深松鏟尖等離子堆焊涂層組織結(jié)構(gòu)及性能研究

董升濤，胡軍，李慶達

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

深松鏟尖等離子堆焊涂層組織結(jié)構(gòu)及性能研究

董升濤，胡軍，李慶達

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

磨損是深松鏟尖失效的主要原因，造成材料的巨大損失。利用等離子弧堆焊技術(shù)在深松鏟尖制得鐵基-碳化鎢復(fù)合涂層材料，增大耐磨性以延長其使用壽命。研究不同比例WC粉末的鐵基合金的硬度、顯微組織、在田間的摩擦磨損性能及WC粉末比例對顯微組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明：堆焊層中無裂紋、氣孔等缺陷；涂層組織包括樹枝晶和枝晶間多元共晶組織；在相同的試驗條件下，堆焊涂層的耐磨性明顯高于普通深松鏟尖，且深松鏟尖的耐磨性隨著碳化鎢質(zhì)量分數(shù)的增加而增強；當(dāng)碳化鎢含量在40%時，堆焊層的硬度和耐磨性能最強，初始碳化鎢顆粒的沉淀和熔解并與鐵基合金元素發(fā)生相互作用形成共晶組織、長條狀沉淀物是增強耐磨性的原因。

等離子堆焊；鐵基-碳化鎢合金；WC粉末比例；顯微組織

深松作業(yè)是少耕、免耕農(nóng)作的一種重要模式，保護性耕作已經(jīng)成為國際農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢［1］。深松作業(yè)可以使作物大幅增產(chǎn)，然而，由于土壤的磨料磨損而導(dǎo)致深松機關(guān)鍵部件---深松鏟尖的磨損失效過快問題一直未能得到很好的解決。目前，國內(nèi)外學(xué)者正加緊對深松鏟尖等農(nóng)業(yè)觸土關(guān)鍵部件的耐磨性研究，國外普遍采用耐磨復(fù)合鋼材，我國主要使用65Mn鋼、85MnTiRE等材質(zhì)。國外進口鏟尖較貴，如凱斯聯(lián)合整地機單個鏟尖275元，國內(nèi)相對便宜，但每個鏟尖也需150元，對農(nóng)戶而言仍是不小開支。試驗中鐵基合金-碳化鎢復(fù)合涂層材料母材選用球墨鑄鐵深松鏟尖。因其澆鑄工藝簡單，鑄鐵容易得到且價格低廉，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到青睞。球墨鑄鐵深松鏟尖單個成本為20元，有較好塑性及韌性，但硬度較進口鏟尖與國產(chǎn)65Mn鋼等材質(zhì)制作的鏟尖低，使用周期短，在使用后期，鏟尖嚴重變形，鏟刃變厚，造成拖拉機油耗變大。通過在球墨鑄鐵表面制備堆焊涂層增大其耐磨性能，以期達到與進口鏟尖同樣的使用效果。

等離子堆焊技術(shù)熱源能量高，焊層凝固過程短，容易獲得細晶組織，具有稀釋率低、熔敷率高、熱影響區(qū)窄、噴焊粉末可選范圍廣等優(yōu)點［2-3］。閥門、煤礦機械、石油機械等機械部件［4-5］經(jīng)常應(yīng)用于工況苛刻的條件下，部件耗量極大，因此等離子堆焊技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用以延長使用壽命。

碳化鎢（WC）是具有高硬度、良好穩(wěn)定性的硬質(zhì)材料，鐵基合金對碳化鎢有良好的潤濕性，碳化鎢與鐵基合金的潤濕角為零，且治得耐磨涂層具有良好的韌性［6］。碳化鎢在農(nóng)機耕作部件的應(yīng)用少。采用等離子堆焊技術(shù)在深松鏟尖上堆焊鐵基合金-碳化鎢復(fù)合涂層，研究碳化鎢含量對耐磨涂層的組織結(jié)構(gòu)及顯微硬度的影響。延長深松鏟尖的使用壽命以節(jié)省經(jīng)濟開支及節(jié)約資源，具有較大的應(yīng)用價值。

1 試驗材料與方法

1.1 粉末原料

試驗所用基體材料為蠕墨鑄鐵深松鏟尖?；w合金為自熔性合金粉末Fe90，其成分見下表。鐵基自熔性合金粉末成分為:13.6Cr，1.6B，1.1Si，0.815C，余量Fe；篩號：-150～+150。

復(fù)合材料中添加的碳化鎢合金粉末質(zhì)量分數(shù)分別為0、10%、20%、30%、40%、50%，相應(yīng)的涂層試樣標(biāo)號分別為WC0、WC1、WC2、WC3、WC4、WC5。

1.2 堆焊試驗參數(shù)及過程

將碳化鎢粉末按不同比例摻入Fe90合金粉末，并以未摻入碳化鎢的Fe90合金作為對照。將配比的合金粉末置于200℃下進行4 h的熱處理。采用等離子堆焊機進行堆焊，焊接參數(shù)為：電流78 A（其中加入質(zhì)量分數(shù)30%和40%碳化鎢粉末的堆焊電流為82 A），堆焊速度66 mm·min-1，送粉氣流量為32 g·min-1，保護氣流量為8 L·min-1。堆焊后迅速將堆焊深松鏟尖放在高溫實驗電爐中緩冷至室溫，將堆焊鏟尖截取橫截面試塊，經(jīng)研磨、拋光后腐蝕，腐蝕試劑為4%硝酸酒精溶液。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 堆焊層的微觀組織

圖1示出不同碳化鎢粉末含量下的堆焊層組織。圖1（a）為未添加WC粉末的鐵基合金堆焊層組織結(jié)構(gòu)。由圖1（a）看出，堆焊層組織主要由馬氏體加殘留奧氏體及少量的硬質(zhì)相組成?？煽吹蕉押笇又写嬗写罅康膱A球狀組織，且分布有粗大且方向性很強的馬氏體枝晶組織。枝晶結(jié)構(gòu)主要含有Fe、Si、B、Cr，枝晶間組織為鐵素體。

圖1（b）（c）（d）（e）為不同碳化鎢含量堆焊層的組織結(jié)構(gòu)。高能等離子束熱源溫度為12 000℃，WC粉末熔點為2 800℃，在高能等離子束的作用下一部分WC顆粒會熔解，碳化鎢顆粒發(fā)生熔解的最低溫度為1 250℃［7］。當(dāng)溫度達到1 250℃后鐵基碳化鎢粉熔化成液體，碳化鎢顆粒處在溶液狀態(tài)下鐵基合金的包裹之中，隨后發(fā)生2WC=W2C+C反應(yīng)，WC熔解加速。熔解的碳化鎢分解為W2C和C，熔解同時伴隨著擴散。這些熔解的W、C元素會和鐵基合金中的Fe、Cr、B等元素發(fā)生作用，形成低熔點的碳化物共晶組織，因熔池內(nèi)高速對流會使這些共晶組織以游離態(tài)形式存在于熔池中而后冷卻析出，進而影響堆焊層原有組織結(jié)構(gòu)。

當(dāng)添加WC質(zhì)量分數(shù)為10%時，由圖1（b）可看出堆焊層組織形態(tài)與Fe90合金組織存在較大差異，堆焊層中出現(xiàn)了深色的樹枝狀組織，涂層組織出現(xiàn)了較多的γ-Fe枝晶組織粗化，說明了WC的熔解使小部分W元素溶入了γ-Fe枝晶中。

圖1（c）為碳化鎢含量20%時的組織結(jié)構(gòu)圖。堆焊層組織主要仍為樹枝晶，但出現(xiàn)了較多的枝間共晶組織。

而碳化鎢含量增加到30%時，如圖1（d）可看出堆焊層組織與先前組織又有所差異。圖1（b）中的樹枝狀共晶組織消失，而出現(xiàn)了很多淺色塊狀組織，涂層中出現(xiàn)了更多并粗化的γ-Fe枝晶組織。

圖1（e）為碳化鎢質(zhì)量分數(shù)為40%的堆焊層的組織形態(tài)。可看出涂層組織由樹枝晶、枝晶間多元共晶組織以及初始WC顆粒組成，且堆焊層組織中γ-Fe進一步粗化、均勻，晶間分布碳化物共晶組織，共晶組織周圍分布較多塊狀析出物。堆焊慢冷過程中，因W2C、C的熔解比重較大，會原位生成WC和W2C共晶析出相，如圖（e）中出現(xiàn)的黃色沉淀相。處于過飽和狀態(tài)的碳和鎢與鐵基合金中Si、Cr等元素相互作用，生成相當(dāng)部分的初生相樹枝晶Fe3W3C和Fe6W6C［8］，為圖中金黃色組織周圍觀察到長條狀結(jié)構(gòu)。

碳化鎢含量增加到50%，圖1（f）所示，堆焊涂層中布滿塊狀共晶組織，為Fe3W3C等強化相及WC和W2C共晶析出相。

碳化鎢的熔解勢必降低其在堆焊層中的體積分數(shù)和顆粒完整性，削弱了顆粒的增強效果［9］，但適度的熔解可以使棱角的碳化鎢顆粒變得圓滑，減小應(yīng)力集中。增強了涂層與基體的結(jié)合，減小涂層脫落的機會。碳化鎢分解物析出相增強起到硬質(zhì)顆粒作用，與其余元素結(jié)合形成共晶。

圖1 不同碳化鎢含量涂層金相組織Fig.1Coating microstructure of different tungsten content

2.2 堆焊涂層的顯微硬度

圖2為不同碳化鎢含量的顯微硬度變化曲線。如圖，F(xiàn)e90+10%WC堆焊層的顯微硬度曲線，整體硬度平均值為388.21 HV。硬度值較Fe90合金的342.09 HV高。說明組織中的γ-Fe枝晶組織已起作用。Fe90+20%WC堆焊層的顯微硬度曲線，整體硬度平均值為570.9 HV，硬度值增幅較大源于枝間共晶組織的形成。此時碳化鎢含量的增加對提升涂層硬度值效果明顯。Fe90+30%WC堆焊層的顯微硬度曲線，由于碳化鎢含量的增加，曲線達到硬度峰值陡度減小。說明碳化鎢在涂層中的分解和彌散更均勻。Fe90+40%WC堆焊層的顯微硬度曲線，硬度最高值達840.62 HV，為基體的4.41倍，WC及分解物所形成的硬質(zhì)相已起主體作用。鐵基-碳化鎢涂層硬度峰值均出現(xiàn)在堆焊層中部區(qū)域，是因為碳化鎢的聚集及Fe3W3C等強化相的形成。

3 田間耐磨性試驗

對于實用價值較大的農(nóng)機深松鏟尖，驗證其堆焊耐磨性理想方案是將其放在田間工況條件下進行實地試驗，試驗指標(biāo)為鏟尖抗耐磨性能，即鏟尖在單位時間內(nèi)所磨損重量越小其耐磨性能越佳。2014年10月份，在黑龍江農(nóng)墾北安局龍鎮(zhèn)農(nóng)場進行田間試驗，土壤相對含水率為60.7，屬黏性土。土壤堅實度為250 Pa。由凱斯385拖拉機牽引凱斯730B型聯(lián)合整地機進行試驗。聯(lián)合整地機作業(yè)參數(shù)：拖拉機行駛速度為10 km·h-1，730B型聯(lián)合整地機幅寬：5.3 m。

圖2 混合粉末噴焊層硬度曲線Fig.2Hardness curve of mixed powder spray layer

單個鏟尖作業(yè)公頃數(shù)公式：

因此，單個鏟尖作業(yè)量公式：

在規(guī)定時間內(nèi)將深松鏟尖卸下用水清洗并逐一測量。下圖為不同碳化鎢含量的深松鏟尖的磨損情況。如圖，0～24 h為預(yù)磨損，預(yù)磨損是因為堆焊深松鏟尖表面留有堆焊殘渣及微小不牢靠處會影響測量結(jié)果。24 h后進入磨損常態(tài)。Fe90合金及Fe90+10% WC鏟尖兩條磨損曲線較為相近。Fe90合金磨損曲線，單位時間內(nèi)鏟尖磨損量峰值為13.4 g，平均磨損量為9.8 g，較Fe90+10%WC鏟尖磨損量9.05 g大。由圖可看出，F(xiàn)e90+20%WC、Fe90+30%WC、Fe90+ 20%WC三條曲線，隨著碳化鎢含量的增加，鏟尖磨損量逐漸減小。Fe90+40%WC磨損曲線，進入磨損常態(tài)，鏟尖平均磨損量為5.41 g，磨損曲線值趨于平緩。Fe90+50%WC磨損曲線，磨損試驗38 h，鏟尖磨損量增加至50.9 g，出現(xiàn)此現(xiàn)象原因是鏟尖前部涂層與基體成塊搬落（圖4），磨損后期仍有涂層脫落，鏟體裸露在外，磨損增大。

磨損曲線愈平穩(wěn)，說明涂層穩(wěn)定性更強，耐磨性能得到提高。堆焊涂層深松鏟尖整體外觀完好，尤其當(dāng)WC添加量為40%時，鏟體及堆焊層共磨損63.1 g，按此計算，在涂層完全消磨之前，單個鏟尖仍可使用100 hm2。

WC添加量為50%的深松鏟尖，由于WC含量過高，復(fù)合材料之間的熔合質(zhì)量下降，影響硬質(zhì)相與基體的結(jié)合，磨粒的撞擊和切削作用使硬質(zhì)相被“連根拔起”，摩擦副間持續(xù)的接觸壓力和滑動速度導(dǎo)致剝落磨損［10］。

圖3 深松鏟尖磨損曲線Fig.3Wear curves of subsoiler tip

圖450 %碳化鎢含量深松鏟尖磨損圖Fig.4Wear map of 50%tungsten content subsoiler tip

4 結(jié)論

（1）在深松鏟尖表面堆焊添加WC的鐵基合金，有效強化深松鏟尖表面強度，獲得與基體呈冶金結(jié)合的堆焊層。

（2）堆焊添加WC鐵基合金的鏟尖耐磨性隨著碳化鎢含量的增加而增大。碳化鎢添加量為40%鏟尖耐磨性能最佳，是堆焊Fe90合金鏟尖的1.8倍。碳化鎢含量增至50%時，涂層硬度增大，但結(jié)合強度不佳，出現(xiàn)涂層與基體脫落問題。

（3）深松鏟尖表面堆焊涂層硬度最高可達840.62 HV，高于基體硬度（190.52～218.47 HV）。

［1］張海林，高旺盛，陳阜，等.保護性耕作研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及對策［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，10（1）：16-20.［2］鄧德偉，陳蕊，張洪朝.等離子堆焊技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.機械工程學(xué)報，2013，49（7）：106-112.

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［5］汪瑞軍，黃小鷗.等離子粉末堆焊技術(shù)在石化工業(yè)的應(yīng)用［J］.焊接學(xué)報，2003，26（1）：24-26.

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Structure and Properties of Surfacing Coatings Subsoiler Sharp Plasma

Dong Shengtao，Hu Jun，Li Qingda
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Wear is the main reason for a sharp subsoiler failure and results in huge loss of material.Plasma arc welding technology in subsoiler tip was obtained to increase wear resistance to extend the life.The different proportion WC of iron-based alloy powder，friction and wear performance in the field and influence of WC powder proportion of microstructure were studied.The results showed that the surfacing alloy layer thickness and had no cracks and other defects，and the coatings included dendrites and interdendritic eutectic diverse.In the same experimental conditions，the surfacing coating was significantly higher than normal wear sharp shovel and shovel with the sharp carbide，and wear of shovel increased with fraction of tungsten enhancing.When tungsten content 40%，the hardness and wear resistance of weld overlay was the strongest，and the interaction of tungsten carbide precipitation and melting between particles and formation of eutectic alloy elements organization/strip precipitate was reason to enhance the wear resistance.

plasma surfacing；Iron base-tungsten alloy；WC powder proportion；microstructure

S232.9

A

1002-2090（2016）04-0085-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.019

2015-04-01

大規(guī)模優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)全程技術(shù)及裝備研究與示范（2014BAD06B01）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（20122305120005）；黑龍江省普通高等學(xué)校重點實驗室開放課題（hljbyndgc2013010）。

董升濤（1989-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2012級碩士研究生。

胡軍，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：gcxyhj@126.com。