等離子熔覆Ni60A+35wc耐磨層在農機刀具上的應用

農業機械的工作環境都比較惡劣,許多農機部件在使用過程中均遭受不同程度的磨損侵害。 農機中的犁鏵、耙片、鋤鏟、旋耕機刀片、根茬粉碎還田機刀片等。破茬碎土刀具, 工作時長期與土壤、砂石、秸稈、根茬等直接接觸, 因遭受劇烈的沖擊和摩擦而造成磨損。據統計大約有 80% 以上農機刀具失效是由磨損造成的。 據報道, 一般小麥根茬粉碎還田機械的單刀作業面積僅為 70 hm 2 左右, 而玉米根茬粉碎還田機械的單刀作業面積僅為 40 hm 2 左右。嚴重磨損的刀具不僅使作業質量變差, 而且使油耗、阻力和功耗顯著增高, 從而增加了作業成本 。所以, 很有必要對刀具進行強化, 這對延長刀具使用壽命, 減少換刀次數, 提高作業效率具有重要意義。
    在眾多的金屬材料表面改性處理技術中, 熔覆處理技術具有熔覆層厚、熔覆層質量高、熔覆層成分可調等優點, 在很大程度上適合于處理耐磨性要求較高的工作表面。 近年來, 對激光熔覆的研究是金屬材料表面改性處理的一個研究熱點, 與此同時, 用高頻感應、電子束等做熱源的熔覆方法也不斷出現。 但目前對等離子弧作為熱源進行熔覆的研究尚少。等離子弧具有熱量集中、能量密度高、靈活性高等優點, 其能流密度雖遠不如激光束高,但其熱量足以使各類材料熔化,因此利用等離子弧實現熔覆不失為另一種有效的熔覆處理技術。鎳基自熔性合金以其優良的耐磨性而在表面強化領域中廣泛應用, 是表面技術中最早實現系列和商品化的粉末之一。 對該類材料, 一般選用熱噴涂工藝進行耐磨層的制備。但該工藝存在耐磨層厚度小且易產生裂紋和剝落、材料損耗大、成本高等缺點。為此, 本文就等離子弧熔覆N i60 熔覆層的組織、性能及耐磨性進行了研究, 研究成果可為農機刀具的制造和再制造提供實踐參考。
一、實驗方法：先用稀鹽酸去除試樣表面的鐵銹, 然后用70 80℃～的N aO H 堿液煮洗試樣 5 m in 以除去試樣表面的油污,最后用蒸餾水沖洗試樣并用風機吹干。用水玻璃將合金粉末調成糊狀, 采用預置法將調配好的熔覆合金粉均勻地粘涂在經除油除銹的試樣表面, 涂層厚度為1 mm 左右。 將涂覆后的試樣置于烘箱中, 從室溫緩慢加熱升溫至 200℃并保溫3 h 烘干。在電流90 A , 電壓18 V 的等離子弧熱源下進行熔覆, 為保證電弧較穩定、熔化效率高、熔層深而窄、工件收縮應力和應變小, 等離子弧采用直流正接進行搭接燒熔; 為避免因冷卻速度過快而造成熔覆層產生裂紋, 熔覆結束后將工件放入保溫箱中緩冷至室溫。用平面磨床將試樣熔覆層磨光至Ra 1. 6 um 。制樣后, 用金相顯微鏡觀察熔覆層界面結合狀況和顯微組織。用HD 9245 型硬度計測量熔覆層顯微硬度和洛氏硬度。熔覆層磨損試驗在M PX 2200盤銷式磨損試驗機進行。為了考察熔覆層相對于目前常用的農機刀具材料65 M n 的耐磨性, 柱銷選用 830℃淬火和540℃回火的65 M n 鋼。試驗時用載荷為50 g 的壓力將柱銷壓在試樣上, 在1120 r m in的轉速下進行無潤滑干摩擦磨損試驗。每隔2 h 用T G328A 光電分析天平 ( 精度為 0. 1 m g ) 稱重, 稱重前先將試樣用清水沖洗,再用無水酒精清洗, 最后用乙醚清洗, 并用吹風機吹干。紀錄所有試驗數據并計算累積磨損量和平均磨損量, 試驗共進行 12 h。
二、試驗結果與討論：熔覆層與基體的結合狀態分析熔覆層與基體結合狀況的金相圖?？梢钥闯龌w表面、熔合區、熔覆層三者之間晶界連續, 結合良好。這說明熔覆層與基體的結合為冶金結合。這種冶金結合是由于N i60A 合金熔點低, 自熔性好, 且等離子弧熱源足以將涂層與基體熔化, 從而形成冶金結合的熔覆層。
三、熔覆層組織分析
     是熔覆層表層、中部和底部 (靠近界面部分) 的金相圖?？梢钥闯鐾繉咏M織主要由生長方向從熔池底部指向頂部的樹枝晶組成,并且從界面到熔覆層的表面依次為: 按一定方向生長的粗大的枝晶、較細小的枝晶和細小的無方向晶粒。熔覆層具有這種組織形態主要是由于熔池中極高的溫度梯度和凝固速度形成的。由于溫度梯度較大, 表層區及熔合區將首先結晶并向中部擴展,由于表層區及熔合區冷卻較快,枝晶生長速度也較快,而中部區的冷卻速度較慢, 顯微組織由枝晶狀逐漸變成了胞狀。 粗大的枝晶逆熱流方向生長, 而小枝晶無明顯的方向性, 長度要比大枝晶要小很多, 這些枝晶主要分布在熔覆層的中部。熔覆層的最外表面是一薄層形狀不規則的晶粒,組織比較致密。當等離子預置涂覆層時,
涂層吸熱熔化并把一部分熱量傳遞到基體, 這部分熱量可以把基體加熱到一定溫度, 卻不足以使基體熔化。當弧離開熔池后, 熔池便開始凝固。 由于此時熔池中的液態金屬仍處于很高的溫度, 基體本身又具有良好的導熱性, 這樣, 當熔池金屬冷凝時, 便有利于在液—固界面處開始生長枝晶, 初生枝晶也比較粗大。 隨著凝固的進行, 溫度梯度越來越小, 但導熱方向仍以基體為主。這時雖然還形成逆熱流方向的枝狀晶, 但由于有大量碳化物的存在, 在凝固過程中, 這些碳化物也使粗大的枝晶細化。熔池內的液態金屬凝固到了最表層, 這時通過空氣對流散熱以及氬氣的冷卻作用, 表層某些部位開始形核, 此時在金相照片上觀察到的是一層無序的細小枝晶和等軸晶。
四、結論
1) 用等離子弧在低碳鋼表面熔覆N i60A 鎳基自熔性合金粉末, 可以獲得與基體呈冶金結合的熔覆層, 熔覆層組織致密, 強韌性高,耐磨性好。
2) 熔覆時, 氬氣對工件的保護使工件在加熱、冷卻過程中無氧化、燒損發生; N i60A 合金的造渣、脫氧作用有效地避免了熔覆層中產生夾渣和氧化物。以上兩者的聯合作用使得熔覆層缺陷少, 耐磨性能好。
3 ) 在本試驗條件下, 獲得性能優良的氬弧熔覆Ni60A 合金層的工藝規范為: 電流 150 A , 電壓 10 V , 直流正接, 搭接燒熔, 保溫緩冷。
4) 氬弧熔覆N i60A 合金成本低、熔覆層質量高, 可以用于農機刀具工作表面的耐磨強化處理, 可以用于農機刀具的制造及再制造。

五、等離子弧熔覆堆焊的工作原理及技術優勢
工作原理：等離子粉末堆焊是以等離子弧作為熱源，應用等離子弧產生的高溫將合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴散、凝固，等離子束離開后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實現零件表面的強化與硬化的堆焊工藝，由于等離子弧具有電弧溫度高、傳熱率大、穩定性好，熔深可控性強，通過調節相關的堆焊參數，可對堆焊層的厚度、寬度、硬度在一定范圍內自由調整。等離子粉末堆焊后基體材料和堆焊材料之間形成融合界面，結合強度高；堆焊層組織致密，耐蝕及耐磨性好；基體材料與堆焊材料的稀釋減少，材料特性變化??；利用粉末作為堆焊材料可提高合金設計的選擇性，特別是能夠順利堆焊難熔材料，提高工件的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性。
技術優勢：
1、堆焊熔覆合金層與工件基體呈冶金結合，結合強度高；
2、堆焊熔覆速度快，低稀釋率；等離子弧堆焊的稀釋率可控制在5%一10%，或更低。
3、堆焊層組織致密，成型美觀；堆焊過程易實現機械化、自動化；
4、可在銹蝕及油污的金屬零件表面不經復雜的前處理工藝，直接進行等離子堆焊；
5、與其他等離子噴焊相比設備構造簡單，節能易操作，維修維護容易；
6、等離子弧溫度高、能量集中、穩定性好，在工件上引起的殘余應力和變形小。
7、可控性好?？梢酝ㄟ^改變功率、改變氣體的種類、流量及噴嘴的結構尺寸來調節等離子弧的氣氛、溫度等電弧參數，從而實現高效自動化生產，提高勞動生產率。
8、使用材料范圍廣。堆焊合金粉末作為熔敷材料，不受鑄造、軋制、拔絲等加工工藝的限制，可依據不同性能要求配置不同成分的合金粉末，特別適用于那些難于制絲但是易于制粉的硬質耐磨合金，以獲得所需性能的堆焊層。