CN110521304A - 一种具有梯度耐磨涂层的刀具及其制备方法和旋耕机 - Google Patents

一种具有梯度耐磨涂层的刀具及其制备方法和旋耕机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及农机装备技术领域，尤其是涉及一种具有梯度耐磨涂层的刀具及其制备方法和旋耕机。所述具有梯度耐磨涂层的刀具，包括刀具基体和附着于刀具基体表面的耐磨涂层，所述耐磨涂层包括由基体表面方向起依次交替设置的涂层A和涂层B；所述涂层A中含有YG8颗粒；所述涂层B中含有金刚石微粉；其中YG8颗粒的尺寸大于金刚石微粉的尺寸。所述制备方法包括：在预处理的刀具表面喷涂所述耐磨涂层。本发明采用两种涂层交替构成刀具的梯度耐磨涂层，与堆焊法相比，涂层热应力小，刀具基体无裂纹的萌生和扩展，与常规制备法相比，涂层较厚，耐磨性能好。

Description

一种具有梯度耐磨涂层的刀具及其制备方法和旋耕机
技术领域
本发明涉及农机装备技术领域，尤其是涉及一种具有梯度耐磨涂层的刀具及其制备方法和旋耕机。
背景技术
旋耕刀是旋耕机的重要零件，同时又是主要损耗件。旋耕刀的性能将直接影响旋耕机的工作效率、使用寿命和经济效益。旋耕刀的磨损及更换，每年造成很大损失。因此，采用表面技术在旋耕刀表面制备耐磨涂层具有重要意义。
目前，采用表面技术在旋耕刀工作面制备耐磨涂层的应用较少，但在某些零件工作面制备耐磨涂层的应用却很普遍。常用的表面技术有物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法、堆焊法以及近年开发的钎涂法。前几种方法获得的耐磨层厚度受限，而钎涂法能获得厚度范围较大的涂层。另外，钎涂法所用设备简单、工艺灵活性较高，能以较低的成本在工件表面制备具有耐磨损、耐腐蚀等优异性能的表面功能涂层。
目前刀具涂层中硬质相均布程度不高，特别是靠近刀具基体处涂层中硬质相易于浮在涂层表面，导致涂层性能下降；涂层表面光滑程度较差，影响刀具工作效率。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种具有梯度耐磨涂层的刀具，以解决现有技术中存在的刀具工作效率低技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种具有梯度耐磨涂层的刀具的制备方法，操作简单，可重复性好。
本发明的第三目的在于提供一种旋耕机，含有上述具有梯度耐磨涂层的刀具，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：
一种具有梯度耐磨涂层的刀具，包括刀具基体和附着于刀具基体表面的耐磨涂层，所述耐磨涂层包括由基体表面方向起依次交替设置的涂层A和涂层B；
所述涂层A中含有YG8颗粒；所述涂层B中含有金刚石微粉；
其中YG8颗粒的尺寸大于金刚石微粉的尺寸。
碳化物作为增强相，其耐磨性能仍然有很大差距，且其颗粒一般较大，突出涂层表面，涂层表面光滑度差，影响刀具工作效率。相对而言，金刚石微粉的硬度高、耐磨性好，作为增强相能够提高涂层的性能。
本发明的刀具，涂层由含有两种不同颗粒的涂层交替构成刀具的梯度耐磨涂层，涂层最内层硬质相为大颗粒的YG8颗粒，涂层最外层的硬质相为小颗粒的金刚石微粉，大颗粒的YG8颗粒不易浮在表面，刀具基体处硬质相均布程度提高，小颗粒的金刚石微粉的表面涂层光滑，不易缠绕杂草，有效提升刀具的耐磨性能和使用寿命。
本发明的刀具优选为旋耕刀。
在本发明一优选实施方式中，所述涂层A和涂层B中还包括钎料。
优选的，所述涂层A还包括镍基钎料。所述涂层B还包括镍基钎料。
在本发明一优选实施方式中，所述涂层A中包括按重量份数计的YG8颗粒20-35份和镍基钎料65-80份。
如在不同实施方式中，涂层A所采用的材料中，YG8颗粒的用量可以为20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份、30份、31份、32份、33份、34份和35份等等。镍基钎料的用量可以为65份、66份、67份、68份、69份、70份、71份、72份、73份、74份、75份、76份、77份、78份、79份和80份等等。
采用YG8颗粒与镍基钎料混合得到涂层材料，采用喷涂等方式形成涂层A。其中混合方式可采用机械合金化法。
在本发明一优选实施方式中，涂层B中包括按重量份数计的金刚石微粉8-12份和镍基钎料88-92份。
如在不同实施方式中，涂层B所采用的材料中，金刚石微粉的用量可以为8份、9份、10份、11份和12份等等。镍基钎料的用量可以为88份、89份、90份、91份和92份等等。
采用金刚石微粉与镍基钎料混合得到另一涂层材料，采用喷涂等方式形成涂层B。其中混合方式可采用机械合金化法。
可选的，所述镍基钎料包括BNi72CrP钎料、BNi76CrP钎料和BNi65CrP钎料中的任一种或多种。镍基钎料的粒度可以为180-300目，优选为200-300目。
可选的，所述YG8颗粒的粒度为60-80目。
可选的，所述金刚石微粉的粒度为200-325目，优选为250-300目。
可选的，所述耐磨涂层的厚度为1.5-5mm。
如在不同实施方式中，耐磨涂层的厚度可以为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm等等。
在本发明一优选实施方式中，每个所述涂层A的厚度为0.2-0.3mm；每个所述涂层B的厚度为0.15-0.2mm。
本发明还提供了一种具有梯度耐磨涂层的刀具的制备方法，包括如下步骤：
在预处理的刀具表面喷涂所述耐磨涂层。
优选的，所述喷涂的方法包括超音速火焰喷涂。
常规钎涂法制备的金刚石涂层较薄，耐磨性能不能达到要求；堆焊法可制备较厚的金刚石涂层，但堆焊温度高，金刚石易石墨化，且涂层应力大，易促使裂纹萌生和扩展。而采用超音速火焰喷涂，加热速率快，对母材和金刚石微粉的热损伤小，涂层制备后无需热处理。
在本发明一优选实施方式中，耐磨涂层的厚度为1.5-5mm。每个涂层A的厚度为0.2-0.3mm，每个涂层B的弧度为0.15-0.2mm。
如在实际操作中，在预处理的刀具表面喷涂一层涂层A，然后在涂层A表面喷涂一层涂层B，重复前述步骤，直至耐磨涂层的厚度在1.5-5mm范围内。
可选的，采用耐高温材料保护刀具的非喷涂区域。可根据实际需求，避免对非喷涂区域造成误喷。优选的，所述耐高温材料包括石墨乳。
在喷涂前，可对待喷涂区域进行预热。
在本发明一优选实施方式中，所述超音速火焰喷涂的条件包括：喷枪枪口与刀具基体表面距离15-25cm；喷枪移动速度为10±2m/min；航空煤油18±2L/h；氧气流量为720±20L/min；氮气流量为10±2L/min；涂层材料流量为52±2g/min。
在本发明一优选实施方式中，所述预处理的方法包括：将刀具清洁、喷砂后干燥。
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)本发明采用两种涂层交替构成刀具的梯度耐磨涂层，与堆焊法相比，涂层热应力小，刀具基体无裂纹的萌生和扩展，与常规制备法相比，涂层较厚，耐磨性能好；
(2)本发明交替的涂层中，内部涂层含大颗粒YG8，外部涂层焊小颗粒金刚石微粉，大颗粒YG8不易浮在表面，使刀具基体处硬质相均布程度提高；小颗粒金刚石微粉的表面涂层光滑，不易缠绕杂草，有效提升刀具的耐磨性能和使用寿命；
(3)本发明采用超音速火焰喷涂方法制备梯度涂层，加热速度快、木材和金刚石微粉的热损伤小，涂层制备后无需热处理，实现了涂层的制备与热处理一体化。
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为本发明实施例提供的具有梯度耐磨涂层的刀具的结构示意图。
附图标记：
1-刀具基体；2-涂层A1；3-涂层B1；
4-涂层A2；5-涂层B2。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例提供的具有梯度耐磨涂层的刀具的结构示意图。本实施例的具有梯度耐磨涂层的刀具包括刀具基体1和附着于刀具基体1表面的耐磨涂层。所述耐磨涂层的厚度为1.5-5mm。所述耐磨涂层包括由基体表面方向起依次交替设置的涂层A和涂层B。如在图1中所示，涂层A和涂层B交替两次。具体为，包括涂层A1 2和涂层B1 3以及设置在涂层B1 3上的涂层A2 4和涂层B2 5。涂层A1 2和涂层A2 4的厚度可以为0.2-0.3mm，涂层B1 3和涂层B2 5的厚度可以为0.15-0.2mm。图1仅供说明，涂层A和涂层B的交替次数并不局限于两次，还可以为两次以上，如三次、四次等等，使交替设置得到的耐磨涂层的厚度为1.5-5mm即可。
实施例1
本实施例提供了一种具有梯度耐磨涂层的刀具，其制备方法包括如下步骤：
(1)刀具基体表面预处理：
将旋耕刀表面进行清洁、喷砂、烘干处理后，用耐高温材料石墨乳保护非喷涂区域，然后对喷涂区域进行预热；其中，旋耕刀具刀刃工作面喷涂，其余部分为非喷涂区域不喷涂；工作面也即刀刃两侧面距底面20mm的范围和整个底面；
(2)制备涂层材料：
将按重量份数计的YG8颗粒20份和BNi72CrP钎料粉80份，采用机械合金化法得到涂层A的喷涂材料粉末；
将按重量份数计的金刚石微粉8份和BNi72CrP钎料粉92份，采用机械合金化法得到涂层B的喷涂材料粉末；
其中，YG8颗粒的粒度为60-80目；金刚石微粉的粒度为200-300目；BNi72CrP钎料粉的粒度为200-300目；
(3)涂层的制备：
采用超音速火焰喷涂设备将涂层A的喷涂材料粉末对步骤(1)中处理后的旋耕刀表面进行第一次喷涂，形成0.2-0.3mm的涂层A后，然后接着将涂层B的喷涂材料喷涂于涂层A表面，形成0.15-0.2mm的涂层B；重复交替喷涂涂层A和涂层B的操作，直至整个涂层的厚度达到1.5mm-5mm，得到具有梯度耐磨涂层的旋耕刀；
所述超音速火焰喷涂设备工艺参数为：喷枪枪口与旋耕刀表面距离20cm，喷枪移动速度10m/min，航空煤油18L/h，氧气流量为720L/min，氮气流量为10L/min，喷涂材料粉末流量为52g/min。
实施例2
本实施例提供了一种具有梯度耐磨涂层的刀具，其制备方法包括如下步骤：
(1)刀具基体表面预处理：
将旋耕刀表面进行清洁、喷砂、烘干处理后，用耐高温材料石墨乳保护非喷涂区域，然后对喷涂区域进行预热；
(2)制备涂层材料：
将按重量份数计的YG8颗粒25份和BNi72CrP钎料粉75份，采用机械合金化法得到涂层A的喷涂材料粉末；
将按重量份数计的金刚石微粉9份和BNi72CrP钎料粉91份，采用机械合金化法得到涂层B的喷涂材料粉末；
其中，YG8颗粒的粒度为60-80目；金刚石微粉的粒度为200-300目；BNi72CrP钎料粉的粒度为200-300目；
(3)涂层的制备：
采用超音速火焰喷涂设备将涂层A的喷涂材料粉末对步骤(1)中处理后的旋耕刀表面进行第一次喷涂，形成0.2-0.3mm的涂层A后，然后接着将涂层B的喷涂材料喷涂于涂层A表面，形成0.15-0.2mm的涂层B；重复交替喷涂涂层A和涂层B的操作，直至整个涂层的厚度达到1.5mm-5mm，得到具有梯度耐磨涂层的旋耕刀；
所述超音速火焰喷涂设备工艺参数为：喷枪枪口与旋耕刀表面距离20cm，喷枪移动速度10m/min，航空煤油18L/h，氧气流量为720L/min，氮气流量为10L/min，喷涂材料粉末流量为52g/min。
实施例3
本实施例提供了一种具有梯度耐磨涂层的刀具，其制备方法包括如下步骤：
(1)刀具基体表面预处理：
将旋耕刀表面进行清洁、喷砂、烘干处理后，用耐高温材料石墨乳保护非喷涂区域，然后对喷涂区域进行预热；
(2)制备涂层材料：
将按重量份数计的YG8颗粒28份和BNi72CrP钎料粉72份，采用机械合金化法得到涂层A的喷涂材料粉末；
将按重量份数计的金刚石微粉10份和BNi72CrP钎料粉90份，采用机械合金化法得到涂层B的喷涂材料粉末；
其中，YG8颗粒的粒度为60-80目；金刚石微粉的粒度为200-300目；BNi72CrP钎料粉的粒度为200-300目；
(3)涂层的制备：
采用超音速火焰喷涂设备将涂层A的喷涂材料粉末对步骤(1)中处理后的旋耕刀表面进行第一次喷涂，形成0.2-0.3mm的涂层A后，然后接着将涂层B的喷涂材料喷涂于涂层A表面，形成0.15-0.2mm的涂层B；重复交替喷涂涂层A和涂层B的操作，直至整个涂层的厚度达到1.5mm-5mm，得到具有梯度耐磨涂层的旋耕刀；
所述超音速火焰喷涂设备工艺参数为：喷枪枪口与旋耕刀表面距离20cm，喷枪移动速度10m/min，航空煤油18L/h，氧气流量为720L/min，氮气流量为10L/min，喷涂材料粉末流量为52g/min。
实施例4
本实施例提供了一种具有梯度耐磨涂层的刀具，其制备方法包括如下步骤：
(1)刀具基体表面预处理：
将旋耕刀表面进行清洁、喷砂、烘干处理后，用耐高温材料石墨乳保护非喷涂区域，然后对喷涂区域进行预热；
(2)制备涂层材料：
将按重量份数计的YG8颗粒30份和BNi72CrP钎料粉70份，采用机械合金化法得到涂层A的喷涂材料粉末；
将按重量份数计的金刚石微粉11份和BNi72CrP钎料粉89份，采用机械合金化法得到涂层B的喷涂材料粉末；
其中，YG8颗粒的粒度为60-80目；金刚石微粉的粒度为200-300目；BNi72CrP钎料粉的粒度为200-300目；
(3)涂层的制备：
采用超音速火焰喷涂设备将涂层A的喷涂材料粉末对步骤(1)中处理后的旋耕刀表面进行第一次喷涂，形成0.2-0.3mm的涂层A后，然后接着将涂层B的喷涂材料喷涂于涂层A表面，形成0.15-0.2mm的涂层B；重复交替喷涂涂层A和涂层B的操作，直至整个涂层的厚度达到1.5mm-5mm，得到具有梯度耐磨涂层的旋耕刀；
所述超音速火焰喷涂设备工艺参数为：喷枪枪口与旋耕刀表面距离20cm，喷枪移动速度10m/min，航空煤油18L/h，氧气流量为720L/min，氮气流量为10L/min，喷涂材料粉末流量为52g/min。
实施例5
本实施例提供了一种具有梯度耐磨涂层的刀具，其制备方法包括如下步骤：
(1)刀具基体表面预处理：
将旋耕刀表面进行清洁、喷砂、烘干处理后，用耐高温材料石墨乳保护非喷涂区域，然后对喷涂区域进行预热；
(2)制备涂层材料：
将按重量份数计的YG8颗粒35份和BNi72CrP钎料粉65份，采用机械合金化法得到涂层A的喷涂材料粉末；
将按重量份数计的金刚石微粉12份和BNi72CrP钎料粉88份，采用机械合金化法得到涂层B的喷涂材料粉末；
其中，YG8颗粒的粒度为60-80目；金刚石微粉的粒度为200-300目；BNi72CrP钎料粉的粒度为200-300目；
(3)涂层的制备：
采用超音速火焰喷涂设备将涂层A的喷涂材料粉末对步骤(1)中处理后的旋耕刀表面进行第一次喷涂，形成0.2-0.3mm的涂层A后，然后接着将涂层B的喷涂材料喷涂于涂层A表面，形成0.15-0.2mm的涂层B；重复交替喷涂涂层A和涂层B的操作，直至整个涂层的厚度达到1.5mm-5mm，得到具有梯度耐磨涂层的旋耕刀；
所述超音速火焰喷涂设备工艺参数为：喷枪枪口与旋耕刀表面距离20cm，喷枪移动速度10m/min，航空煤油18L/h，氧气流量为720L/min，氮气流量为10L/min，喷涂材料粉末流量为52g/min。
实施例6
本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：将涂层A和涂层B的喷涂材料中的BNi72CrP钎料粉替换为等量的BNi71CrSi钎料粉。
实施例7
本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：采用常规的炉中钎涂法制备涂层A和涂层B。
旋耕刀工作面涂覆好涂层A后，置于炉中加热钎涂，完成涂层A的制备，接着涂覆涂层B，置于炉中加热钎涂，完成涂层B的制备，依次类推，直至涂层厚度达到要求。
炉中钎涂法制备多道次的梯度涂层时效率较低，需多次入炉加热，且旋耕刀是整体放入炉中进行加热，易产生热变形。
采用堆焊制备涂层A和B,堆焊的温度较高、加热速率慢，涂层中金刚石粉长时间处于高温，极易烧损和石墨化。
比较例1
比较例参考实施例1的制备方法，区别在于：仅单独喷涂设置涂层A，直至涂层A的厚度为1.5mm-5mm。
比较例2
比较例参考实施例1的制备方法，区别在于：仅单独喷涂设置涂层B，直至涂层B的厚度为1.5mm-5mm。
比较例3
比较例参考实施例1的制备方法，区别在于：调整涂层A和涂层B的顺序，先喷涂涂层B，再喷涂涂层A，交替设置涂层B和涂层A。
比较例4
比较例参考实施例1的制备方法，区别在于：涂层A中YG8颗粒的粒度为200目，涂层B中金刚石微粉的粒度为60目。
实验例1
为了对比说明本发明实施例和比较例的具有梯度耐磨涂层的刀具的性能差别，分别参考实施例1-7和比较例1-4的方法制备，将刀具替换为规格为25mm×5mm×100mm的淬火态65Mn钢(实施例1-7的和比较例1-4中涂层的总厚度控制在3.6mm)，进行涂层磨损实验。
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24h后，称取前后质量变化，测试结果见表1。
表1磨损试验试样重量变化
实验例2
为了对比说明本发明实施例和比较例的刀具的性能差别，分别将实施例1-7和比较例1-4的方法在同种旋耕刀基材上制备3.6mm厚的涂层(实施例1-7、比较例3-4中涂层A和涂层B的厚度分别为0.25mm和0.15mm，比较例1-2中整个涂层厚度为3.6mm)，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
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 (10)

1.一种具有梯度耐磨涂层的刀具，其特征在于，包括刀具基体和附着于刀具基体表面的耐磨涂层，所述耐磨涂层包括由基体表面方向起依次交替设置的涂层A和涂层B；
所述涂层A中含有YG8颗粒；所述涂层B中含有金刚石微粉；
其中YG8颗粒的尺寸大于金刚石微粉的尺寸。
2.根据权利要求1所述的具有梯度耐磨涂层的刀具，其特征在于，所述YG8颗粒的粒度为60-80目；
优选的，所述金刚石微粉的粒度为200-325目；
更优选的，所述金刚石微粉的粒度为250-300目。
3.根据权利要求1所述的具有梯度耐磨涂层的刀具，其特征在于，所述涂层A和涂层B中还包括钎料；
优选的，所述涂层A中包括镍基钎料；
优选的，所述涂层B中包括镍基钎料；
更优选的，所述镍基钎料包括BNi72CrP钎料、BNi76CrP钎料和BNi65CrP钎料中的任一种或多种；
优选的，所述钎料的粒度为180-300目。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有梯度耐磨涂层的刀具，其特征在于，所述涂层A中包括按重量份数计的YG8颗粒20-35份和镍基钎料65-80份。
5.根据权利要求1-3任一项所述的具有梯度耐磨涂层的刀具，其特征在于，所述涂层B中包括按重量份数计的金刚石微粉8-12份和镍基钎料88-92份。
6.根据权利要求1-3任一项所述的具有梯度耐磨涂层的刀具，其特征在于，所述耐磨涂层的厚度为1.5-5mm；
优选的，每个所述涂层A的厚度为0.2-0.3mm；
优选的，每个所述涂层B的厚度为0.15-0.2mm。
7.权利要求1-6任一项所述的具有梯度耐磨涂层的刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在预处理的刀具表面喷涂所述耐磨涂层。
8.根据权利要求7所述的具有梯度耐磨涂层的刀具的制备方法，其特征在于，所述喷涂的方法包括超音速火焰喷涂；
优选的，所述超音速火焰喷涂的条件包括：喷枪枪口与刀具基体表面距离15-25cm；喷枪移动速度为10±2m/min；航空煤油18±2L/h；氧气流量为720±20L/min；氮气流量为10±2L/min；涂层材料流量为52±2g/min。
9.根据权利要求7或8所述的具有梯度耐磨涂层的刀具的制备方法，其特征在于，在预处理的刀具表面先喷涂一层涂层A，然后在涂层A的表面喷涂一层涂层B，重复该步骤，直至耐磨涂层的厚度为1.5-5mm。
10.含有权利要求1-6任一项所述的刀具的旋耕机。
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