旋耕刀表面激光熔覆鐵基涂層的組織性狀及耐磨性

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(shù)在旋耕刀表面制備鐵基涂層；借助金相顯微鏡、數(shù)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(jié)果表明：在優(yōu)化工藝參數(shù)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(yōu)于基體。田間試驗表明，經(jīng)熔覆處理后的旋耕刀耐磨性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱處理的旋耕刀。

關(guān)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(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0359-03

磨損在農(nóng)業(yè)機械作業(yè)中普遍存在，旋耕刀作為農(nóng)業(yè)機械工作中的一種觸土部件，由于作業(yè)時長期承受土壤磨損和交變應(yīng)力的作用，基體內(nèi)部的冶金、加工缺陷等部位易形成應(yīng)力集中，造成局部損傷，弱化基體，導(dǎo)致基體很快被報廢，不僅嚴(yán)重影響翻地的質(zhì)量和效率，而且浪費大量的材料[1]。近年來，越來越多的學(xué)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(yōu)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(fù)雜、涂層易脫落、環(huán)境污染等弊端。激光熔覆是一種新興表面改性技術(shù)，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(jié)合、無環(huán)境污染等特點，并且強化效果好，被各個行業(yè)廣泛應(yīng)用[5-6]。本研究運用激光熔覆技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(xué)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(shè)備采用中國科學(xué)院長春光學(xué)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(shè)備優(yōu)化后的激光熔覆工藝參數(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)。采用日本理學(xué)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(jié)構(gòu)，并對涂層掃描結(jié)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(shù)顯自動轉(zhuǎn)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(shè)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(jīng)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(zhì)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(jié)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(qū)、界面、熱影響區(qū)和基體組成。在熔覆區(qū)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(dǎo)致基體和涂層沒有時間充分?jǐn)U散，但對界面良好的結(jié)合沒有影響。最佳工藝參數(shù)下的涂層呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)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(fā)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(xiàn)致密的冶金結(jié)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(nèi)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(nèi)的金屬要在很短的時間內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變，熔池迅速凝固，故形成的晶粒很細小，奧氏體的生長及轉(zhuǎn)變構(gòu)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(xué)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(shù)量、晶粒大小以及在基體非晶相中的分布狀況，強化相數(shù)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(jīng)過傳統(tǒng)熱處理的基體材料表面硬度在 450 HV1（kg/hm2）左右，而未經(jīng)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(zhì)強化相彌散分布，而形成硬質(zhì)構(gòu)架，保護熔覆層；熱影響區(qū)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(zhuǎn)變?yōu)轳R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(guī)律及磨損性能測試 圖5為專門設(shè)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(jīng)過熱處理的基材試塊和經(jīng)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(zhì)量，以此來確定試塊在各個磨損階段的質(zhì)量損失情況。

母材試塊和熔覆試塊的原始質(zhì)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(biāo)也對應(yīng)相應(yīng)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(yīng)增加，但母材試塊的磨損量明顯高于熔覆試塊。在經(jīng)過6 h的磨合階段后，2個試塊相繼進入穩(wěn)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(wěn)定，變化幅度較小。該磨損規(guī)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(yōu)于母材試塊。最后，經(jīng)過大約48 h、磨損300 km后，2個試塊的磨損質(zhì)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(tài)，表現(xiàn)出很好的耐磨性能。這些犁溝和劃痕是土壤中硬質(zhì)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(zhì)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(jù)以上工藝參數(shù)，在刀刃上進行鐵基合金粉末激光熔覆（圖9）。把經(jīng)過傳統(tǒng)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(shù)據(jù)如表1所示。

4 結(jié)論

（1）熔覆層與基體材料之間形成了牢固的冶金結(jié)合，且熔覆層無明顯氣孔、裂紋現(xiàn)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(jīng)過熔覆處理后的旋耕刀耐磨性能明顯高于傳統(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)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(yōu)化及其耐磨性研究[J]. 農(nóng)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.

[6]黃瑞芬，羅建民，王春琴. 激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2005，28（4）：57-59.

[7]胡 軍，張新洋，李慶達，等. 深松鏟尖等離子堆焊涂層的制備與性能研究[J]. 農(nóng)機化研究，2014，36（5）：205-207.

[8]馬向東，雷 雨，劉 睿. 激光熔覆合金技術(shù)在模具修復(fù)中的應(yīng)用[J]. 潤滑與密封，2010，35（11）：98-101.

[9]葉 宏，喻文新，劉承鑫，等. 30CrMnMoTi鋼表面激光熔覆NiCrBSi涂層的組織及耐磨性研究[J]. 激光雜志，2015，36（3）：111-113.

[10]陳卓君，張祖立. 激光硬化9SiCr表面土壤磨損研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報，2011，31（1）：84-87.