秸秆还田刀刃口保护层

农机中的犁铧、耙片、锄铲、旋耕机刀片、根茬粉碎还田机刀片等。破茬碎土刀具, 工作时长期与土壤、砂石、秸秆、根茬等直接接触, 因遭受剧烈的冲击和摩擦而造成磨损。据统计大约有 80% 以上农机刀具失效是由磨损造成的。 据报道, 一般小麦根茬粉碎还田机械的单刀作业面积仅为 70 hm 2 左右, 而玉米根茬粉碎还田机械的单刀作业面积仅为 40 hm 2 左右。严重磨损的刀具不仅使作业质量变差, 而且使油耗、阻力和功耗显著增高, 从而增加了作业成本 。所以, 很有必要对刀具进行强化, 这对延长刀具使用寿命, 减少换刀次数, 提高作业效率具有重要意义。

在众多的金属材料表面改性处理技术中, 熔覆处理技术具有熔覆层厚、熔覆层质量高、熔覆层成分可调等优点, 在很大程度上适合于处理耐磨性要求较高的工作

表面。 近年来, 对激光熔覆的研究是金属材料表面改性处理的一个研究热点, 与此同时, 用高频感应、电子束等做热源的熔覆方法也不断出现。 但目前对等离子弧作为热源进行熔覆的研究尚少。等离子弧具有热量集中、能量密度高、灵活性高等优点, 其能流密度虽远不如激光束高, 但其热量足以使各类材料熔化, 因此利用等离子弧实现熔覆不失为另一种有效的熔覆处理技术。镍基自熔性合金以其优良的耐磨性而在表面强化领域中广泛应用, 是表面技术中***早实现系列和商品化的粉末之一。 对该类材料, 一般选用热喷涂工艺进行耐磨层的制备。但该工艺存在耐磨层厚度小且易产生裂纹和剥落、材料损耗大、成本高等缺点。 为此, 本文就等离子弧熔覆N i60 熔覆层的组织、性能及耐磨性进行了研究, 研究成果可为农机刀具的制造和再制造提供实践参考。

一、实验方法：先用稀盐酸去除试样表面的铁锈, 然后用70 80℃～的N aO H 碱液煮洗试样 5 m in 以除去试样表面的油污,***后用蒸馏水冲洗试样并用风机吹干。用水玻璃将合金粉末调成糊状, 采用预置法将调配好的熔覆合金粉均匀地粘涂在经除油除锈的试样表面, 涂层厚度为1 mm 左右。 将涂覆后的试样置于烘箱中, 从室温缓慢加热升温至 200℃并保温3 h 烘干。在电流90 A , 电压18 V 的等离子弧热源下进行熔覆, 为保证电弧较稳定、熔化效率高、熔层深而窄、工件收缩应力和应变小, 等离子弧采用直流正接进行搭接烧熔; 为避免因冷却速度过快而造成熔覆层产生裂纹, 熔覆结束后将工件放入保温箱中缓冷至室温。用平面磨床将试样熔覆层磨光至R a 1. 6 um 。制样后, 用金相显微镜观察熔覆层界面结合状况和显微组织。用HD 9245 型硬度计测量熔覆层显微硬度和洛氏硬度。熔覆层磨损试验在M PX 2200 盘销式磨损试验机进行。为了考察熔覆层相对于目前常用的农机刀具材料 65 M n 的耐磨性, 柱销选用 830℃淬火和540℃回火的65 M n 钢。试验时用载荷为50 g 的压力将柱销压在试样上, 在1120 r m in 的转速下进行无润滑干摩擦磨损试验。每隔2 h 用T G328A 光电分析天平 ( 精度为 0. 1 m g ) 称重, 称重前先将试样用清水冲洗,再用无水酒精清洗, ***后用乙醚清洗, 并用吹风机吹干。纪录所有试验数据并计算累积磨损量和平均磨损量, 试验共进行 12 h。

二、试验结果与讨论：熔覆层与基体的结合状态分析熔覆层与基体结合状况的金相图。可以看出基体表面、熔合区、熔覆层三者之间晶界连续, 结合良好。这说明熔覆层与基体的结合为冶金结合。这种冶金结合是由于N i60A 合金熔点低, 自熔性好, 且等离子弧热源足以将涂层与基体熔化, 从而形成冶金结合的熔覆层。

三、熔覆层组织分析

是熔覆层表层、中部和底部 ( 靠近界面部分) 的金相图。可以看出涂层组织主要由生长方向从熔池底部指向顶部的树枝晶组成, 并且从界面到熔覆层的表面依次为: 按一定方向生长的粗大的枝晶、较细小的枝晶和细小的无方向晶粒。熔覆层具有这种组织形态主要是由于熔池中极高的温度梯度和凝固速度形成的。由于温度梯度较大, 表层区及熔合区将首先结晶并向中部扩展,由于表层区及熔合区冷却较快, 枝晶生长速度也较快,而中部区的冷却速度较慢, 显微组织由枝晶状逐渐变成了胞状。 粗大的枝晶逆热流方向生长, 而小枝晶无明显的方向性, 长度要比大枝晶要小很多, 这些枝晶主要分布在熔覆层的中部。熔覆层的***外表面是一薄层形状不规则的晶粒, 组织比较致密。当等离子预置涂覆层时,

涂层吸热熔化并把一部分热量传递到基体, 这部分热量可以把基体加热到一定温度, 却不足以使基体熔化。当弧离开熔池后, 熔池便开始凝固。 由于此时熔池中的液态金属仍处于很高的温度, 基体本身又具有良好的导热性, 这样, 当熔池金属冷凝时, 便有利于在液—固界面处开始生长枝晶, 初生枝晶也比较粗大。 随着凝固的进行, 温度梯度越来越小, 但导热方向仍以基体为主。这时虽然还形成逆热流方向的枝状晶, 但由于有大量碳化物的存在, 在凝固过程中, 这些碳化物也使粗大的枝晶细化。熔池内的液态金属凝固到了***表层, 这时通过空气对流散热以及氩气的冷却作用, 表层某些部位开始形核, 此时在金相照片上观察到的是一层无序的细小枝晶和等轴晶。

四、层性能分析

图为基体与熔覆层的显微硬度分布。 可以看出:在界面处基体与熔覆层的显微硬度有突变; 熔覆层底部区域硬度***低, 中间区域, 表层区域次之, 呈先增大后减小的趋势。其原因为: 表层区域吸收热量较高, 部分元素烧损导致硬度略有降低; 中间区域由于元素的弥散强化和细晶强化导致硬度增加; 底部区域由于基体的稀释作用而使硬度有所降低。经测试熔覆层的洛氏硬度为47HRC。

五、熔覆层耐磨性分析

下图是磨损试验的每 2h 磨损量统计表。从 12 h 累积磨损量和 2 h 平均磨损量数值可以看出: 本试验所得的N i60A 氩弧熔覆层的耐磨性比常规淬火回火处理的65 M n 钢有所提高。

从每2 h 磨损量随时间变化的关系图可以看出:

( 1 ) 在 正 常 磨 损 阶 段, 氩 弧 熔 覆N i60A 熔覆层的每2h 磨损量比65 M n淬火回火的柱销的小;

( 2 ) 对于氩弧熔覆 N i60A 熔覆层, 试验前期和后期磨损量较大, 而试验中期 ( 正常磨损阶段) 磨损量较小, 这与熔覆层组织特点及显微硬度分布密切相关。 以上充分说明本试验所得的熔覆层耐磨性能良好。磨损试验时, 每隔 2 h 观察熔覆层磨损后的磨损形貌, 没有发现熔覆层剥落的痕迹和较深的划痕及犁沟, 这说明熔覆层粉末熔化均匀, 凝固结晶良好。

六、熔覆层磨损机理分析

熔覆层主要由大量高强韧性的镍基固溶体及其上弥散分布的大量硬质相构成的树枝晶组成, 树枝晶起到耐磨骨架的作用, 使熔覆层得到强化, 因此熔覆层具有较高的耐磨粒磨损的性能。熔覆层硬质相强韧性高, 使裂纹不易扩展, 从而有效地阻止了材料脆裂的发生, 提高了熔覆层的韧性, 使得熔覆层耐磨性能提高。N i60A 自熔合金粉末中大量的B等非金属元Si C素在熔覆过程中的造渣、脱氧作用可有效地避免熔覆层中夹渣和氧化物的产生, 使得熔覆层致密度高, 孔隙率小, 因而获得耐干摩擦性能良好的熔覆层。等元素B Si对金属良好的润湿性, 减小了金属凝固生长时的斥力,使得熔覆层材料被磨损时产生磨损微裂纹的裂纹源与裂纹扩展的路径得到了极大限制, 减少了熔覆层材料被磨损时产生脆性剥落的可能性, 提高了熔覆层的耐磨性。熔覆时熔池原子向基体扩散, 与基体形成固溶体的同时, 也为熔池原子在基体上结晶生长创造了有利条件。 镍和铁是具有晶格常数相近的面心立方结构, 熔覆时熔池中的镍在铁基体上形核长大。这种冶金结合方式使熔覆层与基体结合牢固, 抗剥落能力强, 从而提高了熔覆层的耐磨性。

七、层用于农机刀具的实践

取 3 组共 12 把 4JCBQ ? 150 型根茬切碎还田机鞭式甩刀 ( 国家ZL 982186983) 进行田间对比试验。作业对象为已成熟的玉米, 试验地土壤为砂壤土且含砾石较多。 试验时拖拉机的作业速度为 3 5 km h。 其中 6～把为 65 M n 新制甩刀 ( 用做对比, 830℃淬火和 540℃回火的 65 M n 钢) , 6 把为采用本试验方法进行修复的废弃甩刀, 熔覆层厚度 1. 2 mm 。 为确保试验数据的准确

性, 要保证修复甩刀和新制甩刀的尺寸参数和表面粗糙度一致。

分别将2 个新制甩刀和2 个修复甩刀安装在机组上进 行田间试验, 试验共进行 3 次, 每次作业面积 30022hm , 每作业 100 hm 后观察熔覆层磨损情况并测量各甩刀的磨损失重。

经观察发现修复甩刀的熔覆层结合良好, 无剥落和脱皮现象, 磨擦面没有较深的划痕和犁沟, 而对比甩刀上则有明显的划痕和犁沟; 图 6 为田间试验刀具的磨损形貌。 从图可以看出: 对比甩刀和修复甩刀的熔覆层磨损形貌有明显的差别。在对比甩刀磨损表面上磨痕连续、密集、方向性强, 磨痕深而且宽。 而修复甩刀熔覆层的磨损表面上磨痕断断续续, 磨痕稀疏并且浅而窄, 甚至几乎看不到磨痕。这充分说明修复甩刀熔覆层的耐磨性比对比甩刀的高。

磨损失重结果表明氩弧熔覆N i60A 合金熔覆层比常规淬火回火处理 65 M n 刀具的耐磨寿命提高 2～4倍。在本试验中, 若按修复每把刀具用粉 20 g 计算, 修

复成本不足3 元, 但其寿命却提高了2 4 倍。～可见, 用该方法对农机刀具进行强化和修复从经济上是合理的。刀具经强化和修复后, 不仅能延长使用寿命, 减少换刀次数, 节省农时, 而且可增强刀具的作业能力, 减少牵引阻力和功率损耗减少作业成本。

八、结论

1) 用等离子弧在低碳钢表面熔覆N i60A 镍基自熔性合金粉末, 可以获得与基体呈冶金结合的熔覆层, 熔覆层组织致密, 强韧性高, 耐磨性好。

2) 熔覆时, 氩气对工件的保护使工件在加热、冷却过程中无氧化、烧损发生; N i60A 合金的造渣、脱氧作用有效地避免了熔覆层中产生夹渣和氧化物。以上两者的联合作用使得熔覆层缺陷少, 耐磨性能好。

3 ) 在本试验条件下, 获得性能优良的氩弧熔覆N i60A 合金层的工艺规范为: 电流 150 A , 电压 10 V , 直流正接, 搭接烧熔, 保温缓冷。

4) 氩弧熔覆N i60A 合金成本低、熔覆层质量高, 可以用于农机刀具工作表面的耐磨强化处理, 可以用于农机刀具的制造及再制造。