CN110423936B - 一种高强韧耐磨材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强韧耐磨材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及农机装备技术领域，尤其是涉及一种高强韧耐磨材料及其制备方法和应用。所述高强韧耐磨材料，包括按重量份数计的如下组分：碳化钨5‑25份、碳化钒3‑5份和Cu‑Sn‑Ti钎料70‑92份，其可用于刀具中，如旋耕刀。所述刀具的表面设置有高强韧耐磨涂层；所述高强韧耐磨涂层主要由所述的高强韧耐磨材料制成。刀具的制备方法包括：在经预处理的刀具表面涂覆膏状的高强韧耐磨材料，干燥、钎涂，进行真空热处理。本发明碳化钨和碳化钒按比例配合，碳化钒增强碳化钨材料韧性，并采用Cu‑Sn‑Ti钎料熔点低，增强相热损失小，不易产生裂纹，兼顾提高材料的高强度和高韧性，用于刀具如旋耕刀能够极大的提高旋耕刀的使用寿命。

Description

一种高强韧耐磨材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及农机装备技术领域，尤其是涉及一种高强韧耐磨材料及其制备方法和应用。
背景技术
农用耕作机械是对土壤进行翻耕、松碎或深松、碎土所用的机械，包括桦式犁、圆盘犁、凿式犁和旋耕机等。旋耕刀是旋耕机的主要磨损和消耗部件，在使用过程中旋耕刀与土壤相对运动速度极高，旋耕刀处于高磨损与高冲击的工作环境，旋耕刀的磨损及更换，每年造成的损失巨大。
随着农业机械产业的高速发展，旋耕机耕地速度的大力提升，对旋耕刀片的耐磨性提出了更严格的要求，提高旋耕刀片的使用寿命和改进涂层的制备工艺是目前亟待需要解决的问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种高强韧耐磨材料，以解决现有技术中存在的无法兼顾韧性、耐磨性，导致寿命短的技术问题。
本发明的另一目的在于提供一种高强韧耐磨材料的制备方法，该制备方法操作简单，生产成本低，生产效率高。
本发明的又一目的在于提供一种高强韧耐磨材料的应用，如用于旋耕刀，能够有效提高旋耕刀的使用寿命，提高工作效率。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种高强韧耐磨材料，包括按重量份数计的如下组分：
碳化钨5-25份、碳化钒3-5份和Cu-Sn-Ti钎料70-92份。
涂层的材料并不是越硬耐磨性能越好。材料越硬，韧性越差，在使用过程易出现涂层开裂、甚至是剥落现象，降低涂层寿命、造成环境污染等弊端。本发明的高强韧耐磨材料，采用碳化钨和碳化钒按照比例配合，兼顾提高材料的高强度和高韧性，同时采用Cu-Sn-Ti钎料熔点低，使得材料中增强相热损失小，不易产生裂纹，进一步提高材料的强度。
如在不同实施方式中，碳化钨的用量可以为5份、6份、7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份等等。
如在不同实施方式中，碳化钒的用量可以为3份、3.5份、4份、4.5份、5份等等。
如在不同实施方式中，Cu-Sn-Ti钎料的用量可以为70份、71份、72份、73份、74份、75份、76份、77份、78份、79份、80份、81份、82份、83份、84份、85份、86份、87份、88份、89份、90份、91份、92份等等。其中Cu-Sn-Ti钎料粉是指Cu、Sn、Ti金属粉混合制备得到的。
在本发明一实施方式中，Cu-Sn-Ti钎料中，Cu、Sn和Ti的摩尔百分比分别为75-85％、5-15％和5-15％。
在本发明一实施方式中，Cu-Sn-Ti钎料为Cu80Sn10Ti10钎料。其中，Cu80Sn10Ti10钎料是指Cu、Sn和Ti按照摩尔百分比为80﹕10﹕10配比得到的。
Cu-Sn-Ti钎料中三种成分在上述范围内，能够有效提高均匀性，同时使得钎料粉具有合适的熔点，钎焊温度在1000℃以下，进一步降低增强相热损伤，减少裂纹。
在本发明一优选实施方式中，所述高强韧耐磨材料中，碳化钨的用量为5-15份。
本发明中采用的碳化钨、碳化钒以及Cu-Sn-Ti钎料均为粉末状，其中的氧元素含量均小于800ppm，且杂质含量均低于0.6wt.％。
在本发明一优选实施方式中，所述碳化钨的粒度为106-150μm。
在本发明一优选实施方式中，所述碳化钒的粒度为75-106μm。
在本发明一优选实施方式中，所述Cu-Sn-Ti钎料的粒度为48-53μm。
可选的，所述高强韧耐磨材料中还含有粘结剂。
可选的，所述粘结剂包括羧甲基纤维素钠、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。
可选的，所述粘结剂为羧甲基纤维素钠、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种的水溶液；进一步的，所述水溶液的质量浓度为1％±0.5％，优选为1％。
可选的，所述粘结剂的用量为所述高强韧耐磨材料的3-5％，以水溶液计。
采用粘结剂将混合后的物料调制成膏状。调制成膏状后，可将材料涂覆于待处理产品表面，干燥形成涂层。其中，待处理产品可以为刀具等，如旋耕刀具。
本发明还提供了上述高强韧耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
将各原料按比例混合均匀。
可选的，可于混料机中混合，混合时间可为1-3h，如2h。
可选的，采用粘结剂将混合后的物料调制成膏状。
本发明还提供了上述高强韧耐磨材料在刀具中的应用，如在旋耕刀具中的应用。
本发明还提供了一种刀具，优选为旋耕刀，其表面设置有高强韧耐磨涂层；所述高强韧耐磨涂层主要由高强韧耐磨材料制成。
可选的，所述旋耕刀的材质为65Mn钢，如淬火态65Mn钢。
优选的，在所述旋耕刀的刃口处至少一个表面上设置有高强韧耐磨涂层。如在刃口、刃口两面及刃口侧面设置有高强韧耐磨涂层。
在本发明一优选实施方式中，所述高强韧耐磨涂层的厚度为0.5-1.5mm。
优选的，所述旋耕刀表面设置有金属纤维网套，所述高强韧耐磨涂层设置在旋耕刀的刃口处并填满金属纤维网套的间隙。
在旋耕刀的表面套设金属纤维网套，金属纤维网套作为骨架材料进行打底，起到钉扎增强作用，进一步增强了涂层的韧度和强度，抑制了涂层的脆性剥落，延长使用寿命。
本发明还提供了一种刀具的制备方法，包括如下步骤：
在经预处理的刀具表面涂覆膏状的高强韧耐磨材料，干燥、钎涂，进行真空热处理。
可选的，所述预处理的方法包括：在经表面处理的刀具刀刃上套金属纤维网套。
其中，金属纤维网套由适量金属纤维编织而成，形状近似旋耕刀刀刃的形状。所述金属纤维网套的间隙大小可根据实际需求进行选择，优选为2-8mm。
可选的，所述金属纤维包括不锈钢纤维、镍纤维、铁纤维、铜纤维中的一种或多种。可选的，所述金属纤维的直径为50-100μm。
可选的，所述表面处理的方法包括：将刀具如旋耕刀表面进行喷丸、喷砂处理，将旋耕刀刃口处打磨光亮。
可选的，所述干燥的方法包括：冷却晾干后，于110-120℃保温30-60min。烘干涂层内部的水分。
钎涂可于钎焊炉中进行，如连续式网带气体保护钎焊炉。可选的，钎涂的气氛为体积比为(2～4)﹕1的氢气和氮气混合气体，如体积比为3﹕1的氢气和氮气混合气体。可选的，钎涂的温度为920-950℃；所述网带的传动频率为20-30Hz。
现有技术中是采用液氨分解的氢气、氮气混合气体作为保护气体，液氨储存条件严格，且存在安全隐患。并且，液氨分解需要特定装置，成本较高。而本发明直接采用氮气、氢气混合取代氨分解制取的保护气，是安全可行的。同时，氮气、氢气混合比例可调，适当增加氢气比例，气体保护效果更好，可提高涂层的光亮度。
采用上述钎涂方式，可实现对刀具如旋耕刀的批量钎涂，钎涂效率高，质量稳定性好。同时，在钎涂时，采用的保护气体为体积比为3﹕1的氢气和氮气混合气体，降低了钎涂成本。
可选的，所述真空热处理的条件包括：805±10℃淬火，保温15-20min，油冷；350±10℃回火，保温25-30min。
采用上述真空热处理后，刀具如旋耕刀的硬度在43-47HRC范围内。
旋耕刀具整体放入隧道炉中钎涂，在热循环作用下，旋耕刀钢基体的原热处理组织被破坏，整体硬度降低。因此，钎涂后需重新进行热处理，使刀具钢基体的硬度得到恢复。
在本发明一实施例中，所述旋耕刀的制备方法包括如下步骤：
(a)将旋耕刀表面进行喷丸、喷砂处理，将旋耕刀刃口处打磨光亮，在旋耕刀刀刃套上金属纤维网套；
(b)在旋耕刀刃口处涂覆膏状的高强韧耐磨材料并填满金属纤维网套的间隙，干燥、钎涂；
(c)将钎涂后的旋耕刀进行真空热处理。
本发明还提供了一种含有上述刀具的旋耕机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的高强韧耐磨材料，采用碳化钨和碳化钒按照比例配合，利用碳化钒增强碳化钨材料韧性，同时采用Cu-Sn-Ti钎料熔点低，使得材料中增强相热损失小，不易产生裂纹，提高材料的强度；兼顾提高材料的高强度和高韧性；
(2)本发明的高强韧耐磨材料用于刀具如旋耕刀时，采用金属纤维网套作为骨架材料进行打底，起到钉扎增强作用，进一步增强了涂层的韧度和强度，抑制了涂层的脆性剥落，极大的提高旋耕刀的使用寿命；
(3)本发明的制备方法，可批量进行，生产效率高，质量稳定性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的高强韧耐磨涂层的微观组织图；
图2为比较例1提供的传统涂层的微观组织图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例的高强韧耐磨材料，包括按重量份数计的如下组分：
碳化钨10份、碳化钒5份、Cu80Sn10Ti10钎料粉85份。
其中，碳化钨的粒度为106-150μm，碳化钒的粒度为75-106μm，Cu80Sn10Ti10钎料粉的粒度为48-53μm；氧含量均小于800ppm，杂质含量均低于0.6wt.％。
高强韧耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例称取上述各组分，装入混料机中，混合2h后取出，得到高强韧耐磨材料。
在使用时，可采用用量为3％的粘结剂将高强韧耐磨材料调制成膏状；其中，所述粘结剂为质量浓度为1％的羧甲基纤维素钠的水溶液。
实施例2
本实施例的高强韧耐磨材料，包括按重量份数计的如下组分：
碳化钨15份、碳化钒4份、Cu80Sn10Ti10钎料粉81份。
其中，碳化钨的粒度为106-150μm，碳化钒的粒度为75-106μm，Cu80Sn10Ti10钎料粉的粒度为48-53μm；氧含量均小于800ppm，杂质含量均低于0.6wt.％。
高强韧耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例称取上述各组分，装入混料机中，混合2h后取出，得到高强韧耐磨材料。
在使用时，可采用用量为3％的粘结剂将高强韧耐磨材料调制成膏状；其中，所述粘结剂为质量浓度为1％的羧甲基纤维素钠的水溶液。
实施例3
本实施例的高强韧耐磨材料，包括按重量份数计的如下组分：
碳化钨20份、碳化钒3份、Cu80Sn10Ti10钎料粉77份。
其中，碳化钨的粒度为106-150μm，碳化钒的粒度为75-106μm，Cu80Sn10Ti10钎料粉的粒度为48-53μm；氧含量均小于800ppm，杂质含量均低于0.6wt.％。
高强韧耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例称取上述各组分，装入混料机中，混合2h后取出，得到高强韧耐磨材料。
在使用时，可采用用量为3％的粘结剂将高强韧耐磨材料调制成膏状；其中，所述粘结剂为质量浓度为1％的羧甲基纤维素钠的水溶液。
实施例4
本实施例的高强韧耐磨材料，包括按重量份数计的如下组分：
碳化钨22份、碳化钒5份、Cu80Sn10Ti10钎料粉73份。
其中，碳化钨的粒度为106-150μm，碳化钒的粒度为75-106μm，Cu80Sn10Ti10钎料粉的粒度为48-53μm；氧含量均小于800ppm，杂质含量均低于0.6wt.％。
高强韧耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例称取上述各组分，装入混料机中，混合2h后取出，得到高强韧耐磨材料。
在使用时，可采用用量为3％的粘结剂将高强韧耐磨材料调制成膏状；其中，所述粘结剂为质量浓度为1％的羧甲基纤维素钠的水溶液。
实施例5
本实施例的高强韧耐磨材料，包括按重量份数计的如下组分：
碳化钨25份、碳化钒4份、Cu80Sn10Ti10钎料粉71份。
其中，碳化钨的粒度为106-150μm，碳化钒的粒度为75-106μm，Cu80Sn10Ti10钎料粉的粒度为48-53μm；氧含量均小于800ppm，杂质含量均低于0.6wt.％。
高强韧耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
按比例称取上述各组分，装入混料机中，混合2h后取出，得到高强韧耐磨材料。
在使用时，可采用用量为3％的粘结剂将高强韧耐磨材料调制成膏状；其中，所述粘结剂为质量浓度为1％的羧甲基纤维素钠的水溶液。
实施例6
本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：将Cu80Sn10Ti10钎料替换为Cu85Sn10Ti5钎料。
实施例7
本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：碳化钨的粒度为1500μm，碳化钒的粒度为850μm，Cu80Sn10Ti10钎料粉的粒度为120μm。
实施例8
本实施例提供了一种旋耕刀的制备方法，包括如下步骤：
(a)将旋耕刀表面进行喷丸、喷砂处理，去除油污和氧化皮，然后将旋耕刀的刃口处打磨光亮；
(b)取适量不锈钢金属纤维编织成与旋耕刀刀刃形状近似的网套形状，并套到经步骤(a)处理的旋耕刀的刀刃上；
(c)将实施例1中制备得到的调制成膏状的高强韧耐磨材料均匀涂覆在刀刃口处的两面和侧面，控制厚度为1mm左右，冷却晾干后，得到涂覆好涂层的旋耕刀；
(d)将步骤(c)中涂覆好的旋耕刀放入干燥箱中，于110-120℃条件下保温30-60min，烘干涂层内部的水分，将干燥后的旋耕刀放入连续式网带气体保护钎焊炉中进行加热，进行涂层的钎涂；
其中，钎涂的温度为920-950℃，网带的传动频率为20-30Hz；钎涂的气氛为体积比为3﹕1的氢气和氮气混合气体；
(e)对步骤(d)中钎涂好的旋耕刀进行真空热处理，使处理后的旋耕刀硬度在43-47HRC；
其中，真空热处理的条件包括：805±10℃淬火，保温15-20min，油冷；350±10℃回火，保温25-30min。
实施例9
本实施例参考实施例8的旋耕刀的制备方法，区别仅在于：
步骤(c)中：将实施例2中制备得到的调制成膏状的高强韧耐磨材料均匀涂覆在刀刃口处的两面和侧面，控制厚度为1mm左右，冷却晾干后，得到涂覆好涂层的旋耕刀。
实施例10
本实施例参考实施例8的旋耕刀的制备方法，区别仅在于：
步骤(c)中：将实施例3中制备得到的调制成膏状的高强韧耐磨材料均匀涂覆在刀刃口处的两面和侧面，控制厚度为1mm左右，冷却晾干后，得到涂覆好涂层的旋耕刀。
实施例11
本实施例参考实施例8的旋耕刀的制备方法，区别仅在于：
步骤(c)中：将实施例4中制备得到的调制成膏状的高强韧耐磨材料均匀涂覆在刀刃口处的两面和侧面，控制厚度为1mm左右，冷却晾干后，得到涂覆好涂层的旋耕刀。
实施例12
本实施例参考实施例8的旋耕刀的制备方法，区别仅在于：
步骤(c)中：将实施例5中制备得到的调制成膏状的高强韧耐磨材料均匀涂覆在刀刃口处的两面和侧面，控制厚度为1mm左右，冷却晾干后，得到涂覆好涂层的旋耕刀。
实施例13
本实施例参考实施例8的旋耕刀的制备方法，区别仅在于：
步骤(c)中：将实施例6中制备得到的调制成膏状的高强韧耐磨材料均匀涂覆在刀刃口处的两面和侧面，控制厚度为1mm左右，冷却晾干后，得到涂覆好涂层的旋耕刀。
实施例14
本实施例参考实施例8的旋耕刀的制备方法，区别仅在于：
步骤(c)中：将实施例7中制备得到的调制成膏状的高强韧耐磨材料均匀涂覆在刀刃口处的两面和侧面，控制厚度为1mm左右，冷却晾干后，得到涂覆好涂层的旋耕刀。
实施例15
本实施例参考实施例8的旋耕刀的制备方法，区别仅在于：
不包括步骤(b)，没有设置金属纤维网套。
比较例1
比较例1参考实施例1的制备方法，区别在于：采用的涂层材料为BNi2钎料和碳化钨，涂层材料中，有金属纤维网套，碳化钨的质量百分比为25％。比较例2
比较例2参考实施例1的制备方法，区别在于：没有金属纤维网套，且将高强韧耐磨材料替换为如下组成的材料：
碳化钨5份、碳化钒10份和Cu-Sn-Ti钎料85份。
比较例3
比较例3参考实施例1的制备方法，区别在于：没有金属纤维网套，且将高强韧耐磨材料替换为如下组成的材料：
碳化钨5份、碳化钒10份和BNi2钎料85份。
实验例1
为了对比说明本发明实施例和比较例的材料得到的涂层的性能差别，分别将实施例1-7和比较例1-3的材料在规格为25mm×5mm×100mm的淬火态65Mn钢上以同样工艺(参考实施例8的工艺)制备0.8mm厚的涂层，以及实施例15，进行涂层磨损试验。
进行磨损试验时，采用自制试验平台，将25mm×5mm×100mm试样一端打孔固定在可旋转的轴上，放入沙子和水混合环境中，200r/min转速下旋转8h后，称取前后质量变化，测试结果见表1。
表1磨损试验前后试验的重量变化
Figure BDA0002188425880000121
Figure BDA0002188425880000131
以实施例1和比较例1为例，采用上述工艺在淬火态65Mn钢上制备0.8mm厚的涂层，其涂层微观组织图分别如图1和图2所示，二者在相同的放大倍率下。
从图中可知，采用实施例1的高强韧耐磨材料得到的涂层，韧性好，涂层致密。而采用比较例1的涂层材料得到的涂层，脆硬，裂纹多。
实验例2
为了对比说明本发明实施例和比较例的材料得到的涂层的性能差别，分别将实施例1-7和比较例1-3的材料在同种旋耕刀基材上以同样工艺(参考实施例8的工艺)制备0.8mm厚的涂层，以及实施例15，得到具有涂层的旋耕刀，将旋耕刀直接装在旋耕机上，在农田进行耕耙作业，测试旋耕刀的使用寿命，旋耕刀农田实际耕作结果如表2所示。
表2旋耕刀农田耕作结果
Figure BDA0002188425880000132
Figure BDA0002188425880000141
从上表中可知，涂覆有本发明的高强韧耐磨涂层的旋耕刀，实际试车使用寿命至少是传统涂层的旋耕刀的1.99倍。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种旋耕刀制备方法，其特征在于，旋耕刀表面设置有高强韧耐磨涂层，所述高强韧耐磨涂层主要由高强韧耐磨材料制成，高强韧耐磨涂层的厚度为0.5-1.5mm；
所述高强韧耐磨材料包括按重量份数计的如下组分：碳化钨5-25份、碳化钒3-5份和Cu-Sn-Ti钎料70-92份，所述Cu-Sn-Ti钎料中，Cu、Sn和Ti的摩尔百分比分别为75-85％、5-15％和5-15％；
制备方法包括如下步骤：
在经预处理的旋耕刀表面涂覆膏状的高强韧耐磨材料，干燥、钎涂，然后进行真空热处理；
所述预处理的方法包括：在经表面处理的旋耕刀刀刃上套金属纤维网套；
所述干燥的方法包括：冷却晾干后，于110-120℃保温30-60min；
钎涂的气氛为质量比为(2～4)﹕1的氢气和氮气混合气体；
钎涂的温度为920-950℃；
所述真空热处理的条件包括：805±10℃淬火，保温15-20min，油冷；350±10℃回火，保温25-30min。
2.根据权利要求1所述的旋耕刀制备方法，其特征在于，所述碳化钨的用量为5-15份；
所述碳化钨的粒度为106-150μm；
所述碳化钒的粒度为75-106μm；
所述Cu-Sn-Ti钎料的粒度为48-53μm；
所述高强韧耐磨材料中氧元素含量小于800ppm，杂质量低于0.6wt.％。
3.根据权利要求1或2所述的旋耕刀制备方法，其特征在于，所述高强韧耐磨材料中还含有粘结剂；
所述粘结剂为羧甲基纤维素钠、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种的水溶液；
所述水溶液的质量浓度为1％±0.5％；
所述粘结剂的用量为高强韧耐磨材料的3-5％。
4.根据权利要求1所述的旋耕刀制备方法，其特征在于，所述旋耕刀的材质为淬火态65Mn钢。
5.根据权利要求1所述的旋耕刀制备方法，其特征在于，所述旋耕刀的表面设置有金属纤维网套，所述高强韧耐磨涂层设置在旋耕刀的刃口处的至少一个表面上并填满金属纤维网套的间隙；
所述金属纤维包括不锈钢纤维、镍纤维、铁纤维、铜纤维中的一种或多种；
所述金属纤维的直径为50-100μm。
6.一种旋耕刀，其特征在于，所述旋耕刀基于权利要求1-5中任意一项所述的旋耕刀制备方法制备。
7.含有权利要求6所述的旋耕刀的旋耕机。
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