旋耕刀表面激光熔覆鐵基涂層的組織性狀及耐磨性

2017-03-21 02:32:22田永財王宏立

江蘇農業科學 2016年11期

田永財+王宏立

摘要：為了提高旋耕刀耐磨性，利用CO2激光器、激光熔覆技術在旋耕刀表面制備鐵基涂層；借助金相顯微鏡、數顯維氏硬度儀、X射線衍射儀及摩擦磨損試驗機，分析激光熔覆層的顯微組織和物相，測試激光熔覆層橫截面顯微硬度，以及熔覆層的耐磨性能。結果表明：在優化工藝參數下，激光熔覆的鐵基涂層組織致密、無明顯氣孔、裂紋等缺陷。熔覆層顯微硬度最高可達820 HV1（kg/hm2），為基體的3倍左右，耐磨性能明顯優于基體。田間試驗表明，經熔覆處理后的旋耕刀耐磨性能明顯優于傳統熱處理的旋耕刀。

關鍵詞：激光熔覆；旋耕刀；鐵基涂層；耐磨性能

中圖分類號： S222.3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0359-03

磨損在農業機械作業中普遍存在，旋耕刀作為農業機械工作中的一種觸土部件，由于作業時長期承受土壤磨損和交變應力的作用，基體內部的冶金、加工缺陷等部位易形成應力集中，造成局部損傷，弱化基體，導致基體很快被報廢，不僅嚴重影響翻地的質量和效率，而且浪費大量的材料[1]。近年來，越來越多的學者重視對旋耕刀耐磨性的研究。李合非等進行了中錳球墨鑄鐵旋耕刀的熱處理工藝研究[2]；孫景福等利用電弧噴涂工藝對旋耕刀的耐磨性進行了研究[3]；趙玉鳳等進行了旋耕刀表面滲鉻工藝優化及其耐磨性研究[4]。以上研究運用的各種方法在提高旋耕刀耐磨性方面都有很大的提高，但也存在工藝復雜、涂層易脫落、環境污染等弊端。激光熔覆是一種新興表面改性技術，它主要用于改善、提高材料的耐磨性能。激光熔覆涂層因具有良好機械性能、與基體呈牢固的冶金結合、無環境污染等特點，并且強化效果好，被各個行業廣泛應用[5-6]。本研究運用激光熔覆技術，在旋耕刀基體表面制備鐵基耐磨涂層，并分析涂層的組織結構和磨損性能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

基體材料為旋耕刀常用的65 Mn鋼，尺寸為100 mm×100 mm×6 mm。試驗前用粗砂紙打磨，除掉表面鐵銹及氧化物，然后用丙酮清洗吹干待用。涂層粉末為自熔性鐵基合金粉末，粉末粒度為150目，化學成分為鉻（Cr）16.0%～18.0%、硅（Si）1.0%～2.0%、硼（B）3.8%～4.2%、碳（C）0.8%～1.2%、鎳（Ni）9.0%～12.0%、鐵（Fe）余量。

1.2 試驗方法

激光熔覆設備采用中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制的萬瓦級CO2激光器，激光器輸出功率范圍為 0～10.120 kW，光斑直徑為14 mm，焦距為30 mm，輸出電流為121 A。將設備優化后的激光熔覆工藝參數為激光功率 2.5 kW、掃描速度200 mm/min、送粉速率25 mg/min、光斑直徑14 mm、焦距30 mm。采用自主研制的重力組合式送粉器進行同步送粉。

激光熔覆結束后，使用線切割機將熔覆試塊沿激光掃描方向切割成10 mm×10 mm×6 mm的小試塊，然后分別用粗細砂紙打磨，將磨好的試塊在拋光機上拋光，制成金相試樣。最后用硝酸乙醇溶液腐蝕試塊表面，腐蝕時間為1 min，在金相顯微鏡下，觀察熔覆層的組織結構。采用日本理學公司SmartLab 3 kW高分辨率X射線粉末衍射分析儀掃描涂層的晶體結構，并對涂層掃描結果進行相分析，衍射條件為Cu靶，40 kV，30 mA，掃描速度為1.5 °/min，范圍10°～90°。

使用THVS-50數顯自動轉塔維氏硬度計，測試熔覆層表面到基體的顯微硬度，間隔距離為85 μm，加載力為1 kg，保持時間為15 s。使用專門設計的磨粒磨損實驗臺對試塊進行耐磨測試，將熔覆后的試塊和未經任何熱處理的65 Mn鋼試塊分別安裝在實驗臺上。磨損48 h后，分別將試塊用丙酮進行清洗，吹干，然后采用精度為1 mg電子天平分別稱取試塊質量，計算各自磨損量后進行對比。最后分別從磨損后的2個試塊上切除面積為10 mm×10 mm的小塊，在顯微鏡下觀察磨粒磨損過程中磨面形貌。

2 結果與分析

2.1 激光熔覆層形貌

由圖1可以看出，熔覆層截面形貌由熔覆區、界面、熱影響區和基體組成。在熔覆區與基體間能夠看到有1條白色的界面線，一方面是因為基體和涂層所含成分不同，另一方面是由于激光熔覆是個急熱急冷的過程，導致基體和涂層沒有時間充分擴散，但對界面良好的結合沒有影響。最佳工藝參數下的涂層呈現良好的冶金結合，沒有明顯的氣孔和裂紋。

2.2 涂層物相分析

由圖2可見，涂層物相主要由Fe-Cr、Fe2Si、Fe、NiC3B15、SiC、Ni-Cr-Fe和Fe19Ni相組成，其中Fe2Si、SiC、Fe19Ni為強化相。這表明在激光熔覆過程中，熔化的合金粉末在基體表面沉積，一些組分凝固成非晶，另一些組分發生晶化，晶粒大小對金屬的拉伸強度、韌性、塑性以及耐磨性等機械性能有決定性的影響[7]。

2.3 涂層金相組織分析

由圖3-a可見，涂層與基體呈現致密的冶金結合。涂層組織均勻致密，無明顯的氣孔、裂紋等缺陷；由圖3-b可見，涂層內有大量向上生長的白色樹枝晶組織，灰色為共晶組織。激光熔覆是個急熱急冷的過程，熔池內的金屬要在很短的時間內冷卻，這樣熔覆層組織就不可能達到平衡。在激光熔覆過程中，組織的變化主要是由奧氏體向馬氏體轉變。因為快速冷卻，使奧氏體組織還沒有長大就開始向馬氏體轉變，熔池迅速凝固，故形成的晶粒很細小，奧氏體的生長及轉變構成了組織的基本形貌。激光熔覆急熱急冷的工藝特性很好地細化了晶粒組織，使組織得到了細晶強化，提高了組織的強度和硬度。

熔覆層主要為針狀馬氏體組織，且組織均勻。由金屬學原理可知，強化相加上韌性相多相組織的耐磨性取決于強化相的數量、晶粒大小以及在基體非晶相中的分布狀況，強化相數量越多，粒度越小，分布越均勻，組織的耐磨性能就越好[8]。

2.4 涂層顯微硬度

經過傳統熱處理的基體材料表面硬度在 450 HV1（kg/hm2）左右，而未經任何熱處理的基體材料硬度在280 HV1左右。由圖4可見，鐵基涂層硬度（720～820 HV1）明顯高于基體硬度（280～320 HV1），最高能達到820 HV1。涂層平均硬度在700 HV1左右。鐵基涂層硬度較高，一方面因為激光熔覆屬于快速凝固過程，強化相阻止晶粒生長，從而使晶粒細小、組織致密，形成細晶強化；另一方面，高硬度的Fe2Si、SiC和Fe19Ni等硬質強化相彌散分布，而形成硬質構架，保護熔覆層；熱影響區鐵基涂層顯微硬度高于基體，是因為基體受到高溫并快速冷卻，奧氏體轉變為馬氏體，從而使其硬度低于鐵基涂層[9]。

2.5 涂層的耐磨性

2.5.1 熔覆試塊磨損規律及磨損性能測試圖5為專門設計的磨粒磨損實驗臺，為了更好地反映涂層的耐磨性能，在實驗臺上分別安裝未經過熱處理的基材試塊和經過熔覆處理的試塊進行摩擦磨損試驗。為了清除試塊上的污垢，將試塊放入丙酮溶液中清洗2～5 min，吹干，用精度為1 mg的電子天平稱其質量，以此來確定試塊在各個磨損階段的質量損失情況。

母材試塊和熔覆試塊的原始質量分別為26.082、21.247 g。圖6中2條曲線分別是2個試塊在各個時間段的磨損量，橫坐標也對應相應的磨損時間，每2個點之間的時間段是6 h。從圖6可以看出，隨著時間遞增，2個試塊的磨損量也相應增加，但母材試塊的磨損量明顯高于熔覆試塊。在經過6 h的磨合階段后，2個試塊相繼進入穩定磨損期，其間母材試塊的磨損量增幅明顯高于熔覆試塊；大約40 h后進入劇烈磨損期，在這一階段母材試塊的磨損量急劇增加，而熔覆試塊的磨損量趨于穩定，變化幅度較小。該磨損規律表明，通過激光熔覆處理后的試塊表面組織得到了細化，表面硬度也明顯提高，在磨損過程中能夠有效抵抗磨粒進入材料表面，從而降低磨損量，使熔覆試塊的耐磨性優于母材試塊。最后，經過大約48 h、磨損300 km后，2個試塊的磨損質量分別為28、9 mg。

2.5.2 熔覆試塊磨損面形貌分析磨損性能測試完成后，從2個試塊磨痕中分別切出面積為10 mm×10 mm的小試塊，并在顯微鏡下觀察磨粒磨損過程中的磨痕形貌。由圖7、圖8可見，母材試塊的表面犁溝和劃痕比較深；而熔覆試塊表面劃痕較淺、細密，而且呈光滑均勻態，表現出很好的耐磨性能。這些犁溝和劃痕是土壤中硬質顆粒和細小黏性土塊在金屬表面滑滾時微觀切削和刮擦作用造成的[10]。熔覆試塊表面只有少量輕微的磨痕，主要是受涂層中硬質相的影響，砂粒的顯微切削作用減小，使熔覆層耐磨性增強、磨損降低。

3 田間試驗

根據以上工藝參數，在刀刃上進行鐵基合金粉末激光熔覆（圖9）。把經過傳統熱處理的旋耕刀以及熔覆后的旋耕刀安裝在同一輛旋耕機上，進行田間試驗。讓旋耕機運行一定時間后分別稱量2種旋耕刀的磨損量，檢驗其工作性能及耐磨性。測量數據如表1所示。

4 結論

（1）熔覆層與基體材料之間形成了牢固的冶金結合，且熔覆層無明顯氣孔、裂紋現象。

（2）激光熔覆層維氏硬度可達到820 HV1，基體的平均硬度為280 HV1，明顯高于基體硬度。

（3）經過熔覆處理后的旋耕刀耐磨性能明顯高于傳統熱處理的旋耕刀。

參考文獻：

[1]陳卓君，張祖立，李柏姝，等. 旋耕刀表面激光強化工藝參數的研究[J]. 潤滑與密封，2009，34（1）：63-66.

[2]李合非，許斌，劉念聰. 中錳球墨鑄鐵旋耕刀的熱處理工藝[J]. 現代鑄鐵，2001（2）：38-40.

[3]孫景福，王素君，丁勇. 電弧噴涂65 Mn工藝及其耐磨性研究[J]. 遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2001，20（2）：218-221.

[4]趙玉鳳，王宏宇，王榮，等. 旋耕刀用65 Mn鋼表面滲鉻工藝優化及其耐磨性研究[J]. 農機化研究，2012，34（10）：156-160.

[5]陳浩，潘春旭，潘鄰，等. 激光熔覆耐磨涂層的研究進展[J]. 金屬熱處理，2002，27（9）：5-10.