니다. 생성된 코팅은 조밀한 미세 구조를 가지며 결함, 균열 또는 기공이 없습니다.
연구진은 에너지 분산 분광법(EDS), 주사 전자 현미경(SEM), 3D 광학 지형학 및 X선 회절계(XRD)를 사용하여 코팅의 미세 구조 형태, 인터페이스 요소 및 상 유형을 연구했습니다.
코팅의 기계적 특성은 MFT-EC4000 왕복 전기화학적 마모 및 마찰 시험기와 Vickers Microhardness 시험기를 사용하여 테스트되었습니다. (Ni, Fe), Cr23C6 및 Cr7C3 상을 포함하는 Ni 기반 코팅과 -Fe, (Fe-Cr-Ni) 및 (Fe, Ni) 고용상을 포함하는 Fe 기반 코팅을 선택했습니다.
Ni 기반 합금에서 크롬 증착은 원자간 결합을 강화하고 고용체 강화에 기여합니다. 또한 클래딩 구조에 경질 탄화물 상과 고용체가 존재하면 재료의 압축 강도와 인장 강도가 증가합니다.
Ni 기반 합금에서 크롬 증착은 원자간 결합을 강화하고 고용체 강화에 기여합니다. 또한 클래딩 구조에 경질 탄화물 상과 고용체가 존재하면 재료의 압축 강도와 인장 강도가 증가합니다.
접착 마모가 주요 마모 메커니즘인 경우 Ni 기반 코팅은 마모 및 마찰 테스트가 끝날 때 더 심각한 산화를 경험했습니다.
Fe 기반 코팅의 경도는 715HV0.7로 모재의 2.86배입니다. Ni 기반 코팅의 최대 경도는 268.4HV0.7입니다. 또한 Ni 기반 코팅의 마찰 계수는 Fe 기반 코팅의 마찰 계수보다 낮습니다. 마모 및 마찰 측면에서 Ni 기반 코팅의 내구성은 Fe 기반 코팅의 약 4배입니다.
고용상의 존재로 인해 Fe 기반 코팅은 고용 강화를 나타냅니다. 용융 코팅의 예열로 인해 국부적인 담금질이 발생하여 조직의 경도와 내마모성이 증가합니다.
고온에서의 Ni 기반 코팅의 기능은 기대에 부응하며 경도와 마찰 품질도 낮습니다. 그러나 Ni 기반 합금의 경제적 이점은 좋지 않습니다.
이 연구는 레이저 클래딩 기술이 휠의 경도와 내마모성을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 또한, 연구에 따르면 합금 코팅이 기본 재료와 동일할 때 합금 분말이 더욱 중요한 성능 향상을 가져올 수 있는 것으로 나타났습니다.
트랙과 휠 사이의 최적의 마모 관계와 코팅의 높은 내마모성 및 경도로 인해 Fe 기반 코팅은 휠 클래딩에 적합하지 않습니다.
참조:
Xiao, Q., Zhang, B., & Yang, W. (2022) 지하철 바퀴의 레이저 클래딩 합금 코팅의 슬라이딩 마찰 특성. https://www.mdpi.com/2079-6412/12/10/1561/htm