CN110468405B - 一种农机传动构件表面强化涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种农机传动构件表面强化涂层，包括以下重量份数的原料：高熵合金粉10~13.5份、硬质合金粉31~40份、形状记忆合金粉46.5~59份。具体制备步骤如下：首先采用球磨机将镍基高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别研磨为细粉；然后将上述三种合金细粉混合，加入有机粘结剂在室温下进行充分搅拌均匀，然后进行涂抹、加热，即得强化涂层。本发明通过将高熵合金、硬质合金、形状记忆合金三种合金粉碎，经过有机粘结剂均匀粘合在一起，其中，高熵合金和硬质合金的硬度较大，主要用于改善农机传动构件的耐磨性，而形状记忆合金的加入有助于提高涂层的韧性，防止前两种合金过硬导致其涂层脆裂、脱落，有效延长农机构件的使用寿命。

Description

一种农机传动构件表面强化涂层及制备方法
技术领域
本发明属于合金涂层及其制备技术领域，具体涉及一种农机传动构件表面强化涂层及制备方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，材料领域中新材料方面的研究已经成为人们研究的新方向，复合材料因其所具有的优异性能成为研究热点，并且通过应用外加、原位生成各种氮化物、碳化物、氧化物和硼化物等的方法制备出的复合材料已成功的应用在工业及实际生产中。
农机传动构件一般作为农业机械中的关键耐磨件，其材料性能对其工作寿命和农业机械的工作效率、耕作效果均产生重要影响；为了提高农机传动部件表部的硬度和耐磨性，同时使心部保持足够的强度和韧性，以有效延长农机传动部件的使用寿命，通常的是在对农机触土部件进行表面高温加热处理，首先对农机传动构件进行整体淬火，然后对其表面进行低温回火处理获得回火马氏体，但其硬度较低，耐磨性较差，不能完全满足实际农业生产操作中对农用触土部件表面抗磨性能的要求，为提高部件表面的硬度和耐磨性能，工业上常见的技术方案是在部件表面制备强化涂层，涂层材料的使用对于农机传动构件是尤其重要的，直接影响其使用寿命。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，提供一种高耐磨、韧性好、硬度高的农机传动构件表面强化涂层及制备方法。
本发明的技术方案是：一种农机传动构件表面强化涂层，包括以下重量份数的原料：基体的高熵合金粉10~13.5份、粘结相的形状记忆合金粉46.5~59份、强化相的硬质合金粉31~40份；
其中，所述高熵合金为Ni9Co31Cr30B12Fe7Si4.5Nd1.5Al1.2Nb3.8、NiCo23Cr17Fe8Ti5Al4.5Mn13.5V4.6、Ni(11~15)TaAl8.3Nb4.1Hf7.2Zr11.8Ti0.5中的一种或两种；
所述硬质合金为Cr3C2+WC（Cr3C2+WC+Co）与ZrC、TiC、NbC、TaC中的任意一种或两种的混合物；
所述形状记忆合金为锰基合金，包括以下材料组分及各组分重量百分比：铝13.5~17%、铬2~11%、镍3~9%、铁 41~45%、硅5~8%、锆2~2.5%、钒1.8~2.2%、铌1.5~2.3%，其余为锰。
一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一、采用球磨机将高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别研磨至直径为13~15μm的细粉，备用；
步骤二、将步骤一中的三种合金细粉混合，加入粘度为34~41mm2/s的糊状有机粘结剂加热进行充分搅拌，然后将其均匀的涂抹在农机传动构件表面，保护气体氛围加热后即得强化涂层。
进一步优化，所述步骤二中有机粘结剂为聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照3~5:1~3:4~6:1~2:3~5的重量比混合制备。
进一步优化，所述步骤二中保护气体为氮气、氦气、氩气中的一种。
进一步优化，所述步骤二中加热条件为：温度43~51℃，时间135~170s。
进一步优化，所述步骤一中的研磨方法如下：将机械破碎的粉末粒度为20μm的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入球磨罐内，抽真空后充入3.5MPa惰性气体进行球磨，球磨转速1300~1450r/min，球磨时间60~67h，球料重量比21.5:1。
本发明的有益效果为：
一、高熵合金为熔融态，硬质合金粒子、形状记忆合金粒子为半固态，高熵合金是一种超级固溶体，当加入硬质合金和形状记忆合金粒子时，高熵合金的固溶强化效应将异常强烈，在合金为结晶相时，大量的固溶原子能够阻碍位错运动，形成高强高硬固体，进一步增强复合涂层的强度，当高熵效应使得合金内的混乱度过高而形成非晶相时，由于无位错存在，则农机传动构件表面固态涂层的强度更高；其中，铝使得涂层组织形貌由树枝晶形貌转变为等轴晶形貌，增加强化涂层的硬度和耐蚀性，铬能够提升高熵合金的力学性能和耐蚀性，钛可以提高合金及涂层的耐磨性，镍的添加一方面提高高熵合金及涂层的耐蚀性，另一方面，可以细化晶界、提高强化涂层的力学性能，高熵合金在整个强化涂层中作为基体；
二、硬质合金起到细晶强化作用，当硬质合金部分熔化进入高熵合金层内部后，未熔的微米硬质合金粒子，特别是Cr3C2、WC硬质相和粘结相Co在高熵合金中起到细晶强化作用，利用硬质合金的高硬度、高耐磨、强度高、韧性好、耐腐蚀等优异性能，特别是高硬度和耐磨性，可使得农机传动构件的硬度在500℃下基本保持不变，在1000℃时仍有很高硬度，硬质合金在整个强化涂层中作为强化相组分；
三、形状记忆合金起到细晶强化、形变强化作用，农机传动构件出现缺陷时，在其缺陷处容易产生应力集中现象，当农机传动构件受力时，应力集中部位的应力会大幅度增加，极易出现断裂；形状记忆合金具有变刚度、良好的抗腐蚀能力和强度高等特性，在强化涂层中设计形状记忆合金颗粒粘结相，形状记忆合金颗粒中锆、镍、钒与硬质合金颗粒中的WC、Co协同对基体高熵合金产生晶粒细化强化和形变强化作用，此时在形状记忆合金可以使得农机传动构件基体高熵合金、表面硬质合金在强化过程中均匀分布，形状记忆合金产生的结合力会均匀的施加给农机传动构件应力集中部位，将有效防止农机传动构件断裂，提供应力保护，提高强化涂层的力学性能，形成高质量的强化涂层，另外形状记忆合金中的铌元素，具有拖拽晶界移动能力，还有阻止晶界长大作用，有效细化强化涂层晶粒，形状记忆合金在整个涂层中作为粘结相、韧化相；
四、经显微硬度计和摩擦磨损试验机检测表明，强化涂层的显微硬度介于2162.5~3828.6HV，是基体材料6.1~10.8倍，同样的磨损条件下本发明的耐磨性比基体材料提高了3.3~4.1倍；
综上所述，本发明通过将高熵合金、硬质合金、形状记忆合金三种合金粉碎，经过粘结相形状记忆合金和有机粘结剂均匀粘合在一起，其中，高熵合金和硬质合金的硬度大、强度高、耐磨性好，主要用于改善农机传动构件的耐磨性；而形状记忆合金具有超塑性，有助于提高涂层的韧性和延展性，防止前两种合金过硬、过脆导致其涂层脆裂、脱落、起皮。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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1
一种农机传动构件表面强化涂层，包括以下重量份数的原料：高熵合金粉10份、硬质合金粉31份、形状记忆合金粉46.5份，其中，所述商熵合金为Ni9Co31Cr30B15Fe7Si6.5Nd1.5，所述硬质合金为Cr3C2+WC（Cr3C2+WC+Co）与ZrC、TiC的混合物，且前者与后者的重量比为5:3，所述形状记忆合金为锰基合金，包括以下材料组分及各组分重量百分比：铝13.5%、铬2%、镍3%、铁 45%、硅5%、锆2%、钒1.8%、铌1.5%，其余为锰。
一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一、将机械破碎的粉末粒度为20μm的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入球磨罐内，抽真空后充入3.5MPa氮气进行球磨，球磨转速1300r/min，球磨时间60h，球料重量比21.5:1，球磨后的镍基高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别为直径13μm的细粉，备用；
步骤二、将步骤一中的三种合金细粉混合，加入粘度为34mm2/s的糊状有机粘结剂在温度为43℃下进行充分搅拌135s，然后将其均匀的涂抹在农机传动构件表面，氩气保护加热后即得强化涂层。
进一步优化，所述步骤二中有机粘结剂为聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照3:1:4:1:3的重量比混合制备。
经型号为HV1000显微硬度计和HT-600型摩擦磨损试验机检测表明，强化涂层的显微硬度为2162.5HV，是基体材料的6.1倍；同样的磨损条件下，基体和本发明实施例的磨损失重分别为5.25克和1.28克，耐磨性比基体材料提高了4.1倍。
实施例2
一种农机传动构件表面强化涂层，包括以下重量份数的原料：高熵合金粉12份、硬质合金粉36份、形状记忆合金粉52份，其中，所述高熵合金为NiCo23Cr17Fe8Ti5Al4.5Mn13.5V4.6、Ni(11~15)TaAl8.3Nb4.1Hf7.2Zr11.8Ti0.5中的一种或两种，所述硬质合金为Cr3C2+WC（Cr3C2+WC+Co）与ZrC的混合物，所述形状记忆合金为锰基合金，包括以下材料组分及各组分重量百分比：铝15%、铬6.5%、镍6%、铁 43%、硅6.5%、锆2.3%、钒2%、铌1.9%，其余为锰。
一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一、将机械破碎的粉末粒度为20μm的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入球磨罐内，抽真空后充入3.5MPa氮气进行球磨，球磨转速1375r/min，球磨时间64h，球料重量比21.5:1，球磨后的镍基高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别为直径14μm的细粉，备用；
步骤二、将步骤一中的三种合金细粉混合，加入粘度为38mm2/s的糊状有机粘结剂在温度为47℃下进行充分搅拌155s，然后将其均匀的涂抹在农机传动构件表面，氩气保护氛围加热后即得强化涂层。
进一步优化，所述步骤二中有机粘结剂为聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照4:2:5:1:4的重量比混合制备。
经型号为HV1000显微硬度计和HT-600型摩擦磨损试验机检测表明，强化涂层的显微硬度为2907HV，是基体材料的8.2倍；同样的磨损条件下，基体和本发明实施例的磨损失重分别为4.52克和1.29克，耐磨性比基体材料提高了3.5倍。
实施例3
一种农机传动构件表面强化涂层，包括以下重量份数的原料：高熵合金粉13.5份、硬质合金粉40份、形状记忆合金粉59份，其中，所述高熵合金为Ni(11~15)TaAl8.3Nb4.1Hf7.2Zr11.8Ti0.5，所述硬质合金为Cr3C2+WC（Cr3C2+WC+Co）与NbC、TaC的混合物，所述形状记忆合金为锰基合金，包括以下材料组分及各组分重量百分比：铝17%、铬11%、镍9%、铁41%、硅8%、锆2.5%、钒2.2%、铌2.3%，其余为锰。
一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一、将机械破碎的粉末粒度为20μm的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入球磨罐内，抽真空后充入3.5MPa氮气进行球磨，球磨转速1450r/min，球磨时间60~67h，球料重量比21.5:1，球磨后的镍基高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别为直径15μm的细粉，备用；
步骤二、将步骤一中的三种合金细粉混合，加入粘度为41mm2/s的糊状有机粘结剂在温度为51℃下进行充分搅拌170s，然后将其均匀的涂抹在农机传动构件表面，氦气保护氛围加热后即得强化涂层。
进一步优化，所述步骤二中有机粘结剂为聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照5: 3: 6: 2: 5的重量比混合制备。
经型号为HV1000显微硬度计和HT-600型摩擦磨损试验机检测表明，强化涂层的显微硬度为3828.6HV，是基体材料的10.8倍；同样的磨损条件下，基体和本发明实施例的磨损失重分别为4.19克和1.27克，耐磨性比基体材料提高了3.3倍。
实施例4
选取市面上销售的试验样品1、试验样品2和试验样品3三种以及实施例1-3中的基体，其基体材料均为0Cr13Ni4Mo钢的总共六种农机传动构件，分别进行纯基体和在基体表面施有本发明中制备的强化涂层后的显微硬度的测量和韧性判定，结果如表1和表2所示：
表1 某农机传动构件表面强化涂层的显微硬度数据平均值/HV
Figure 396725DEST_PATH_IMAGE001
表2 某农机传动构件表面强化涂层的韧性判定数据
Figure 845024DEST_PATH_IMAGE002
如表1和表2所示，所述表面施用本发明制备的强化涂层后，其六种农业传动构件的硬度均提高了6.1倍以上，裂纹密度均在5083以下，以此可见，经过表面改性后的农业传动构件，其硬度和韧性性能方面具有明显提高。
以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、工作过程、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种农机传动构件表面强化涂层，其特征在于，包括以下重量份数的原料：基体的高熵合金粉10~13.5份、粘结相的形状记忆合金粉46.5~59份、强化相的硬质合金粉31~40份；
其中，所述高熵合金为Ni9Co31Cr30B12Fe7Si4.5Nd1.5Al1.2Nb3.8、NiCo23Cr17Fe8Ti5Al4.5Mn13.5V4.6、Ni(11~15)TaAl8.3Nb4.1Hf7.2Zr11.8Ti0.5中的一种或两种；
所述硬质合金为Cr3C2+WC（Cr3C2+WC+Co）与ZrC、TiC、NbC、TaC中的任意一种或两种的混合物；
所述形状记忆合金为锰基合金，包括以下材料组分及各组分重量百分比：铝13.5~17%、铬2~11%、镍3~9%、铁 41~45%、硅5~8%、锆2~2.5%、钒1.8~2.2%、铌1.5~2.3%，其余为锰。
2.如权利要求1所述的一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
步骤一、采用球磨机将高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别研磨至直径为13~15μm的细粉，备用；
步骤二、将步骤一中的三种合金细粉混合，加入粘度为34~41mm2/s的糊状有机粘结剂加热进行充分搅拌，然后将其均匀的涂抹在农机构件表面，在保护气体氛围加热后即得强化涂层。
3.如权利要求2所述的一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中有机粘结剂为聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照3~5:1~3:4~6:1~2:3~5的重量比混合制备。
4.如权利要求2所述的一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中保护气体为氮气、氦气、氩气中的一种。
5.如权利要求2所述的一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中加热条件为：温度43~51℃，时间135~170s。
6.如权利要求2所述的一种农机传动构件表面强化涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的研磨方法如下：将机械破碎的粉末粒度为20μm的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入球磨罐内，抽真空后充入3.5MPa惰性气体保护进行球磨，球磨转速1300~1450r/min，球磨时间60~67h，球料重量比21.5:1。
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