CN117327957A - 一种熔覆粉末材料及其作为农业机械触土部件的表面强化涂层的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种熔覆粉末材料及其作为农业机械触土部件的表面强化涂层的应用，涉及农业机械触土部件的表面强化技术领域。本发明熔覆粉末材料的原料由以下质量百分数的组分构成：Mo粉48.5wt％、FeB粉28.2wt％、Ni粉3wt％、Cr粉2.5wt％、C粉0.5wt％，余量为Fe粉。开沟犁尖包括犁尖前体与犁尖主体，犁尖前体呈V型结构与犁尖主体无缝衔接在一起。开沟犁尖以熔覆粉末材料经等离子熔覆工艺进行表面强化处理。本发明通过控制粉末组分配比并经过冶金反应原位合成的三元硼化物，使熔覆层具有高致密性和良好的耐磨性，熔覆层和基体硬度均得到了显著提升，力学性能得到了有效改善。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械触土部件的表面强化技术领域，特别是涉及一种熔覆粉末材料及其作为农业机械触土部件的表面强化涂层的应用。
背景技术
在农机触土部件的作业过程中，长期承受土壤中砂砾、作物根茬以及不同地区土壤硬质颗粒的频繁冲击与磨损，加剧了关键触土部件的磨损消耗，从而直接影响其使用寿命，降低耕种效率。开沟器是播种机的主要工作部件，它能在种床上按农业技术要求深入耕作层后用开沟犁尖将土壤向两侧翻动开出一定深度的种沟，引导种子和肥料落入种沟，并覆盖湿土。开沟犁尖作为开沟器关键工作部件，与恶劣的土壤环境直接接触会受到较大的负荷冲击和土壤摩擦，极易导致开沟犁尖的断裂和磨损失效，降低使用寿命。播种开沟犁尖的频繁失效，增加了耕作成本，影响农业生产。
通过研究发现，表面工程技术的出现能很好的改善零部件表面的综合性能，如耐磨性、高温抗氧化性以及抗疲劳性能。金属陶瓷涂层是由一种或几种陶瓷作为硬质相，金属或合金作为粘结相共同组成的非均匀复合涂层。它既保持了陶瓷的高硬度和高强度，又兼顾金属基体的塑韧性，并且由于金属材质的存在与基体也有着良好的结合强度，是一种非常有应用前景的熔覆材料。目前最常用的金属陶瓷涂层为WC基金属陶瓷涂层，但其抗氧化性能差，高温下易发生氧化，化学稳定性低，熔覆过程中易溶于金属基体，从而产生脆性相，限制了熔覆高度。硼元素能与金属和非金属化合形成各种硼化物，且硼资源含量丰富。三元硼化物不仅具有二元硼化物高硬度、良好耐磨性以及热稳定性等特性，还具有与钢相近的热膨胀系数和密度，与之结合后的热应力小，且不含W、Co等战略资源，有效降低成本。但三元硼化物金属陶瓷烧结性能不好、脆性大、强韧性差、制造困难极大限制其应用。为了克服硼化物烧结困难、强韧性差的问题，目前大多采用成本高、生产效率低且工程应用适用性差的真空液相烧结工艺，但是此工艺不能满足农业机械化的生产需求。
综上所述，如何有效地提高农机触土部件的耐磨性能和强度，减少由土壤磨损带来的损失，并且找到一种同时具有优异的抗氧化性、高耐磨性、基体结合力强及稳定性好的熔覆层，是农机制造业亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种熔覆粉末材料及其作为农业机械触土部件的表面强化涂层的应用，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种熔覆粉末材料，所述熔覆粉末材料的原料由以下质量百分数的组分构成：Mo粉48.5wt％、FeB粉28.2wt％、Ni粉3wt％、Cr粉2.5wt％、C粉0.5wt％，余量为Fe粉。
作为本发明的进一步优选，所述Mo粉的粒径为46μm，由0.002wt％Fe、0.1wt％O、0.001wt％Si，余量为Mo构成；所述Fe粉的粒径为50μm，由0.1wt％C、0.1wt％N、0.2wt％O，余量为Fe构成；所述FeB粉的粒径为80μm，由0.27wt％C、0.71wt％Si，余量为FeB构成；所述Ni粉的粒径为50μm，纯度>99.9％；所述Cr粉的粒径为50μm，纯度>99.5％；所述C粉的粒径为30μm，纯度>99.5％。
本发明的熔覆粉末材料中的Mo、Fe、FeB这三个基本组元通过以下焊接冶金反应形成三元硼化物Mo2FeB2基陶瓷硬质相，Mo的存在不仅参与反应生成所需陶瓷相，还能起到细化晶粒、固溶强化的作用，从而提高熔覆层的热稳定性和耐磨性；
冶金反应：Fe+FeB＝Fe2B；2Mo+2FeB＝Mo2FeB2+Fe；Mo+2Fe2B＝Mo2FeB2+3Fe。
在熔覆过程中加入的Ni弥散分布在铁基粘结相中，随着Ni含量的提升，铁基粘结相由铁素体转变为马氏体再转变为奥氏体，Ni和Fe共同作用提高熔覆层的性能，因此选择合适含量的Ni可以使熔覆层具有相对较好的力学性能和良好的热稳定性。
在熔覆过程中加入的Cr不仅会溶于铁基粘结相中对堆焊合金起到固溶强化作用，同时也会存在于Mo2FeB2三元硼化物硬质相中，取代Mo原子改变硬质相晶格结构及其各向异性，在一定程度上起到合金强化的作用，从而提高共晶组织的韧性和熔覆层硬度，增加熔覆层的抗脱落能力，冶金反应还会生成一定份额的Cr7C3弥散分布在铁基粘结相中，与三元硼化物一起作为熔覆层中的耐磨骨架，并与合金基体共同作用来提高熔覆层的耐磨性。
在熔覆过程中加入的C能有效去除熔覆层中的氧及氧化物杂质，减少气孔，增强熔覆层综合性能。
本发明还提供了上述的熔覆粉末材料作为农业机械触土部件的表面强化涂层的应用。
本发明还提供了一种农业机械触土部件，所述农业机械触土部件以上述熔覆粉末材料经熔覆工艺进行表面强化处理。
本发明提供的农业机械触土部件的技术方案中，所述农业机械触土部件的材质为45钢，经熔覆工艺处理后还包括后续热处理步骤，更优选的，熔覆工艺为等离子熔覆，所述等离子熔覆在保护气氛下进行，保护气氛为氩气，等离子熔覆的工艺参数为：工作电流70～90A；扫描速度10～20cm/min；喷嘴与基体表面间距离5～15mm；热处理的工艺参数：热处理的温度为820℃～850℃，热处理的时间为30～60min。
本发明还提供了一种农业机械触土部件的表面强化工艺，以上述熔覆粉末材料对农业机械触土部件进行表面强化处理。
本发明提供的农业机械触土部件的表面强化工艺中，所述表面强化处理的方法为熔覆工艺，进一步优选为等离子熔覆，等离子熔覆在保护气氛下进行，保护气氛为氩气，更优选的，等离子熔覆的工艺参数为：工作电流70～90A；扫描速度10～20cm/min；喷嘴与基体表面间距离5～15mm；经熔覆工艺处理后还包括后续热处理步骤，更优选的，所述热处理为微波热处理，热处理的工艺参数：热处理的温度为820℃～850℃，热处理的时间为30～60min。
本发明还提供了一种开沟犁尖，所述开沟犁尖以上述熔覆粉末材料经熔覆工艺进行表面强化处理；
所述开沟犁尖包括犁尖主体与犁尖前体；
所述犁尖主体的上表面呈U型结构，两个犁尖主体侧面均与所述犁尖主体上表面垂直连接，两个犁尖主体侧面形成夹角，且不相接；所述犁尖前体呈V型结构，所述犁尖前体与两个所述犁尖主体侧面连接，所述犁尖前体的V型结构尖端远离所述犁尖主体侧面设置。
作为本发明的进一步优选，所述两个犁尖主体侧面形成的夹角为30°，所述犁尖前体的V型结构夹角为45°；
更优选的，犁尖主体的上端面开设有螺栓孔，所述螺栓孔沿所述犁尖主体的中轴线排列，所述螺栓孔的数量为2个。
本发明开沟犁尖为播种机上的锐角开沟犁尖，能按农业技术要求在种床上开出一定深度的种沟，开沟犁尖的犁尖主体上表面的U型设计能与上部犁体进行很好的契合，在开沟时能有效防止土壤颗粒进入缝隙中；犁尖主体两个侧面形成一定夹角的平面，是为了减弱土壤阻力，降低磨损；犁尖前体与犁尖主体侧面相衔接；犁尖前体呈V型设计，是为了通过对结构进行优化来降低在土壤中的运行阻力，从而能更好的深入土壤进行开沟工作；所述犁尖主体内部两个螺栓孔能与上部犁体通过螺栓进行牢牢固定，确保不会脱落。
作为本发明的进一步优选，所述开沟犁尖的材质为45钢，所述表面强化处理在所述开沟犁尖的表面形成熔覆层，所述熔覆层的厚度为2～3mm。
本发明提供的开沟犁尖的技术方案中，所述熔覆工艺进一步优选为等离子熔覆，以熔覆层磨损量为评价指标设计三因素三水平的正交试验选择最优工艺参数，所述等离子熔覆的工作电流为80A，扫描速度为20cm/min，搭接率为50％，离子气流量为2L/min，喷嘴与基体表面间距离为10mm；所述等离子熔覆在保护气氛下进行，保护气氛为氩气。
更优选的，经熔覆工艺处理前还包括将熔覆粉末材料和粘结剂混合后制成块体进行干燥；所述粘结剂为液体硅酸钠，液体硅酸钠的模数为3.3，波美度为40，所述粘合剂的质量分数为熔覆粉末材料质量的40％，所述干燥的温度为80℃，所述干燥的时间为5h。
更优选的，经熔覆工艺处理前还包括对开沟犁尖进行预处理，所述预处理包括以下步骤：对开沟犁尖表面进行喷砂处理，以去除基体表面氧化物杂质和划痕至裸漏出金属表面，用浓度为99.5％的丙酮溶液擦洗除油，经无水乙醇清洗表面杂物后用吹风机将其吹干，使基体表面干燥洁净，得到预处理的开沟犁尖。
本发明对开沟犁尖预处理的目的在于避免因表面杂质而影响熔覆层与基体之间的冶金结合性能。
本发明提供的开沟犁尖的技术方案中，进一步优选为经熔覆工艺处理后还包括后续热处理步骤，所述热处理的温度为820～850℃，所述热处理的时间为30～60min。更优选的，所述热处理为微波热处理，所述热处理后还包括冷却处理，所述冷却处理的方式为水冷，水冷的温度为常温，时间为5～15min。
本发明还提供了一种开沟犁尖的表面强化工艺，以上述熔覆粉末材料对开沟犁尖进行表面强化处理。该开沟犁尖长期工作在恶劣的土壤环境中，易发生磨损失效，为进一步提高其耐磨性，延长使用寿命，在其表面进行表面强化处理。
本发明提供的开沟犁尖的表面强化工艺的技术方案中，所述表面强化处理的方法为熔覆工艺，进一步优选为等离子熔覆，更优选的，等离子熔覆的工艺参数为：工作电流为80A，扫描速度为20cm/min，搭接率为50％，离子气流量为2L/min，喷嘴与基体表面间距离为10mm；所述等离子熔覆在保护气氛下进行，所述保护气氛为氩气。经熔覆工艺处理后还包括后续热处理步骤，更优选的，热处理为微波热处理，热处理的工艺参数为：热处理的温度为820～850℃，热处理的时间为30～60min。
本发明公开了以下技术效果：
1)本发明熔覆粉末材料中的Mo、Fe、FeB三个基础组分形成Mo2FeB2基陶瓷硬质相，Ni存在于铁基粘结相中，提高熔覆层的力学性能和热稳定性，Cr同时存在于铁基粘结相和陶瓷硬质相中，与合金基体共同作用提高熔覆层的耐磨性，C可以去除熔覆层中的氧及氧化物杂质，减少气孔，增强熔覆层综合性能。在选择上述组分的基础上，通过控制熔覆粉末材料的组分配比，得到硬度更高、耐磨性更好的三元硼化物熔覆层。
2)农业机械触土部件易磨损失效，为进一步提高耐磨性，延长使用寿命，采用本发明的熔覆粉末材料对农业机械触土部件的表面进行强化处理，基于熔覆粉末材料高硬度、良好耐磨性的特性，并且与45钢相近的热膨胀系数，与农业机械触土部件结合后的热应力小，能够有效提高农机触土部件的强度和耐磨性。
3)本发明将特定比例的熔覆粉末材料通过熔覆工艺在农业机械触土部件表面原位合成高致密、高耐磨的金属陶瓷复合涂层，并进行热处理。经过表面强化工艺在农机触土部件的表面形成的复合涂层强韧性高、抗氧化性高、耐磨性好，能与基体形成良好的冶金结合。
4)本发明的开沟犁尖包括犁尖前体与犁尖主体，犁尖主体的上表面呈U型设计，两个侧面可以形成一定夹角的斜平面，犁尖前体呈V型并与犁尖主体侧面相衔接。本发明的开沟犁尖结构合理，能有效的进行开沟耕作，同时犁尖前体的“V”型设计还能增强破土能力，降低在土壤中的前进阻力。
5)本发明使用熔覆粉末材料对开沟犁尖进行表面强化处理得到的Mo2FeB2熔覆层具有优异的化学稳定性、较高的硬度以及优异的耐磨性，并且Mo2FeB2熔覆层的热膨胀系数(8.5×10-6/K～13.9×10-6/K)与开沟犁尖基体45钢的热膨胀系数(10×10-6/K～20×10-6/K)相近，能够在熔覆层与基体之间形成良好的冶金结合，不易出现裂纹，表现出较好的综合性能。
6)本发明使用等离子熔覆技术在开沟犁尖表面成功制备了综合性能良好的熔覆层，熔覆过程效率高、可靠性强，所获得的熔覆层成分均匀、致密、无气孔及裂纹等缺陷。相比于其它表面涂覆技术，等离子熔覆设备投资少、耗能低、工艺简单、操作灵活，因而更适合农业触土部件的工艺要求。
7)本发明通过冶金反应原位合成的Mo2FeB2基陶瓷硬质相弥散分布在Fe基粘结相中，使熔覆层具有高致密性和良好的耐磨性，与未经表面强化处理的开沟犁尖相比，热处理后熔覆层和基体硬度均得到了显著提升，力学性能得到了有效改善。
8)开沟犁尖长期工作在恶劣的土壤环境中，易发生磨损失效，为提高其耐磨性，延长使用寿命，在其表面进行表面强化处理。通过以下表面强化工艺实现，该工艺将熔覆粉末材料按照一定比例进行充分混合，通过等离子熔覆技术，在开沟犁尖表面原位合成高致密高耐磨的金属陶瓷复合涂层，并对其进行热处理。通过本发明的表面强化工艺获得的复合涂层强韧性高、抗氧化性高、耐磨性好、能与基体形成良好的冶金结合，并且操作简单，可控性强，成本低，重复性好，适合工业化生产，可有效减轻开沟犁尖在土壤中的磨损问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明的开沟犁尖的示意图，其中，A为犁尖前体，B为犁尖主体侧面，C为螺栓孔，D为犁尖主体上表面；
图2为本发明的开沟犁尖与犁体的配装示意图，其中，E为犁体，F为开沟犁尖；
图3为实施例2制备的熔覆层的XRD图；
图4为实施例2制备的熔覆层的横截面SEM图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
下面结合实施例对本发明技术方案进行进一步详细的说明。
本发明实施例和对比例所用开沟犁尖的示意图如图1所示，其中，A为犁尖前体，B为犁尖主体侧面，C为螺栓孔，D为犁尖主体上表面；本发明实施例和对比例所用开沟犁尖与犁体的配装示意图如图2所示，其中，E为犁体，F为开沟犁尖。
实施例1
本实施例以开沟犁尖为熔覆基体，所用开沟犁尖为45钢，成分如下：
表1开沟犁尖基体成分表(wt％)
对开沟犁尖表面进行喷砂处理，去除基体表面氧化物杂质和划痕至裸漏出金属表面，用浓度为99.5％的丙酮溶液擦洗除油，经无水乙醇清洗表面杂物后用吹风机将其吹干，使基体表面干燥洁净，得到预处理的开沟犁尖。
将48.5g粒径46μm的Mo粉末、17.3g粒径50μm的Fe粉末、28.2g粒径80μm的FeB粉末、3g粒径50μm的Ni粉末、2.5g粒径50μm的Cr粉末和0.5g粒径30μm的C粉混合均匀，得到熔覆粉末材料。将熔覆粉末材料和40g液体硅酸钠(模数为3.3，波美度为40)充分搅拌，得到有一定粘稠度的湿料，用小刷子将湿料涂刷成厚度约为2～3mm且形状规则的块体，自然晾晒后，在80℃的温度下干燥5h，得到合金熔覆块。采用合金熔覆块对预处理的开沟犁尖进行等离子熔覆，等离子熔覆在氩气保护下进行，设计三因素三水平的正交试验，结合极差与方差分析得出最优工艺参数为工作电流为80A，扫描速度为20cm/min，搭接率为50％，离子气流量为2L/min，喷嘴与基体表面间距离为10mm。在开沟犁尖的表面形成厚度为2mm的熔覆层。
实施例2
本实施例和实施例1的区别仅在于，经等离子熔覆处理后，置于微波工作站中在830℃下微波热处理30min，结束后立即取出并在常温下进行水冷，水冷10min，在开沟犁尖的表面形成厚度为2mm的熔覆层。
本实施例制备的熔覆层的XRD图如图3所示，本实施例制备的熔覆层的横截面SEM图如图4所示。
对比例1
本对比例和实施例1的区别仅在于，熔覆粉末材料的组分为：47.5g Mo粉末、17.1gFe粉末、29.6g FeB粉末、2.9g Ni粉末、2.4g Cr粉末和0.5g C粉。
对比例2
本对比例和实施例1的区别仅在于，调整等离子熔覆的工艺参数为工作电流90A，扫描速度为10cm/min，搭接率为50％，离子气流量为2L/min，喷嘴与基体表面间距离为15mm。
在载荷500g，保压时间10s的条件下，测试实施例1～2、对比例1制备的熔覆层的硬度，在摩擦工艺参数为载荷60N、转速300r/min、时间150min的条件下，测试实施例1～2、对比例1制备的熔覆层的耐磨性能，测试结果如表2所示。
表2
分析表2的数据可知，在本发明的组分配比下，可以提高熔覆层的硬度和耐磨性能，改变组分配比，熔覆层的硬度降低，磨损量增加。经热处理后的熔覆层硬度(980.7HV0.5)比未经热处理熔覆层硬度(842.2HV0.5)提高了16.5％，力学性能得到了有效提升；经热处理后的磨损量(19.2mg)较未经热处理(24.6mg)的降低了22％，耐磨性能也得到了相应提高，表明热处理后的熔覆层性能比单纯的等离子熔覆性能效果好。
为了进一步测试耐磨性能，在摩擦工艺参数为载荷60N、转速300r/min、时间100min的条件下，测试实施例1和对比例2制备的熔覆层的耐磨性能。结果表明：在摩擦100min的条件下，实施例1制备的熔覆层的磨损量为11.9mg，对比例2制备的熔覆层的磨损量为19.1mg。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种熔覆粉末材料，其特征在于，所述熔覆粉末材料的原料由以下质量百分数的组分构成：Mo粉48.5wt％、FeB粉28.2wt％、Ni粉3wt％、Cr粉2.5wt％、C粉0.5wt％，余量为Fe粉。
2.权利要求1所述的熔覆粉末材料作为农业机械触土部件的表面强化涂层的应用。
3.一种农业机械触土部件，其特征在于，所述农业机械触土部件以权利要求1所述的熔覆粉末材料经熔覆工艺进行表面强化处理。
4.根据权利要求3所述的农业机械触土部件，其特征在于，所述农业机械触土部件的材质为45钢，经熔覆工艺处理后还包括后续热处理步骤。
5.一种农业机械触土部件的表面强化工艺，其特征在于，以权利要求1所述的熔覆粉末材料对农业机械触土部件进行表面强化处理。
6.一种开沟犁尖，其特征在于，所述开沟犁尖以权利要求1所述的熔覆粉末材料经熔覆工艺进行表面强化处理；
所述开沟犁尖包括犁尖主体与犁尖前体；
所述犁尖主体上表面呈U型结构，两个犁尖主体侧面均与所述犁尖主体上表面垂直连接，两个犁尖主体侧面形成夹角，且不相接；所述犁尖前体呈V型结构，所述犁尖前体与两个所述犁尖主体侧面连接，所述犁尖前体的V型结构尖端远离所述犁尖主体侧面设置。
7.根据权利要求6所述的开沟犁尖，其特征在于，所述两个犁尖主体侧面形成的夹角为30°，所述犁尖前体的V型结构夹角为45°；
所述开沟犁尖的材质为45钢；所述表面强化处理在所述开沟犁尖的表面形成熔覆层，所述熔覆层的厚度为2～3mm。
8.根据权利要求6所述的开沟犁尖，其特征在于，所述熔覆工艺为等离子熔覆，所述等离子熔覆的工作电流为80A，扫描速度为20cm/min，搭接率为50％，离子气流量为2L/min，喷嘴与基体表面间距离为10mm；所述等离子熔覆在保护气氛下进行。
9.根据权利要求6所述的开沟犁尖，其特征在于，经熔覆工艺处理后还包括后续热处理步骤，所述热处理的温度为820～850℃，所述热处理的时间为30～60min。
10.一种开沟犁尖的表面强化工艺，其特征在于，以权利要求1所述的熔覆粉末材料对开沟犁尖进行表面强化处理。
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