Peter Tommy Nielsen, Carsten Jensen, FORCE Technology Denmark Carsten Jensen, Paul Br?sel, M?lbro A/S

本文的測試研究結(jié)果由M?lbro A/S提供資金資助完成。M?lbro A/S在生產(chǎn)犁頭等農(nóng)業(yè)耕具領(lǐng)域擁有多年的豐富經(jīng)驗，該公司在國際上也有一定知名度。

在2013年，M?lbro希望找到一種更好的犁頭制造方法，因此他加入了FORCE Technology，在丹麥的科學(xué)、技術(shù)、創(chuàng)新機構(gòu)所提供的技術(shù)方案的幫助下共同開展研究[1]。從雙方各自大量的技術(shù)知識中得到啟示，M?lbro和FORCE Technology發(fā)明了一種新的制造方法，這種方法可以在不降低產(chǎn)品質(zhì)量的情況下提高生產(chǎn)效率，這也是公司一直在追求的目標。

為了達到這一目標，采用電弧噴涂代替堆焊技術(shù)是最佳的制造方法。這項解決方案仍采用M?lbro原來所用的材料，但改變了具體的制造工藝。

FORCE Technology的機械檢測結(jié)果表明該種制造方法是可行的，但這還不能作為最終結(jié)果，直到M?lbro完成在自定的實際應(yīng)用條件下進行的極端磨損檢測后才能下定論，才可以證明這項新的制造方法能夠生產(chǎn)更耐用的產(chǎn)品。

本文除了針對犁頭那些常見的重要性能外，更主要的是研究熱噴涂的工藝流程及其更高的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)制造方法中的工藝流程會有若干多余的加工步驟，造成額外的經(jīng)濟損失。

1 實驗

1.1 噴涂工藝和設(shè)備

在商業(yè)上應(yīng)用的MAG堆焊工藝是由x-y方向的機械設(shè)定協(xié)同控制的。這一設(shè)定可以同時噴涂一定數(shù)量的彈匣框。通過更高效的加工工藝可以加快進程。

因此選擇雙線電弧噴涂工藝來代替MAG堆焊工藝，特別是選用METCO 4RC系統(tǒng)[2]。人工手動嘗試了所有的噴涂工藝后，發(fā)現(xiàn)在后一階段使用全自動的雙線電弧噴涂工藝具有很大的優(yōu)勢。

1.2 噴涂材料

兩種工藝所選用的噴涂材料都是固定不變的，以保證元件產(chǎn)量合理且獲利。

所用的噴涂材料是市售的直徑為1.6毫米的Corthal WT 65 TC1電焊絲[3]。這種焊絲用于堆焊，能防止包括塵土在內(nèi)的礦物質(zhì)污染。在堆焊過程中，生成的一次碳化物和共晶凝固的碳化鉻起到了耐磨作用。一次碳化物包括碳化鉻、碳化鉬、碳化鈮、碳化鎢和碳化釩。

1.3 實驗

因為在這項研究中所要考慮到的一個重要因素就是簡便，所以在指定的條件下只做了少量實驗來代替噴涂工藝后的性能測試。測試的內(nèi)容包括：涂層厚度；表面粗糙度；基體材料的轉(zhuǎn)變方式，比如是急劇轉(zhuǎn)變還是平穩(wěn)過渡；彎曲實驗；抗沖擊能力。

產(chǎn)品要在實際使用之前進行測試，特別是在一些農(nóng)業(yè)的實際應(yīng)用上，如犁頭尖端和耙齒，如圖1所示。

圖1 實際應(yīng)用中磨損實驗測試Fig.1 Alternative coating method subjected to M?lbro's own test, an extreme wear test, under which the components are exposed to actual use in a fi eld,selected by M?lbro

初步測試所選的基體材料是一種標準的硬化硼鋼。M?lbro的鋼適用于熱處理工藝，包括硬化處理，但是在這種情況下，經(jīng)過硬化處理過的鋼成本較高。所有的試樣片都要進行標準化的除油和噴砂處理。本文測試了基體與涂層之間的急劇轉(zhuǎn)變或平穩(wěn)過渡的轉(zhuǎn)變方式，這種轉(zhuǎn)變方式與材料的耐用性無關(guān)，只是視覺效果的不同。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本工藝流程和涂層性能

當(dāng)雙線電弧噴涂設(shè)備使用M?lbro選擇的噴涂絲時，所得到的涂層性能非常好。為了在高速生產(chǎn)的情況下得到致密平滑的涂層表面，需要選用合適的噴涂工藝參數(shù)。噴涂工藝流程可以很容易的實施監(jiān)控，所得的四種涂層試樣如圖2所示。為了獲得適宜的產(chǎn)量并逐漸降低涂層表面粗糙度，在進一步的實驗中，要控制一種變量參數(shù)進行研究。

圖2 試樣中所選擇的工藝參數(shù)如下：150A；30V；加壓車間標準大氣壓；一級二級污染標準指數(shù)是60。

當(dāng)在做簡單彎曲實驗時，將待測涂層試樣置于一個薄鋼板上評估其裂紋形成和散裂程度。彎曲度為180（°）時只能在試樣邊緣看到少量裂紋，但是這些裂紋不會沿著邊緣擴展，實驗中沒有出現(xiàn)散裂。

準備厚度為1.5毫米和3毫米的涂層試樣片，之后用虎頭鉗固定住試樣，從所有可能的角度用力錘擊試樣來測試這些試樣的抗沖擊性能，這將同時導(dǎo)致涂層和基體的變形。當(dāng)基體嚴重變形時，涂層和基體間的過渡區(qū)會出現(xiàn)散裂，此時涂層就會散落，用鑿子鑿擊試樣也會出現(xiàn)散裂。

2.2 實驗結(jié)果分析

之前測得的實驗數(shù)據(jù)可以顯示出可喜的成果，針對以下組件設(shè)置實驗參數(shù)：a、犁頭尖端；b、耙齒。

M?lbro在已設(shè)定好的農(nóng)耕條件下進行現(xiàn)場測試，眾所周知現(xiàn)場環(huán)境存在塵土。將噴涂后的組件與原始組件一起測試進行對比。

組件測試結(jié)果（a）犁頭尖端：通過目測可以總結(jié)出，雙線電弧噴涂后的犁頭尖端比原始部件磨損得快。

由于劇烈的磨損和重擊會對所有的熱噴涂涂層造成破壞，因此發(fā)明出了犁尖，它可以承受劇烈的磨損、直接的重擊和高溫。熱噴涂層的特性，諸如局部結(jié)合性差、多孔等都可能會增加磨損的幾率，這也就導(dǎo)致所有熱噴涂形成的顆粒或薄片都存在磨損的風(fēng)險。以上結(jié)果就可以說明這一問題，只有3毫米厚的組件b可以進行測試。

組件測試結(jié)果（b）耙齒：雙線電弧噴涂后的耙齒與原始部分對比，在一定程度上會有相同或較小的磨損量，會有少得多的無意義的磨損。如圖3所示。

圖3 測試耙齒：A）3毫米涂層厚度平滑過渡到襯底；B）3毫米涂層厚度尖銳過渡到襯底；C）無涂層Fig.3 Tested harrow teeth：A)3 mm coating thickness and smooth transition to substrate；B)3 mm coating thickness and sharp transition to substrate；C)original part

耙齒也要承受住劇烈的磨損、直接的沖擊、高溫和重載，只不過沒施加在犁尖上的負載那么強烈而已有。然而在敲擊石塊和巖石等硬物時，耙齒還要具有一定的抗震性。

上述結(jié)果并未得出一個統(tǒng)一的結(jié)論，所以我們對組件a做了一些調(diào)整，比如優(yōu)化雙線電弧噴涂工藝或者選用一種更好的噴涂材料。從M?lbro的評價中可以看到，還需要大量的努力才能使組件a正常工作。然而，這也可以說明組件c很接近一種用于雕刻的設(shè)備，由于加工過程中產(chǎn)生的變形問題，堆焊技術(shù)不適合加工原始組件。此外，增加設(shè)備的使用壽命并不是一個可以獲利的方法。對于增加使用壽命這個設(shè)計，雙線電弧噴涂工藝也試驗成功。

2.3 冶金意見

堆焊顯微結(jié)構(gòu)的代表組成部分如圖4所示。結(jié)合使用掃描電鏡背散射和掃描電鏡-能量色散X射線分析技術(shù)，探究堆焊層中所選物相的化學(xué)組成。結(jié)果顯示成分中含有碳化鉻、碳化鈮、碳化鎢以及富鋁氧化物。圖4揭示了堆焊層中含有大量的碳化鉻，而碳化鉻會促進磨粒磨損的發(fā)生。除去這項研究的框架，實驗計劃利用掃描電鏡-能量色散X射線分析技術(shù)映射碳化物的形成分布。

圖4 堆焊層顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Representative part of the hardfacing microstructure and SEM backscatter technique and SEM-EDX revealing relatively large Chromium carbides in the upper right corner

為了表征犁頭上的耐磨堆焊層，我們進行了冶金檢測和硬度測試。冶金檢測的目的就是為了表征堆焊層中的孔隙體積分數(shù)和碳化物析出量。能量色散X射線分析和掃描電鏡背散射檢測都需要用到掃描電子顯微鏡，來分析確定成分的體積分數(shù)。

一定的孔隙體積分數(shù)也可以表征堆焊層的性質(zhì)，在某種程度上這也影響了堆焊層的磨粒磨損性能。使用掃描電鏡背散射可以測得孔隙體積分數(shù)，測試結(jié)果顯示，在堆焊層中有3%～4%的孔隙率，如圖5所示。

圖5 涂層孔隙率圖，綠色的區(qū)域表示的孔隙；孔隙率：3.23%Fig.5 Evaluation of the porosity volume fraction,where green coloured areas represent porosity, in this case resulting in 3.23% porosity

堆焊層的硬度和抗磨粒磨損性能之間有很大的聯(lián)系，因此，要對犁頭堆焊層橫截面的硬度進行測量。根據(jù)HV0.3單位的維氏法測試堆焊層中孔洞的硬度，雖然多孔材料的硬度測量具有不確定性，但結(jié)合對測量不確定性的負載影響，測試結(jié)果顯示堆焊層的平均硬度值是838HV0.3。為了進行比較，用堆焊焊接圖3中的C試樣，得到的平均硬度值是766HV0.3?；谟捕鹊奶岣呖梢缘玫揭粋€直接的比較，就是使用雙線電弧噴涂后的涂層硬度比堆焊層的硬度提高了9.4%。

MAG堆焊工藝制造的均勻涂層屬于冶金結(jié)合。但同時也發(fā)現(xiàn)如氣穴和裂紋形成的孔隙等缺陷，。這些缺陷不同程度的分布在整個MAG堆焊層中，如圖6所示。這表明優(yōu)化的工藝流程與產(chǎn)品產(chǎn)量和后-處理后可能出現(xiàn)的材料敏感性有關(guān)。

2.4 生產(chǎn)潛力的評估

用雙線電弧噴涂工藝將Corthal圖層材料噴涂到M?lbro的元件上顯示出了很可喜的結(jié)果。本文主要目的是找到一種可以替代堆焊的方法來更好地提高生產(chǎn)力。表1給出了MAG堆焊和雙線電弧噴涂兩種加工工藝的區(qū)別。

圖6 MAG堆焊層中裂紋的形成和空隙圖Fig.6 Crack formation and voids in the MAG welded coating

表1 生產(chǎn)工藝比較Table 1 Production process comparison

從表1所列的情況可以很明顯的看出，雙線電弧噴涂工藝能夠顯著提升生產(chǎn)速率。此外，更低的基板需求可以在某種程度上降低成本。

后期處理對于焊接工藝非常重要，就如同前期處理對熱噴涂工藝一樣重要。但是考慮到生產(chǎn)速率和成本，雙線電弧噴涂工藝更有吸引力，因為使用雙線電弧噴涂工藝后的產(chǎn)量會有顯著提高。結(jié)合更節(jié)省成本的基板和所省去的不必要的后處理過程這些生產(chǎn)優(yōu)勢，使得雙線電弧噴涂工藝更具商業(yè)優(yōu)勢。

非公募體育基金會不可以直接面向公眾開展慈善公益募捐活動募集資金，主要是通過向特定的自然人、法人和組織募集資金及確?；饡Y金保值增值的前提下，開展投資活動獲得資金，以此從事體育慈善公益事業(yè)。非公募體育基金會登記部門為省、自治區(qū)、直轄市及以上的民政部門，因不能面向公眾公開募集資金，所以資金來源無地域性限制。近年來，我國非公募體育基金會發(fā)展迅猛，截至目前，我國非公募體育基金會已有41家，占體育基金會的57.7%，已經(jīng)超過公募體育基金會。其中在民政部注冊的有2家，分別是桃源居公益事業(yè)發(fā)展基金會和薩馬蘭奇體育發(fā)展基金會，其余39家為地方民政部門注冊的公募體育基金會。

最后，關(guān)鍵的一點是雙線電弧系統(tǒng)的成本水平相當(dāng)于一個MAG堆焊系統(tǒng)。M?lbr?的設(shè)備可以在沒有任何巨大的調(diào)整和微小的投資下立即改變工藝流程。

3 綜述和結(jié)論

這項研究已經(jīng)顯示出使用雙線電弧噴涂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MAG堆焊工藝的可能性和潛能。此外，研究也表明在低預(yù)算項目中結(jié)合這種優(yōu)勢可能會獲得令人滿意的且滿足工業(yè)要求的成果。

基于M?lbro A/S既定的生產(chǎn)線，優(yōu)化后的噴涂工藝用于農(nóng)業(yè)元件的生產(chǎn)。結(jié)果表明，在實驗室的測試環(huán)境與現(xiàn)場測試下的結(jié)果相同。特別是，制造商M?lbro使用雙線電弧噴涂工藝所得結(jié)果和傳統(tǒng)工藝比較起來效果一樣好，甚至更好。

由于一些極端條件，測試結(jié)果表明熱噴涂工藝不適合加工所有組件，但包含了組件中的大多數(shù)。

雙線電弧噴涂工藝具有更高的生產(chǎn)率和更低的成本，可以顯著提高生產(chǎn)效率，能比傳統(tǒng)工藝高出5倍，靈活性也能符合特殊基板的要求。

除噴涂工藝外，一般生產(chǎn)過程中的所有工藝參數(shù)都是不變的，在工藝設(shè)備只有很少投資的情況下，噴涂工藝有可能進行立即轉(zhuǎn)變。

熱噴涂層在一個區(qū)域內(nèi)的孔隙率為3%～4%。

4 前景展望

這項研究是根據(jù)M?lbro的客戶需求開展的，包括降低成本、延長使用壽命和美化涂層外觀等。的確，熱噴涂層與堆焊層相比具有更好的外觀和更低的成本。但是，考慮到質(zhì)量和使用壽命的延長，要對材料進行一個系統(tǒng)的研究來確定涂層材料最佳的組成。用電弧噴涂替代堆焊可能也對檢測特定的地質(zhì)地球組成有益，它可以改善磨損率，這一點在全世界已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。