感應(yīng)釬涂工藝在旋耕刀上的應(yīng)用研究

朱晨穎，張 雷，2，孫志鵬，王 宇，錢志敏，秦 建

1.寧波中機(jī)松蘭刀具科技有限公司，浙江 寧波 315700

2.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán) 寧波智能機(jī)床研究院有限公司，浙江 寧波 315700

3.鄭州機(jī)械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001

0 前言

旋耕作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，作業(yè)效率和質(zhì)量直接影響整地和播種質(zhì)量。核心部件旋耕刀在工作過程中頻繁承受來自石英、植物硅酸體及雜草、作物秸稈等的磨損與沖擊，極易失效［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，超80%的農(nóng)用觸土部件因磨粒磨損失效而報(bào)廢［2］，僅旋耕刀國(guó)內(nèi)年消耗量超2.5億把。農(nóng)機(jī)刀具壽命不足的問題日益凸顯，已嚴(yán)重制約國(guó)內(nèi)農(nóng)用機(jī)械向智能農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)型升級(jí)［3］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋耕刀耐磨強(qiáng)化做了大量研究。袁曉明等［4］采用表面滲鉻—淬火—中溫回火處理旋耕刀，摩擦系數(shù)降低，相對(duì)磨損率降低40%。屈平等［5］利用等離子熔覆技術(shù)在旋耕刀表面合成Al2O3-Ti（C，N）涂層，耐磨性較65Mn鋼有所提高。S.Karoonboonyanan等［6］在旋耕刀表面超音速火焰噴涂WC/Co涂層以及等離子噴涂Al2O3-TiO2/NiAl涂層，較普通旋耕刀，WC/Co涂層磨損率有所降低，而Al2O3-TiO2/NiAl涂層磨損率沒有降低，且涂層出現(xiàn)碎裂。上述研究均不同程度地提升了旋耕刀的耐磨性，但效果有限，且存在耐磨原材料成本高、設(shè)備昂貴及工藝復(fù)雜等問題。感應(yīng)釬涂工藝清潔環(huán)保、簡(jiǎn)單靈活、穩(wěn)定性高，制備的涂層表面平整，結(jié)合強(qiáng)度高［7-9］，在表面涂層制備方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

本文通過對(duì)涂層組織和性能進(jìn)行研究，對(duì)比感應(yīng)釬涂與等離子熔覆工藝下的涂層效果；通過優(yōu)化感應(yīng)釬涂的關(guān)鍵參數(shù)——釬涂時(shí)間，獲得最佳的旋耕刀耐磨涂層；并介紹了感應(yīng)釬涂金剛石技術(shù)的應(yīng)用前景及實(shí)用案例，為耐磨領(lǐng)域的發(fā)展提供一定的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用基體為65Mn鋼，涂層材料由Ni基釬料合金粉末、WC及金剛石硬質(zhì)顆粒組成。其中Ni基釬料粒度為300目（均值），化學(xué)成分如表1所示，粉末形態(tài)如圖1a所示；WC硬質(zhì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，粒度為200～325目，形貌如圖1b所示；金剛石顆粒粒度為100～120目，形貌如圖1c所示。

圖1 Ni基釬料粉末和WC、金剛石顆粒形貌Fig.1 Morphology of Ni-based solder powder and hard particles

表1 Ni基釬料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition of Ni-based solder（wt.%）

1.2 試驗(yàn)方法

采用感應(yīng)釬涂及等離子熔覆工藝對(duì)Ni基釬料與硬質(zhì)顆?；旌隙傻膹?fù)合粉末完成涂層制備，其中感應(yīng)釬涂工藝參數(shù)為：35 kW感應(yīng)焊機(jī)，釬涂電流60 A；等離子熔覆工藝參數(shù)為：噴距10 mm，送粉速度20 g/min，電流100 A，焊槍移動(dòng)速度120 mm/min，保護(hù)氣流量10 L/min，送粉氣流量3.5 L/min，離子氣流量1.5 L/min。在MML-1G干砂半自由磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7705—1995《松散磨粒磨料試驗(yàn)方法橡膠輪法》進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示；采用蔡司EVO 10掃描電子顯微鏡觀察涂層微觀形貌、涂層結(jié)合狀態(tài)及硬質(zhì)顆粒分布；采用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)試涂層的宏觀硬度。

表2 磨粒磨損試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Abrasive wear test parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 感應(yīng)釬涂層與等離子熔覆層性能對(duì)比

WC涂層與65Mn鋼基體結(jié)合界面及元素?cái)U(kuò)散情況如圖2所示。可以看出，兩種工藝制備的涂層與基體間均結(jié)合緊密，未出現(xiàn)分層和孔隙，涂層與基體間發(fā)生明顯的元素?cái)U(kuò)散，界面結(jié)合處有明顯的元素過渡梯度，呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。

圖2 WC涂層與鋼基體結(jié)合界面及元素?cái)U(kuò)散情況Fig.2 Interface and element diffusion of WC coating and steel substrate

WC顆粒與Ni基釬料結(jié)合界面如圖3所示?？梢钥闯觯瑑煞N工藝制備的涂層中WC顆粒與Ni基釬料熔合良好，WC顆粒均發(fā)生溶解，產(chǎn)生的W和C元素向Ni基釬料中擴(kuò)散，與釬料中Ni、Cr、Fe等元素形成Ni-W相、碳化物和硼化物等，呈雪花狀、樹枝狀、塊狀等不同形態(tài)的組織，這些新相對(duì)于提高涂層結(jié)合強(qiáng)度及硬度具有積極作用［10］。

圖3 WC顆粒與Ni基釬料結(jié)合界面Fig.3 Interface between WC particles and Ni-based solder

分別對(duì)兩種涂層進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)，對(duì)比涂層的耐磨性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。可以看出，感應(yīng)釬涂35%WC涂層的磨損失重約為等離子熔覆35%WC涂層的67.8%，感應(yīng)釬涂35%WC涂層耐磨性明顯更優(yōu)。這是因?yàn)榈入x子熔覆采用高溫等離子弧體，釬料充分熔融，而WC的密度高達(dá)15.63 g/cm3，WC下沉，大量富集于涂層底部，如圖4所示，并且伴隨有部分WC燒損及過度溶解，削弱了硬質(zhì)相對(duì)涂層頂部的強(qiáng)化耐磨作用［11］。而感應(yīng)釬涂加熱，能量集中，加熱溫度低，硬質(zhì)顆粒均勻分布，充分發(fā)揮抗磨損作用，涂層耐磨性極佳。

圖4 35%WC涂層截面形貌Fig.4 Section morphology of 35%WC coating

表3 等離子熔覆及感應(yīng)釬涂35%WC涂層耐磨試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Wear resistance test results of 35%WC coating by plasma cladding and induction brazing coating

等離子熔覆工藝制備的旋耕刀涂層（見圖5）存在較多缺陷，如熱輸入使刀體易變形或脆化，熔覆層較厚且不平整，增大了耕作阻力，受制于強(qiáng)化材料本身的耐磨性，刀具壽命提升空間有限。且采用等離子熔覆工藝，成本是原刀的1.5倍，壽命大約提升2倍，綜合經(jīng)濟(jì)效益不理想。

圖5 等離子熔覆旋耕刀Fig.5 Rotary blades of plasma cladding

目前，等離子熔覆工藝廣泛應(yīng)用于礦山、建筑、化工設(shè)備等行業(yè)中，如耐磨板、溜槽、風(fēng)機(jī)葉片、冶金軋輥等零部件，該工藝可制備厚度較厚的熔覆層，適用于工況惡劣、磨損嚴(yán)重的部件。但該類工藝熔解母材的同時(shí)會(huì)稀釋母材成分，且加熱不均勻，高熱能量的輸入會(huì)引起部件變形，導(dǎo)致部件組織不一。

2.2 旋耕刀感應(yīng)釬涂金剛石涂層工藝研究

本技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過對(duì)涂層材料的研究，發(fā)現(xiàn)Ni基釬料復(fù)合金剛石涂層的耐磨性最佳，是Ni基釬料復(fù)合WC涂層的5倍以上。在此基礎(chǔ)上，開展旋耕刀感應(yīng)釬涂金剛石涂層的工藝參數(shù)優(yōu)化。結(jié)合旋耕刀實(shí)際工況，選用金剛石作為耐磨增強(qiáng)顆粒，可極大地提高旋耕刀刀身的耐磨性，有效解決了易磨損的難題。除了刀身易磨損之外，刀柄與刀身連接部位也常常因?yàn)闆_擊而彎曲甚至折斷。尤其是對(duì)于感應(yīng)釬涂旋耕刀而言，因刀身集中受熱，熱傳導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致刀柄與刀身連接部位硬度降低而發(fā)生彎曲，因此旋耕刀在使用感應(yīng)釬涂工藝制備涂層的過程中，釬涂時(shí)間尤為關(guān)鍵。

采用旋耕刀仿形線圈釬焊Ni基釬料復(fù)合金剛石耐磨涂層，釬涂時(shí)間分別設(shè)定為12 s、25 s、48 s，通過硬度測(cè)定及田間試驗(yàn)驗(yàn)證來確定最佳釬涂時(shí)間。不同釬涂時(shí)間得到的感應(yīng)釬涂金剛石復(fù)合涂層旋耕刀如圖6所示?？梢钥闯?，釬涂時(shí)間為12 s時(shí)，金剛石涂層未成形，對(duì)旋耕刀耐磨性提升作用不大；釬涂時(shí)間為25 s時(shí)，金剛石涂層平整、均勻且致密；釬涂時(shí)間48 s時(shí)，涂層厚度及形狀因釬料熔融過度、流淌而嚴(yán)重變化，刀刃部位涂層加厚，旋耕作業(yè)時(shí)阻力增加，導(dǎo)致旋耕刀壽命降低，旋耕機(jī)油耗增加。且釬涂時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，金剛石熱損傷嚴(yán)重，其耐磨承載相作用降低，如圖7所示。根據(jù)以上試驗(yàn)，釬焊Ni基釬料復(fù)合金剛石耐磨涂層的最佳釬涂時(shí)間為25 s。

圖6 不同釬涂時(shí)間的感應(yīng)釬涂金剛石復(fù)合涂層旋耕刀Fig.6 Induction brazed diamond composite coated rotary blades with different brazing times

圖7 熱損傷金剛石Fig.7 Heat-damaged diamond

原始旋耕刀及釬涂后旋耕刀刀柄及刀身連接處的洛氏硬度測(cè)定結(jié)果如圖8所示。釬涂后旋耕刀較原始旋耕刀，硬度有所下降，且釬涂48 s時(shí)硬度下降最大，旋耕刀作業(yè)過程中極易彎曲變形。這是因?yàn)殁F涂后旋耕刀受熱循環(huán)作用，刀體組織由細(xì)晶粒的回火索氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮闹楣怏w［8］所致。

圖8 釬涂時(shí)間對(duì)旋耕刀硬度的影響Fig.8 Effect of brazing time on hardness of rotary blade

感應(yīng)釬涂金剛石涂層旋耕刀田間試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。釬涂25 s的旋耕刀如圖9a左側(cè)三把旋耕刀所示，未發(fā)生彎曲現(xiàn)象；圖9a右側(cè)三把刀柄及圖9b為釬涂48 s的金剛石涂層旋耕刀，分別發(fā)生了不同程度的折斷及彎曲現(xiàn)象。

圖9 感應(yīng)釬涂金剛石涂層旋耕刀田間試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Field test results of rotary blades with induction brazed diamond composite coating

田間試驗(yàn)驗(yàn)證，原始旋耕刀在連續(xù)耕作300畝左右即需更換，而感應(yīng)釬涂25 s的金剛石涂層旋耕刀，可連續(xù)耕作1 200畝以上，且基本不存在斷刀現(xiàn)象，使用壽命提升了4倍以上。表明感應(yīng)釬涂合適時(shí)間的金剛石涂層旋耕刀可極大地提高耕作效率、搶占播種時(shí)間。

3 感應(yīng)釬涂金剛石涂層應(yīng)用前景與實(shí)施案例

3.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械

農(nóng)業(yè)機(jī)械中，旋耕刀、犁尖等觸土部件是旋耕、整地的關(guān)鍵零部件，因與沙礫、雜草、酸堿、水分等硬質(zhì)物質(zhì)及腐蝕物質(zhì)接觸，引起的磨損及腐蝕十分嚴(yán)重，極易導(dǎo)致部件失效。提升農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用性能及壽命也成為農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的迫切需求［12-13］。國(guó)內(nèi)外利用等離子熔覆、激光熔覆、熱噴涂等工藝在農(nóng)機(jī)刀具表面制備耐磨層的技術(shù)日漸成熟，耐磨相多采用WC、TiC等，但經(jīng)處理后的農(nóng)機(jī)刀具使用壽命提升仍然有限，存在耐磨層結(jié)合強(qiáng)度低，耐磨層易剝落，制備成本高等問題［14-17］。感應(yīng)釬涂金剛石涂層以其極佳的耐磨性，較高的結(jié)合強(qiáng)度，工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可有效解決以上問題。

本團(tuán)隊(duì)已將感應(yīng)釬涂金剛石技術(shù)成功應(yīng)用于犁尖、粉碎刀、開溝刀、打捆刀等農(nóng)機(jī)刀具，如圖10所示，經(jīng)田間試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，使用壽命普遍提升3倍以上。并且該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、批量化生產(chǎn)，對(duì)于助推農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型具有重大意義。

圖10 農(nóng)機(jī)刀具Fig.10 Agricultural machinery tools

3.2 工程機(jī)械

工程機(jī)械工作環(huán)境苛刻，工作對(duì)象復(fù)雜，如煤礦機(jī)械、電力機(jī)械、疏浚機(jī)械、水泥機(jī)械等，這類機(jī)械的磨損等失效現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重制約工程機(jī)械的智能化發(fā)展。另外，由此引發(fā)的設(shè)備故障及安全事故也時(shí)有發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失難以估量。

煤礦機(jī)械中輸送機(jī)、采煤機(jī)等綜采裝備的磨損失效現(xiàn)象極其嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)使用的輸送機(jī)中部槽普遍采用整體鑄造鏟板槽幫、擋板槽幫與高強(qiáng)度耐磨合金中板及底板組焊而成（見圖11a）。槽幫多采用27Mn2K、24Mn2K和30SiMn鋼材軋制而成，中板以低合金調(diào)質(zhì)鋼NM360、NM400為主，但兩者屬于異種鋼材的焊接，容易產(chǎn)生焊接變形、裂紋、氣孔等焊接缺陷，降低中部槽的使用壽命。本團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已與國(guó)內(nèi)知名煤礦企業(yè)合作，將感應(yīng)釬涂金剛石技術(shù)應(yīng)用于中部槽中板部件（見圖11b），可極大提高其耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命［18］。

圖11 刮板輸送機(jī)中部槽及中板部件Fig.11 Middle slot and middle plate parts of scraper conveyor

近年來，國(guó)內(nèi)大型挖泥船、卸船機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出迅猛的態(tài)勢(shì)。輸送物料的復(fù)雜性和多樣性（如中粗沙夾礫石等）使過流部件磨損加劇，因此對(duì)過流設(shè)備及輸送管線的耐磨性能提出了更高的要求。對(duì)于襯板、葉輪、泵膽等過流部件，通常采用安裝整體耐磨合金、堆焊耐磨合金層、鑲嵌陶瓷內(nèi)襯等技術(shù)來提升耐磨性。耐磨體常通過鑄造、燒結(jié)等工藝預(yù)制完成，制造工藝復(fù)雜，不僅增加成本和部件自重，而且耐磨體易整體脫落，綜合力學(xué)性能等方面難以滿足要求。堆焊耐磨合金，基體與耐磨堆焊層稀釋率較大，部件易變形，耐磨層表面不平整；鑲嵌耐磨陶瓷，可以延長(zhǎng)使用壽命，但在輸送過程中，易受到物料的沖擊而脆裂剝落。

本團(tuán)隊(duì)已將感應(yīng)釬涂金剛石技術(shù)應(yīng)用于水泥料倉(cāng)襯板、臥螺離心機(jī)螺旋體等過流部件，并投入使用，目前應(yīng)用效果良好，如圖12所示。

圖12 過流部件Fig.12 Overcurrent parts

4 結(jié)論

（1）采用感應(yīng)釬涂工藝制備耐磨涂層，涂層中硬質(zhì)顆粒分布均勻，涂層耐磨性好。感應(yīng)釬涂35%WC涂層的耐磨性，約是等離子熔覆35%WC涂層耐磨性的1.5倍。

（2）感應(yīng)釬涂金剛石涂層耐磨性極佳，約是感應(yīng)釬涂35%WC涂層的5倍。感應(yīng)釬涂旋耕刀工藝的關(guān)鍵參數(shù)為釬涂時(shí)間，釬涂時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，金剛石熱損傷嚴(yán)重，旋耕刀硬度急劇降低，涂層平整度變差；釬涂時(shí)間不足時(shí)，涂層無法成形。經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，感應(yīng)釬涂時(shí)間為25 s的金剛石涂層旋耕刀使用壽命提高可達(dá)4倍以上，大大提高了旋耕作業(yè)效率。

（3）感應(yīng)釬涂金剛石技術(shù)具有耐磨性極佳、工藝簡(jiǎn)單、制備效率高等優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，該技術(shù)已應(yīng)用于犁尖、粉碎刀、開溝刀等農(nóng)機(jī)刀具，以及礦用耐磨襯板、污水臥螺離心機(jī)等工程裝備上，未來還將繼續(xù)拓展感應(yīng)釬涂金剛石技術(shù)在耐磨領(lǐng)域的應(yīng)用。

（4）感應(yīng)釬涂金剛石技術(shù)在表面工程領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，但釬涂后基體性能經(jīng)常被弱化，優(yōu)化釬涂工藝可以適當(dāng)減小基體性能被弱化的程度，但空間有限。釬涂后熱處理可以有效改善基體性能，但可能會(huì)導(dǎo)致金剛石燒損、釬料與金剛石界面破壞等，嚴(yán)重影響涂層性能，后續(xù)將在本文研究的基礎(chǔ)上，開展金剛石釬涂后熱處理工藝研究，以期為金剛石釬涂技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定的理論支持。