噴焊余溫淬火改善深松鏟尖鐵基涂層耐磨性

趙建國(guó)，李建昌，王 安，馬璐萍，郝建軍，張晉國(guó)，馬躍進(jìn)

0 引 言

在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的犁鏵、深松鏟、旋耕刀、耙片、開溝器、滅茬刀、斷根刀等觸土刀具，80%以上的失效是由于磨損造成的[1]。農(nóng)機(jī)觸土部件的早期失效，已經(jīng)成為影響作業(yè)效率、質(zhì)量及作業(yè)成本的關(guān)鍵問題。作為保護(hù)性耕作技術(shù)之一的深松技術(shù)，可以有效打破犁底層，使得耕作層、犁底層、心土層互聯(lián)互通，對(duì)于土壤透水透氣、蓄水保墑，促進(jìn)作物根系的良好發(fā)育、增收增產(chǎn)有重要的意義[2-5]。深松鏟作為深松作業(yè)的關(guān)鍵部件，長(zhǎng)期受到土壤的磨粒磨損作用，極易早期失效。為了改善深松鏟的耐磨性能，張金波等[6]基于仿生學(xué)原理，在深松鏟尖表面設(shè)計(jì)了類似櫛孔扇貝瓣的棱紋形結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果得出在不同的滑動(dòng)速度下65Mn、T10仿生試驗(yàn)樣件比平板型樣件的質(zhì)量磨損量分別減小了17%～30%、13%～24%；張新洋[7]采用等離子弧堆焊技術(shù)在深松鏟尖表面制備了Fe90堆焊層，堆焊后的深松鏟尖耐磨性是處理前的2.67倍，耐磨粒磨損性能顯著提高；焦仁寶等[8]采用CO2氣保焊-噴射送粉復(fù)合堆焊工藝，在深松犁鏟易損部位制備高鉻鉬合金堆焊層，耐磨料磨損性能比傳統(tǒng)深松犁鏟提高了2.38倍。王海淞等[9]利用氬弧熔覆技術(shù)在65Mn基體表面制備了 TiC增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層，熔覆后的深松鏟具有較好的耐磨性能。氧乙炔噴焊設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活、成本低，適合于Fe基、Ni基、Co基等自熔性合金粉末涂層的制備[10-11]。針對(duì)自熔性合金粉末，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用激光熔覆[12-15]、感應(yīng)熔覆[16-17]、等離子堆焊[18-19]、氬弧熔覆[20]等技術(shù)制備了性能優(yōu)異的合金涂層，并得到了一定程度的應(yīng)用。為進(jìn)一步提高Fe基涂層性能，屈平等[21-22]利用反應(yīng)等離子技術(shù)在Fe基上制備了Ti(C,N)- WC復(fù)合陶瓷涂層，硬度和耐磨性得到明顯提高。張劉杰等[23]研究了Fe2O3對(duì) Fe基合金組織和力學(xué)性能的影響，指出 Fe2O3促進(jìn)了顆粒強(qiáng)化和晶粒細(xì)化，力學(xué)性能得到提高。李明喜等[24]研究了VC對(duì)Fe基合金噴焊層組織及耐磨性的影響，結(jié)果表明，VC 的加入促進(jìn)了形核，細(xì)化了晶粒，提高了涂層硬度和耐磨性。黨淑娥等[25]研究了多次重復(fù)高溫加熱淬火對(duì)合金鋼非平衡組織的影響，指出兩次重復(fù)高溫加熱晶粒細(xì)化效果較好。張雨龍等[26]研究了回火溫度對(duì)Fe基合金組織與力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明回火溫度為 675 ℃時(shí)，涂層有較高的硬度和沖擊韌性。黃永俊等[27]研究了激光淬火和激光熔凝對(duì)農(nóng)機(jī)用 65Mn鋼組織和性能的影響，表明激光淬火后，淬火回火65Mn鋼表面硬度較高、心部基體具有一定的硬度和韌性。

為了提高材料表面的耐磨性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用激光熔覆、等離子熔覆、感應(yīng)熔覆、激光淬火等方法，并通過從細(xì)化晶粒提高涂層性能的角度從發(fā)，做了卓有成效的研究。但這些方法設(shè)備貴、成本高，工藝復(fù)雜、難以滿足深松鏟生產(chǎn)、使用要求。為此本文采用氧乙炔火焰噴焊工藝在Fe基體材料表面制備耐磨涂層，并利用噴焊后試件余溫進(jìn)行淬火處理。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基材為厚度不同的未經(jīng)熱處理45鋼板，制備2種不同的試件。試件一：30 mm×30 mm×8 mm（2個(gè)），用于顯微組織、物相、顯微硬度分析測(cè)試；試件二：加工近似鏟尖形貌，試件尺寸如圖1所示（2個(gè)），用于實(shí)驗(yàn)室模擬土壤磨料磨損試驗(yàn)。

圖1 磨損試件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of wear specimen

涂層材料為上海鑄宇材料科技有限公司銷售的鐵鉻鎳合金粉末（牌號(hào)Fe6，粒徑為53～150 μm），元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為C：0.8%，Cr：7.5%，B：4%，Si：2%，Ni：32%，F(xiàn)e：余量。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 噴焊涂層制備

對(duì)試件表面進(jìn)行噴砂處理，直至出現(xiàn)金屬光澤；然后用濃度為99.5%的丙酮溶液清洗噴砂處理后的表面，并用熱風(fēng)吹干。采用P6-2/h型氧乙炔火焰噴焊槍在45鋼基體表面制備鐵鉻鎳合金涂層。

噴焊工藝采用一步法噴焊，預(yù)熱溫度250～300 ℃，乙炔壓力為0.08 MPa，流量16 L/min；氧氣壓力為0.3 MPa，流量為16 L/min；噴涂距離約15 mm，噴焊槍噴嘴中心線與工件待噴表面保持垂直，角度為(90±5)°。噴焊前，將試件待噴表面平放并裝夾在鉗口上，使試件上表面距鉗口上表面 1.5 mm夾緊，然后實(shí)施噴焊，涂層厚度為(1.5±0.2) mm。

1.2.2 噴焊涂層余溫淬火處理

針對(duì)噴焊試件一和試件二，進(jìn)行噴焊未淬火處理（自然冷卻到室溫）和噴焊淬火處理（淬火后冷卻到室溫）。噴焊淬火處理即噴焊結(jié)束后，立即采用紅外線測(cè)溫儀（Raytek Infrared hermometer，Model:3ILMSC，Range:500～3 000 ℃）測(cè)量試件表面的溫度，當(dāng)溫度為800 ℃[28]，進(jìn)行油淬然后冷卻到室溫。

1.2.3 噴焊試件性能表征

對(duì)噴焊未淬火試件和噴焊淬火試件進(jìn)行取樣及金相制樣后，采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的NOVA NANOSEM 450型掃描電子顯微鏡（20～200萬倍，1.0 nm/15 kV）觀察涂層微觀組織形貌；采用美國(guó)公司生產(chǎn)的 EDAX-OCTANE PRIME型能譜分析儀對(duì)涂層進(jìn)行能譜分析；采用德國(guó)布魯克生產(chǎn)的D2 PHASER型XRD（X-ray diffraction）射線衍射儀（角度范圍：-3＜2θ＜160°）對(duì)涂層進(jìn)行物相分析；采用上海恒一精密儀器有限公司生產(chǎn)的MH-6型硬度計(jì)測(cè)試試件橫截面的維氏硬度（載荷為0.5 kg）。

1.2.4 噴焊試件耐磨試驗(yàn)

采用自制的土壤磨料磨損試驗(yàn)機(jī)（專利號(hào)：ZL-201520998176.0，ZL201521030760.3）測(cè)量試件二的磨損質(zhì)量，試驗(yàn)裝置如圖 2所示。試驗(yàn)機(jī)主要由試件夾具、合土裝置、壓實(shí)裝置組成，工作時(shí)，三者以一定速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，合土裝置將分開的土合攏，然后進(jìn)行壓實(shí)，恢復(fù)土壤的初始狀態(tài)。土壤為95%的石英砂(Φ1.5 mm)+5%的黏土，含水率為5%左右，轉(zhuǎn)速為45 r/min，每隔4 h，測(cè)試試件的磨損量，試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間為 32 h。磨損前后，將試件清洗干凈，吹干稱其質(zhì)量。

圖2 土壤磨損試驗(yàn)裝置Fig.2 Device of soil wear test

1.2.5 田間試驗(yàn)

取 4把河北農(nóng)哈哈機(jī)械集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的深松鏟尖，材料為65 Mn（淬火回火處理），其中2把采用本文試驗(yàn)方法在其表面制備1.5 mm厚的合金涂層并進(jìn)行淬火處理。將4把深松鏟尖稱質(zhì)量后同時(shí)安裝在深松機(jī)上，在河北肅寧張家莊村進(jìn)行田間試驗(yàn)，拖拉機(jī)時(shí)速為 4～5 km/h，作業(yè)面積為6.7 hm2，土壤多為砂壤土。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層橫截面形貌

圖 3為淬火后噴焊試件橫截面顯微形貌，呈現(xiàn)為涂層區(qū)、結(jié)合區(qū)、基體區(qū)，噴焊層和基體間形成一條過渡帶，部分區(qū)域呈齒牙狀[16,29]，如圖3中P、Q所示，說明該區(qū)域的液態(tài)合金與固態(tài)基體材料部分之間相互熔結(jié)擴(kuò)散，噴焊層與基體呈一定程度的冶金結(jié)合狀態(tài)。在噴焊過程中，凝固釋放的熱量多數(shù)向基體散去，結(jié)晶面緩慢向前推移，呈現(xiàn)平面帶狀[30]。

2.2 涂層表層顯微組織

圖4a為未淬火試件涂層顯微形貌。圖中硬質(zhì)相呈現(xiàn)長(zhǎng)桿狀、長(zhǎng)方塊狀、菱形塊狀、球狀及其他不規(guī)則顆粒狀，硬質(zhì)相粗大、分布比較雜亂。文獻(xiàn)[31-32]研究表明，50～150 μm的顆粒增強(qiáng)相易碎，可加速磨損。圖4a中長(zhǎng)桿狀硬質(zhì)相為100 μm左右，較粗大的碳化物韌性差、對(duì)基體具有割裂作用，裂紋敏感性強(qiáng)[33]，不利于耐磨性能的提高。圖4b為淬火后涂層的顯微組織形貌，表面彌散分布著類似塊狀 A，長(zhǎng)條形 B等物質(zhì)，顆粒狀物質(zhì)彌散分布。與4a圖相比，硬質(zhì)相尺寸明顯減小，約為5～20 μm，晶粒得到細(xì)化。由過冷理論可知，急冷對(duì)晶粒細(xì)化有促進(jìn)作用[34]。未淬火試件，試件噴焊完后空冷，相當(dāng)于正火，冷卻緩慢，高溫試件保持時(shí)間長(zhǎng)，試件中生成的碳化物擴(kuò)散容易，利于反應(yīng)、集聚長(zhǎng)大而形成粗大的碳化物；試件經(jīng)淬火后，冷卻速度快，元素?cái)U(kuò)散遷移困難，不利于碳化物的長(zhǎng)大，因此得到的碳化物細(xì)小、均勻。

圖3 淬火試件橫截面形貌（45鋼基體）Fig.3 Cross section morphology of quenched specimen (45 steel substrate)

圖4 合金涂層形貌（45鋼基體）Fig.4 Morphologies of alloy coating (45 steel substrate)

2.3 涂層物相

表1為淬火涂層能譜分析，圖5為未淬火涂層和淬火涂層物相分析。圖4b中A、B、C、D區(qū)域能譜分析結(jié)果如表1所示。A處的塊狀、B處的板條狀及C處的圓塊狀物質(zhì)主要由Fe、Cr、C、B、Ni、Si組成。文獻(xiàn)[30]研究表明，F(xiàn)e基合金堆焊層中，大量長(zhǎng)桿狀或多邊形塊狀物質(zhì)多為 Cr、Fe碳化物， 由元素分析可知，A、B、C區(qū)域可能為Cr23C6、Cr7C3、(Cr ,Fe)7C3、 Fe3C等Cr、Fe碳化物；D區(qū)域Fe、Ni含量較高，F(xiàn)e、Ni固溶體的可能性較大。

表1 淬火涂層能譜分析結(jié)果（45鋼基體）Table 1 Results of energy dispersive spectrometer of quenched coating (45 steel substrate) %

如圖5a圖所示，未淬火合金涂層主要由γ-Fe(Cr, Ni,C,Si)、（Fe, Ni）、(Cr, Fe)7C3、Cr23C6、Cr7C3、Fe2B、Fe3C組成。Cr7C3、(Cr, Fe)7C3初生碳化物的熔化溫度相對(duì)較高，冷卻過程中優(yōu)先析出；初生相析出后，合金熔池繼續(xù)冷卻，發(fā)生共晶反應(yīng)，γ-Fe析出。在奧氏體穩(wěn)定化元素Ni的作用下，部分γ-Fe來不及向α-Fe轉(zhuǎn)化，形成了γ-Fe(Cr,Ni, C,Si)固溶體，γ-Fe的形成有利于降低噴焊層脆性。圖 5b為淬火后涂層物相，物相成份基本與圖 5a相似，但碳化物、固溶體等峰值有所增加，說明淬火有利于碳化物析出和固溶體增加。FeNi3是涂層中粘結(jié)相的主要物相。

圖5 涂層XRD衍射圖譜（45鋼基體）Fig.5 X-ray diffraction(XRD) spectrum of coating (45 steel substrate)

2.4 顯微硬度對(duì)比分析

圖 6為涂層截面顯微硬度分布。未淬火噴焊涂層的顯微硬度平均約為700 HV；淬火后涂層表面顯微硬度最高接近 900 HV，平均硬度約為 800 HV；提高了約100 HV；淬火后基體硬度也得到了提高，約為未淬火基體硬度的 2倍。常規(guī)多晶體材料的強(qiáng)度（或硬度）隨晶粒尺寸的變化通常服從Hall-petch理論

式中σy為屈服應(yīng)力，σ0為單晶體屈服應(yīng)力，d為晶粒平均直徑，k為與材料相關(guān)的常數(shù)，晶粒越細(xì)小強(qiáng)度（或硬度）越高[35]。淬火后涂層組織得到細(xì)化，有利于材料硬度的提高；由于淬火的急冷作用，部分 C元素來不及擴(kuò)散，形成碳過飽和固溶體，過飽和固溶體導(dǎo)致基體材料位錯(cuò)密度增加、晶格畸變，形成固溶強(qiáng)化，是硬度增加的另一個(gè)重要原因。

圖6 噴焊層截面硬度分布（45鋼基體）Fig.6 Vickers hardness distribution of coating section(45 steel substrate)

2.5 磨損失重分析

為了模擬鏟尖土壤磨料磨損，測(cè)試涂層耐磨性能，在自制的土壤磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。圖7為未淬火涂層試件（45鋼基體）和淬火后涂層試件（45鋼基體）土壤磨粒磨損失質(zhì)量對(duì)比。未淬火涂層平均磨損質(zhì)量約為0.35 g，淬火涂層平均磨損質(zhì)量約為0.30 g，較未淬火涂層磨損質(zhì)量有所下降。這主要是由于淬火后，在 45鋼基體上彌散分布的碳化物、硼化物硬質(zhì)相起到了抗磨作用，同時(shí)Fe、Ni元素的存在提高了涂層的韌性，對(duì)硬質(zhì)相起到了粘結(jié)固化作用。涂層淬火后，硬質(zhì)顆粒得到細(xì)化，顆粒尺寸減小，耐磨性得到進(jìn)一步提高，磨損質(zhì)量下降。

圖7 未淬火和淬火涂層磨損質(zhì)量對(duì)比（45鋼基體）Fig.7 Contrast of wear loss of unquenched and quenched coating(45 steel substrate)

3 深松鏟尖表面強(qiáng)化應(yīng)用可行性分析

3.1 田間試驗(yàn)分析

深松產(chǎn)尖田間磨損宏觀形貌如圖8所示，圖8a為噴焊合金涂層，其表面光潔，未出現(xiàn)嚴(yán)重磨痕及脫落等現(xiàn)象，呈均勻磨損狀態(tài)；而圖8b中，鏟尖端部磨痕密集且比較集中，如圖中 S區(qū)所示；在鏟尖中部，溝槽光滑，且深度大，如圖中 T區(qū)所示，是典型的磨粒磨損特征。原鏟尖磨損質(zhì)量為70 g，涂層鏟尖平均磨損質(zhì)量32 g，約為原鏟尖的1/2，使用壽命約為原鏟尖的2倍多。

圖8 田間試驗(yàn)后鏟尖形貌（65Mn深松鏟尖，作業(yè)面積為6.7 hm2）Fig.8 Deep-shovel tip morphology after field experiment(65Mn deep-shovel tip, working area of 6.7 hm2)

3.2 成本效益分析

深松鏟火焰噴焊淬火強(qiáng)化成本主要有合金粉末、氧氣和乙炔氣體、人工等。每個(gè)深松鏟尖噴焊區(qū)域?yàn)?5 mm×40 mm×1.5 mm大小，合金粉末用量約為30 g，成本約為3元，氣體及人工費(fèi)約為2元，總成本共計(jì)約為5元，較原深松鏟尖成本 15元增加了 1/3，使用壽命卻提高了 2倍?；鹧鎳姾歌F鉻鎳合金涂層在深松鏟尖上的應(yīng)用具有較好的前景。

4 結(jié) 論

采用傳統(tǒng)火焰噴焊技術(shù)制備了鐵基合金涂層，并充分利用噴焊試件余溫進(jìn)行了淬火強(qiáng)化處理。與未淬火試件相比，淬火試件顯微組織、顯微硬度、磨料磨損性能及田間耐磨性均有所改善，能夠滿足深松鏟田間使用要求。

1）噴焊試件橫截面呈現(xiàn)涂層區(qū)、結(jié)合區(qū)、基體區(qū)，部分基體材料和涂層材料相互擴(kuò)散，呈一定程度的冶金結(jié)合狀態(tài)。涂層主要由Cr7C3、(Cr,Fe)7C3、Cr23C6、Fe2B、γ-Fe(Cr,Ni, C,Si)等組成，涂層缺陷少、硬質(zhì)相分布較均勻。

2）經(jīng)淬火處理后的涂層，顯微組織得到細(xì)化，顯微硬度增加，磨損量降低。涂層中彌散分布著較多的硬質(zhì)顆粒碳化物、硼化物及固溶體γ-Fe(Cr,Ni, C,Si)、（Fe,Ni）是涂層強(qiáng)化的主要原因，而硬質(zhì)相、固溶體與含 Fe、Ni基體形成的相互包容、彌散分布結(jié)構(gòu)提高了涂層抗磨料磨損性能。45鋼淬火涂層的平均硬度為800 HV，明顯高于未淬火涂層的硬度（平均硬度約為700 HV），涂層具有較好的耐磨性能。

3）利用噴焊層本身余溫進(jìn)行淬火處理，成本低、效率高、耐磨性好，工藝方便靈活。田間試驗(yàn)表明，淬火涂層鏟尖平均磨損量32 g，約為原65Mn鏟尖的1/2，使用壽命得到較大程度提高，F(xiàn)e基合金涂層火焰噴焊余熱淬火能夠滿足深松鏟表面強(qiáng)化及實(shí)際應(yīng)用要求。

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