涂層強(qiáng)化割臺(tái)刀的失效分析

付金輝，柯長(zhǎng)松，周艷文，司 彪，孫琳凡，李靈敏

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083）

提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平是引導(dǎo)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的推動(dòng)力之一，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要衡量指標(biāo)［1］。截止到2020年，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化綜合技術(shù)水平從2011年的54%提升至70%，取得了重大進(jìn)展［2］。以進(jìn)一步提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益為主要前提，農(nóng)業(yè)機(jī)器工程自動(dòng)化、信息化和智能化等技術(shù)發(fā)展均取得重要成果，與此同時(shí)面臨更多的挑戰(zhàn)。國(guó)產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械大多是小型機(jī)械，質(zhì)量較差，農(nóng)機(jī)刀具的質(zhì)量制約農(nóng)業(yè)機(jī)械的性能，減緩我國(guó)農(nóng)機(jī)化提升速度及農(nóng)作物生產(chǎn)效率［3］。我國(guó)目前使用的大型聯(lián)合收割機(jī)等機(jī)械依賴(lài)進(jìn)口，一臺(tái)收割機(jī)進(jìn)口均價(jià)約3.2萬(wàn)美元。大型收割機(jī)全車(chē)刀片達(dá)44種，包括割臺(tái)刀片、滾道和粉碎動(dòng)刀片、粉碎定刀片等，這些刀片同樣依賴(lài)進(jìn)口。在新疆及黑龍江地區(qū)，刀片平均市場(chǎng)用量2～3萬(wàn)片。對(duì)于大型進(jìn)口農(nóng)用機(jī)械而言，如果進(jìn)口備件被禁運(yùn)，則整機(jī)將不能作業(yè)，因此備件國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。

國(guó)產(chǎn)農(nóng)機(jī)刀片通常采用65Mn鋼材質(zhì)［4］，使用壽命1 000～2 000小時(shí)，而進(jìn)口農(nóng)機(jī)刀片的使用壽命可達(dá)3 000小時(shí)以上，約為國(guó)產(chǎn)的一倍。收割機(jī)刀片進(jìn)口的終端價(jià)格在120元以上，而國(guó)產(chǎn)的只有30～40元，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)配件價(jià)格差很大。因此，提高國(guó)產(chǎn)刀片質(zhì)量，完成進(jìn)口替代在成本上勢(shì)在必行。

常用的農(nóng)用機(jī)械一般包括耕犁機(jī)、水稻收割機(jī)等，刀具的工作環(huán)境復(fù)雜多樣。耕犁刀用于翻土、開(kāi)墾等農(nóng)耕作業(yè)時(shí)，直接與土壤環(huán)境接觸，土壤中的碎石、沙土、砂石等硬質(zhì)顆粒使農(nóng)機(jī)刀具表面磨損開(kāi)裂［5］。農(nóng)作物的草根殘茬或水稻等含有草酸等腐蝕性介質(zhì)，會(huì)在收割過(guò)程腐蝕農(nóng)機(jī)刀具。農(nóng)田土壤環(huán)境中的各種肥料、農(nóng)藥等物質(zhì)也具有腐蝕性，在耕種時(shí)不但會(huì)磨損農(nóng)機(jī)零部件的表面，還會(huì)侵蝕刀具表面。這些都會(huì)造成農(nóng)機(jī)刀具的破損和失效。大型農(nóng)用機(jī)械備件的多樣性和使用條件的復(fù)雜性，使進(jìn)口替代刀具的研制任重而道遠(yuǎn)。

為解決這些問(wèn)題，本文對(duì)國(guó)外進(jìn)口的割臺(tái)刀的基體、涂層及失效形式進(jìn)行分析，為割臺(tái)刀國(guó)產(chǎn)制備找到更優(yōu)的強(qiáng)化方式，減少涂層的開(kāi)裂和脫落，才能使國(guó)內(nèi)的農(nóng)機(jī)刀具的性能趕超國(guó)外產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料選用美國(guó)迪爾公司S660收割機(jī)割臺(tái)刀。將割臺(tái)刀分為刀尖和刀身兩個(gè)部分取樣，試樣尺寸均為20 mm×5 mm×5 mm。

采用直讀光譜成分分析進(jìn)口刀具的基體和涂層成份；利用顯微硬度計(jì)和洛氏硬度計(jì)測(cè)試樣硬度；金相顯微鏡觀察刀尖刃口處和刀身中心處的金相組織；掃描電子顯微鏡觀察刀尖斜邊和直邊的表面形貌和元素分布；掃描電子顯微鏡觀察涂層失效處形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基體分析

利用直讀光譜儀分析進(jìn)口刀具的刀尖刃口區(qū)和刀身中心區(qū)金屬成分，成份為：w（C）=0.508%，w（Si）=0.206%，w（Mn）=0.983%，余量為Fe，殘余不計(jì)。與國(guó)產(chǎn)鋼的成份對(duì)比，判斷基體材質(zhì)為50Mn鋼。

采用顯微硬度計(jì)在刀尖的刀刃及刀身的邊部、心部施加1 kg力，測(cè)量三次取平均值，結(jié)果差異不大，均為460Hv。采用洛氏硬度計(jì)重復(fù)測(cè)量為45HRC，兩者數(shù)值基本一致。

通過(guò)金相顯微鏡觀察刀尖刃口區(qū)和刀身中心區(qū)的金相組織，為混晶馬氏體組織，如圖1所示。推測(cè)進(jìn)口農(nóng)機(jī)刀具基體為淬火后中低溫回火的50Mn鋼。50Mn鋼常用于制造在高載荷作用下對(duì)耐磨性有高需求的零件，與農(nóng)機(jī)刀具所要求的性能相吻合。錳鋼具有高硬度，因?qū)渝e(cuò)能較高，還具有良好的耐磨性能。

圖1 刀尖刃口區(qū)和刀身中心區(qū)顯微組織Fig.1 Microstructures in tip edge area and body center area of knife

2.2 涂層分析

金相顯微鏡觀察割臺(tái)刀刀尖表面涂層形貌，如圖2所示。割臺(tái)刀刀尖的斜邊涂層薄，直邊涂層厚，大約為100～150μm，涂層與基體結(jié)合良好，結(jié)合處有咬合現(xiàn)象，兩者結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合。

圖2 割臺(tái)刀刀尖截面涂層形貌Fig.2 Coating morphologies of tip section of cutting knife

掃描電鏡觀察與成分分析割臺(tái)刀刀尖斜邊為單層涂層，結(jié)果如圖3所示。斜邊單層涂層為含稀土的鎳基涂層，具有提高耐磨性和防腐蝕的作用。鎳基自熔性合金粉末兼具潤(rùn)濕性好、耐蝕性好、自潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)［6］，適合作為耐磨性能要求較高的強(qiáng)化層。粉末中含有Ni、Cr、Si、Fe等元素，其中Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在70%左右，Si元素可以改善涂層潤(rùn)濕性，提高涂層與基體的結(jié)合力［7］。鎳基涂層中還摻雜了稀土元素Yb和Ta，可以改善涂層的組織，提高涂層的硬度及耐磨性。此外，摻雜稀土元素可以提高鎳基自熔性粉末的濕潤(rùn)性及流動(dòng)性，降低孔隙率，并使涂層表面光滑平整［8］。

圖3 刀尖斜邊涂層形貌與成分Fig.3 Coating morphology and compositions of hypotenuse of knife tip

割臺(tái)刀刀尖直邊為雙層涂層，形貌如圖4所示。能譜成份顯示，黑色內(nèi)層涂層與基體間的粘結(jié)層為含稀土的鎳基涂層，具有強(qiáng)化與基體結(jié)合力和防腐蝕作用。白色外層涂層為含碳陶瓷WC（碳化鎢）顆粒增強(qiáng)的鎳基涂層。

圖4 刀尖直邊外層涂層形貌與成分Fig.4 Morphology and compositions of outer coating on straight edge of knife tip

金屬陶瓷粉末WC具有高硬度和熱導(dǎo)率，經(jīng)常作為耐磨涂層中的增強(qiáng)相。在合金粉末中加入適量的WC粉末，可在涂層中形成大量的WC硬質(zhì)相顆粒彌散其中，從而提高涂層的硬度，使其具有極高的耐磨性能［9］。對(duì)于鎳基耐磨涂層，WC顆粒作為增強(qiáng)相是性?xún)r(jià)比最優(yōu)的選擇。因?yàn)橄鄬?duì)于鐵基自熔性粉末，鎳基自熔性粉末的熔點(diǎn)較低，大約1 125℃，可以避免WC顆粒在噴涂過(guò)程中分解過(guò)快。此外，WC顆粒與鐵基自熔性粉末的潤(rùn)濕性與鎳基自熔性粉末相比較差，鈷基自熔性粉末與WC顆粒潤(rùn)濕性最好，但成本太高［10］。因此，鎳基WC復(fù)合涂層是應(yīng)用最廣泛的耐磨涂層。

2.3 失效分析

涂層失效有兩種表現(xiàn)形式：基體開(kāi)裂和涂層脫落，腐蝕形貌如圖5所示。圖5a中，虛線(xiàn)之間未被腐蝕的厚度約為5μm，腐蝕部分為涂層的粘結(jié)層。虛線(xiàn)以下腐蝕部分為基體，裂紋從粘結(jié)層貫穿到基體。也就是說(shuō)，當(dāng)粘結(jié)層與基體結(jié)合良好時(shí)，裂紋起始于硬質(zhì)層與粘結(jié)層界面的某個(gè)缺陷處。硬質(zhì)層破損失效的同時(shí)，裂紋穿透粘結(jié)層，并沿基體的原始奧氏體晶界擴(kuò)層，終止于基體中。圖5b中，未被腐蝕的涂層厚度約為3μm，粘結(jié)層與基體在界面處分離。粘結(jié)層保持完好，但與基體的機(jī)械咬合完全分離，與表面硬質(zhì)層也完全分離。在外力作用下或使用過(guò)程中，涂層完全脫落不可避免。

圖5 涂層脫落處形貌Fig.5 Morphologies of peeling part of coating

涂層與基體的良好結(jié)合十分重要。如果涂層大面積脫落，將使基體完全暴露于使用環(huán)境，從而使涂層的耐磨性完全失效。粘結(jié)層與基體完好結(jié)合，雖然可能引發(fā)涂層到基體的開(kāi)裂，但這種情況是硬質(zhì)耐磨涂層失效情況下才產(chǎn)生的。因此，建議在對(duì)刀具實(shí)施表面增強(qiáng)涂層的噴焊處理時(shí)，確保基體的表面清潔，使之與粘結(jié)層完好結(jié)合。

3 結(jié)論

進(jìn)口割臺(tái)刀的刀具基體材質(zhì)為50Mn鋼，采取整體淬火后低中溫回火的熱處理方式，基體金相組織為混晶回火馬氏體，硬度為45HRC。割臺(tái)刀刀尖的斜邊單層涂層為含稀土鎳基涂層，直邊雙層涂層中與基體相接的內(nèi)層涂層為含稀土鎳基涂層，外層為含陶瓷WC顆粒和稀土的鎳基涂層。刀片耐磨防腐涂層材料結(jié)構(gòu)為基體表層組織-粘結(jié)層組織-顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層，這些組織的協(xié)同調(diào)控與優(yōu)化匹配是獲高強(qiáng)韌性和耐磨服役壽命的關(guān)鍵。增強(qiáng)涂層在噴焊前，對(duì)基體清潔處理，使粘結(jié)層與基體良好結(jié)合，是涂層有效的關(guān)鍵。