深松鏟尖表面激光熔覆強(qiáng)化試驗研究

閆勇，王宏立

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

農(nóng)機(jī)碎土深耕中主要工作部件是深松鏟尖，在播前整地的土壤疏松中，深松鏟尖的磨損是一個十分復(fù)雜的過程，不僅取決于深松鏟尖的內(nèi)部化學(xué)成分及材料結(jié)構(gòu)，還受到許多外界的影響，例如土壤機(jī)械組成（粒度、石英砂含量、砂礫形狀和硬度等）、土壤濕度（溫度影響土壤的堅實度、粘度和硬砂粒在零件表面的附著力）、刀的形狀、摩擦表面的單位壓力和運(yùn)動速度，土壤中砂石或磨料接觸造成的摩擦磨損，同時還受到砂礫，植物根系等物的沖擊，造成彎曲變形或折斷。

由于深松鏟尖在工作中普遍存在嚴(yán)重腐蝕及磨損[1]，如果硬度、耐磨性不能滿足要求，在服役時，這些零件與土壤、作物根茬摩擦這極大的影響鏟尖的工作壽命，同樣生產(chǎn)成本也會升高[2]。采用激光熔覆技術(shù)表面加工方法[3-6]用于需要具有高性能合金層的金屬材料的表面上，提高材料表面的物理性能，如鏟尖需要的耐磨、耐蝕等方面的性能[7-10]。與其它表面強(qiáng)化方式如堆焊、熱噴涂，還有等離子噴涂等相比，通過激光熔覆方式強(qiáng)化的表面層性能好、綜合成本低等方面優(yōu)勢[11]。相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)報道過鎳基合金涂層相關(guān)的研究成果[15]，朱潤生等[16-17]在金屬表面上熔覆鎳基合金粉末的試驗，表明其具有良好的自熔性、潤濕性、硬度高等特性。國內(nèi)外很多學(xué)者對Ni60 自熔性合金粉末激光熔覆進(jìn)行了很多的研究[18-20]，通過對深松鏟融覆Ni60 合金粉末后的熔覆層的宏觀樣貌及所用的熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行觀察及試驗，熔覆層顯微硬度高達(dá)957 Hv0.1，遠(yuǎn)高于基體硬度，測試后的熔覆層摩擦磨損性能高于基體。其熔覆后涂層的耐磨性、耐蝕性等方面都取得了很好的效果。

在激光熔覆過程中熔覆層可能開裂形成裂紋，涂層中殘余熱應(yīng)力的大小和熔覆層的抗開裂能力（韌塑性及抗拉強(qiáng)度）是影響材料開裂敏感性主要原因。由于熔覆材料與基材之間存在的物理性能方面的差別，激光束的高能密度的迅速加熱和基材的激冷效果這兩種因素，熔覆層中的枝晶界、氣孔、夾雜的雜質(zhì)強(qiáng)度較低易發(fā)生應(yīng)力集中，當(dāng)局部拉應(yīng)力大于熔覆層材料的強(qiáng)度極限時，就會產(chǎn)生裂紋。單道激光熔覆層的裂紋的分布大部分是平行的且與激光掃描的方向垂直。選擇具有與基體熱膨脹系數(shù)相近的熔覆材料可以減少裂紋的產(chǎn)生，也可以采用試驗后得出的較優(yōu)工藝參數(shù)來減少熔覆層中的裂紋。

氣孔是一種在激光熔覆層中非常有害的缺陷，而熔覆層中的裂紋源就是由氣孔引起的，尤其在一些需要具有高氣密性的性能的熔覆層地方氣孔的存在是完全不能被應(yīng)用的，另外需要熔覆層具有耐磨、耐蝕等特性的地方氣孔也會降低其性能。產(chǎn)生氣孔的因素主要是：涂層熔覆搭接過程中的搭接產(chǎn)生的孔隙，以及凝固時材料的收縮會產(chǎn)生凝固孔以及熔覆過程中脫氧造渣產(chǎn)生的氣體產(chǎn)生的氣孔。熔覆鎳基合金材料的熔點(diǎn)與鋼基材的熔點(diǎn)不一樣，導(dǎo)致兩者相交界面凝固時間不一致這會導(dǎo)致其收縮形成孔隙。通常，氣孔是不能完全能避免在激光熔覆過程中?？梢圆扇∫恍┐胧┯脕頊p少熔覆層中氣孔數(shù)量，例如在試驗前對鎳基合金粉末樣品進(jìn)行烘干處理；也可以選擇不易氧化的合金粉末或者在涂層粉末中加入抗氧化的物質(zhì)；在激光熔覆期間加大相應(yīng)的保護(hù)氣體的流量；通過調(diào)節(jié)試驗參數(shù)，如較高的激光功率和較慢的掃描速度，這樣就可以延長熔池存在的時間，使氣體更容易逸出。

試驗采用深松鏟尖基材為試驗材料，用直讀光譜儀測定其化學(xué)成分，試驗前用線切割機(jī)將熔覆層切割成9 塊尺寸大小為30 mm×30 mm×5 mm 長方體試樣。使用的激光熔覆材料，使用的熔覆材料為粉末狀材料。因為粉末狀的熔覆材料不僅能與激光、熔池之間的接觸面積增大，而且脫氧造渣能力也會提升，也能與保護(hù)氣體進(jìn)行最大面積的接觸。不但要對熔覆材料的選擇與基體材料相匹配，而且還要考慮其線膨脹系數(shù)、熔覆材料的熔點(diǎn)和基體材料之間的潤濕性等都應(yīng)該匹配。主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)有以下幾點(diǎn)：

（1）所用的材料應(yīng)有良好的潤濕性在基體材料上進(jìn)行熔覆時熔覆的質(zhì)量才會提高。

（2）激光熔覆粉末與基體材料兩者各具有的熱膨脹系數(shù)相同或者接近，熱膨脹系數(shù)差距越小的兩種材料，熔覆后的組織致密性才能越好。

（3）熔覆材料與基體材料的熔點(diǎn)應(yīng)該相接近，以確保熔覆時兩者能夠同時熔化、結(jié)晶成熔覆層。如果兩者的熔點(diǎn)差別較大，觀察微觀組織時明顯看到晶體大小不均勻而導(dǎo)致熔覆后的鏟尖性能下降更是無法使用。

試驗中使用的熔覆層的材料為NiCrBSi（Ni60，后文中簡稱Ni 自熔性合金粉末），其化學(xué)成分（wt%）為：16 Cr，3.3 B，4.4 Si，0.9 C，8.0 Fe，余為Ni。Ni 基合金具有良好的耐高溫氧化性、良好的耐蝕性和耐磨性以及較高的硬度等。這主要是由于Ni 基合金中的Cr 元素能溶于Ni 中形成NiCr 固溶體而增加涂層的強(qiáng)度，同樣提高涂層的硬度和耐磨性原因還有材料中所含有的Cr 還能與B 元素、C 元素形成碳化物和硼化物等硬物；此外，Si 可溶于鋁中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果形成過飽和固溶體，同時還能形成大量分布著彌散的高強(qiáng)度Si 質(zhì)點(diǎn)而較大的提升了其耐磨性。選用最佳的參數(shù)試驗結(jié)果表明，熔覆層與基體結(jié)合緊密，無氣孔及裂紋。其結(jié)合面顯微組織良好，表面硬度高，摩擦磨損性能良好，熔覆層的硬度比基體硬度要高約3.5 倍，磨損量約為基體的四分之一，并研究了采用熔覆鎳基合金的方式在農(nóng)機(jī)深松鏟上的使用的合理性，通過研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)對改進(jìn)農(nóng)機(jī)深松鏟的加工工藝，提高零件工作使用壽命，降低使用和制造成本提供了有益的效果。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用65 Mn 鋼板為試驗基體的材料，切割的試樣尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。使用的熔覆材料粉末參數(shù)為140 至320 目鎳基合金粉末，其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 鎳基合金粉末的元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of nickel based alloy powder（mass fraction/%）

1.1 試驗方法

試驗前用金相砂紙對65 Mn 鋼的表面由粗到細(xì)進(jìn)行依次均勻打磨，去除表面所有雜質(zhì)，用酒精沖洗干凈表面，吹風(fēng)機(jī)吹干待用，使用TFL-H6000 CO2激光器，配備SIMENS 數(shù)控系統(tǒng)，通過試驗設(shè)計激光熔覆采用正交對比試驗并列出其組合參數(shù)依次進(jìn)行試驗，試驗后的各個參數(shù)試塊進(jìn)行性能測試，得出此實驗的最佳工藝參數(shù)。試驗原理如圖一所示，固定65 Mn鋼基體試樣在實驗儀器的工作臺上，并用預(yù)置法進(jìn)行熔覆，預(yù)置粉末厚度為2 mm，激光器發(fā)射激光束并進(jìn)行勻速直線運(yùn)動，采用多道搭接方式，搭接率為60%，激光束的高能量使鎳基合金粉末熔化并形成熔池，同時熔覆時吹入氬氣進(jìn)行保護(hù)，通過冶金結(jié)合及熔池快速冷凝后，在基體表面形成固體熔覆層。

激光熔覆后，用BWM-3000 型電火花數(shù)控線切割機(jī)床沿垂直于激光掃描運(yùn)動方向，切割含有熔覆層小塊金屬試樣大小為10 mm×10 mm×10 mm，把小塊的金屬試樣橫截面用金屬鑲嵌機(jī)制成，使用80～2 000 目的金相砂紙打磨，依次由粗到細(xì)進(jìn)行，最后用PG-2A 型金相拋光機(jī)上用金剛石研磨膏拋光樣品，用濃度為50%的氫氟酸溶液腐蝕、沖洗，吹干待用。

圖1 激光熔覆試驗原理圖Fig.1 Principle diagram of laser cladding test

使用HV-1000 型顯微硬度計測量鎳基合金層的顯微硬度，對熔覆層進(jìn)行加載，載荷為1N，保壓時間為10 s，從熔覆層表面測試第一個點(diǎn)至基體方向依次測量，測量點(diǎn)之間的間隔為100 μm，依次測試硬度后計算出平均測量值，熔覆層工藝參數(shù)通過正交試驗選出質(zhì)量較優(yōu)的，用此參數(shù)下的試樣進(jìn)行后續(xù)的顯微形貌觀察、耐磨性試驗及物相分析。電子顯微鏡對最降價參數(shù)組合下的的試樣的熔覆層截面進(jìn)行觀察分析其微觀組織，對試樣熔覆層使用X-6600型X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析，加速電壓40 kV，電流30 mA，掃描速度1.5 mm·min-1，Cu 靶，角度掃描范圍10～90 °。使用線切割機(jī)床再次切割出15 mm×15 mm×10 mm 熔覆層表面和65 Mn 鋼基體，對其兩者依次進(jìn)行打磨拋光處理，在POD-AUTO 型球-盤摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行干摩擦試驗。摩擦在室溫20 ℃條件下進(jìn)行，球摩擦副材質(zhì)為陶瓷，試驗加載的載荷為30 N，轉(zhuǎn)速200 r·min-1，試驗時間為90 min，計算機(jī)軟件記錄整個試驗過程的摩擦系數(shù)，試驗前后試樣均用無水乙醇清洗，吹干并稱量試塊，使用精度值為0.1 mg 的FA104 型電子天平測量摩擦前后質(zhì)量并記錄，計算摩擦磨損失重，每個試塊驚醒3 次測量，取其平均值。計算后試塊采用Ima-A2m 光學(xué)顯微鏡對磨損后的試塊進(jìn)行形貌觀察，分析其磨痕磨損機(jī)理。

1.3 正交試驗

采用正交試驗設(shè)計，依據(jù)正交性挑出部分能體現(xiàn)試驗全面的點(diǎn)來進(jìn)行試驗，在全面試驗中，這些點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”有一定的代表特點(diǎn)，分式析采用的設(shè)計方法是正交試驗設(shè)計。它是一種效率高、速度快、具有經(jīng)濟(jì)性的實驗設(shè)計方法。獲得熔覆層質(zhì)量較優(yōu)的工藝參數(shù)可通過正交試驗來完成。激光功率、掃描速度、離焦量等工藝參數(shù)對熔覆層硬度，對消除熔覆時產(chǎn)生的氣孔及使結(jié)晶組織更加致密及增強(qiáng)其耐磨性具有很大影響，因此試驗以這3個參數(shù)為試驗因素，以熔覆層耐磨性為指標(biāo)，以此設(shè)計正交試驗方案。依據(jù)正交組合參數(shù)試驗前先進(jìn)行前期初步試驗，來確定各參數(shù)取值范圍，試驗方案及結(jié)果分析如表2 所示，通過極差分析可知，對熔覆層的耐磨性能影響最大是離焦量，而掃描速度其次，影響最小是激光功率，即影響熔覆層耐磨性的試驗因素主次順序為離焦量>掃描速度>激光功率。最后可得到熔覆質(zhì)量最佳的工藝參數(shù)組合的激光功率為5 500 W，掃描速度為550 mm·min-1，離焦量為360 mm，對應(yīng)的硬度值957 HV0.1，以此為熔覆工藝參數(shù)組合進(jìn)行熔覆，得到的熔覆層進(jìn)行后續(xù)的基體熔覆層的熔覆，進(jìn)行組織觀察、磨痕的機(jī)理、物相分析、摩擦磨損試驗。

表2 正交試驗設(shè)計及結(jié)果分析Table 2 Design of orthogonal test and analysis of results

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熔覆層的顯微組織

圖2 為試樣截面在電子顯微鏡下觀察到的宏觀形貌?？梢娙鄹矊雍暧^組織細(xì)密均勻，氣孔、裂紋等組織缺陷并未出現(xiàn)，熔覆層結(jié)合界面質(zhì)量良好緊密，測量鎳基合金層厚度在1.5 mm 左右。鎳基合金涂層表面為典型的樹枝晶，晶粒分布細(xì)密，組織細(xì)小均勻。熔覆層與基體結(jié)合界面結(jié)合緊密無裂紋，從熔覆層到基體的晶體逐漸變得細(xì)小致密。

圖2 熔覆層截面形貌Fig.2 Section morphology of cladding layer

2.2 熔覆層的顯微硬度

圖3 為鎳基合金涂層的顯微硬度曲線。由此圖可見，試樣從鎳基合金層表面至基體的硬度總體趨勢是不斷下降的，鎳基合金涂層的最大硬度達(dá)到1 100 HV0.1，鎳基合金層厚度約1.5 mm。鎳基合金涂層硬度平均值為957 HV0.1，是基體硬度297 HV0.1約3.2 倍。那么其原因是鎳基合金粉末在激光的照射下快速融化，由于基體的快速凝固，熔覆的鎳基合金晶核不能充分的長大，所以結(jié)晶的晶粒變得細(xì)小，組織變得細(xì)密，對組織又有強(qiáng)化作用；另一方面，粉末中含有Ni、Cr 等合金元素，這些元素能夠形成硬質(zhì)相，且組織為細(xì)密的枝晶組織，又因固溶強(qiáng)化效果明顯，所以鎳基合金涂層的硬度對比于基體而更高。另外越接近熔池底部冶金結(jié)合中的鎳基合金稀釋率越大，這些導(dǎo)致熔池部位硬度要低些。對鎳基合金涂層進(jìn)行顯微硬度測試，激光熔覆極大的提高65 Mn 鋼表面的顯微硬度，明顯的強(qiáng)化了鎳基合金涂層的表面硬度。

圖3 熔覆層顯微硬度Fig.3 Microhardness of cladding layer

2.3 熔覆層摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦磨損性能

兩種試樣在初期磨損系數(shù)稍大些，究其原因是磨損初期，試樣表面有凹凸點(diǎn)，表面不是非常平整，導(dǎo)致局部壓力較大，摩擦系數(shù)也會相應(yīng)變大一些。在65 Mn 鋼表面激光熔覆的鎳基熔覆層，大大的降低了表面摩擦系數(shù)，熔覆層摩擦平均系數(shù)比基體的平均摩擦系數(shù)降低35%左右。這是因為鎳基合金涂層內(nèi)元素能夠形成大量的硬質(zhì)相且能均勻分布，導(dǎo)致鎳基合金層硬度遠(yuǎn)高于65 Mn 基體。圖4 為鎳基合金層與基體的磨損量的對比。由圖可見，在磨損條件都相同的情況下，熔覆層的磨損量為1.06 mg，而65 Mn基材磨損量為3.62 mg，是鎳基合金層磨損量的3.4 倍。鎳基合金層是因為組織內(nèi)部含有Cr、B 形成較多硬質(zhì)相所以更加耐磨，并且組織晶粒致密又均勻，由此鎳基合金層比基體硬度要高很多，也提升了鎳基合金層的耐磨性能。由此可得出鎳基合金層與基體磨損量進(jìn)行對比，則說明了經(jīng)過激光熔覆在65 Mn 鋼表面的鎳基合金涂層，極大地提高了深松鏟的耐磨性能。

2.3.2 田間試驗

根據(jù)以上的最佳工藝參數(shù)，在65 Mn 鋼表面上進(jìn)行鎳基合金粉末熔覆再把經(jīng)過傳統(tǒng)熱處理的深松鏟尖以及熔覆后的深松鏟尖安裝在同一輛深松整地機(jī)上，進(jìn)行田間試驗。讓深松鏟尖工作一定時間后分別稱量兩種深松鏟的磨損量，檢驗其工作性能及耐磨性，結(jié)果顯示測量數(shù)據(jù)如表3 所示。

圖4 熔覆層和基體的磨損量對比Fig.4 Comparison of the wear of the cladding layer and the matrix

表3 深松鏟磨損量對比Table 3 Comparison of wear amount of subsoiling shovel

3 結(jié)論

（1）在65 Mn 鋼表面應(yīng)用激光熔覆技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在深松鏟表面進(jìn)行較大面積的熔覆鎳基合金。各項參數(shù)通過正交試驗得出結(jié)果可分析出，影響熔覆層耐磨性的因素順序依次為激光功率<掃描速度<離焦量，得出較優(yōu)的熔覆工藝參數(shù)組合是激光采用功率為5 500 W，掃面速度550 mm·min-1，離焦量360 mm。

（2）熔覆層與基體冶金結(jié)合性能良好，無氣孔，裂紋等缺陷。觀察其組織的顯微情況，致密且均勻，主要的為樹枝狀、柱狀等晶體。

（3）鎳基合金層的硬度較65 Mn 鋼基體的硬度遠(yuǎn)大于基體，試驗得出的最優(yōu)的熔覆層硬度為957 Hv0.1，總體的平均硬度值為859 Hv0.1，其平均硬度是基體的3.5 倍。

（4）對比與基材，鎳基合金層的摩擦系數(shù)和磨損量較小，摩擦系數(shù)值較均勻，平均比65 Mn 鋼基體的摩擦系小35%左右。鎳基合金涂層磨損量是基體的1/3.4，表現(xiàn)出其優(yōu)良的耐磨性?？捎面嚮辖饘r(nóng)機(jī)深松鏟表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，深松鏟的使用壽命得以提高，降低了總體使用成本。