等离子熔覆Ni60A+35wc耐磨层在农机刀具上的应用

农业机械的工作环境都比较恶劣,许多农机部件在使用过程中均遭受不同程度的磨损侵害。 农机中的犁铧、耙片、锄铲、旋耕机刀片、根茬粉碎还田机刀片等。破茬碎土刀具, 工作时长期与土壤、砂石、秸秆、根茬等直接接触, 因遭受剧烈的冲击和摩擦而造成磨损。据统计大约有 80% 以上农机刀具失效是由磨损造成的。 据报道, 一般小麦根茬粉碎还田机械的单刀作业面积仅为 70 hm 2 左右, 而玉米根茬粉碎还田机械的单刀作业面积仅为 40 hm 2 左右。严重磨损的刀具不仅使作业质量变差, 而且使油耗、阻力和功耗显著增高, 从而增加了作业成本 。所以, 很有必要对刀具进行强化, 这对延长刀具使用寿命, 减少换刀次数, 提高作业效率具有重要意义。
    在众多的金属材料表面改性处理技术中, 熔覆处理技术具有熔覆层厚、熔覆层质量高、熔覆层成分可调等优点, 在很大程度上适合于处理耐磨性要求较高的工作表面。 近年来, 对激光熔覆的研究是金属材料表面改性处理的一个研究热点, 与此同时, 用高频感应、电子束等做热源的熔覆方法也不断出现。 但目前对等离子弧作为热源进行熔覆的研究尚少。等离子弧具有热量集中、能量密度高、灵活性高等优点, 其能流密度虽远不如激光束高,但其热量足以使各类材料熔化,因此利用等离子弧实现熔覆不失为另一种有效的熔覆处理技术。镍基自熔性合金以其优良的耐磨性而在表面强化领域中广泛应用, 是表面技术中最早实现系列和商品化的粉末之一。 对该类材料, 一般选用热喷涂工艺进行耐磨层的制备。但该工艺存在耐磨层厚度小且易产生裂纹和剥落、材料损耗大、成本高等缺点。为此, 本文就等离子弧熔覆N i60 熔覆层的组织、性能及耐磨性进行了研究, 研究成果可为农机刀具的制造和再制造提供实践参考。
一、实验方法：先用稀盐酸去除试样表面的铁锈, 然后用70 80℃～的N aO H 碱液煮洗试样 5 m in 以除去试样表面的油污,最后用蒸馏水冲洗试样并用风机吹干。用水玻璃将合金粉末调成糊状, 采用预置法将调配好的熔覆合金粉均匀地粘涂在经除油除锈的试样表面, 涂层厚度为1 mm 左右。 将涂覆后的试样置于烘箱中, 从室温缓慢加热升温至 200℃并保温3 h 烘干。在电流90 A , 电压18 V 的等离子弧热源下进行熔覆, 为保证电弧较稳定、熔化效率高、熔层深而窄、工件收缩应力和应变小, 等离子弧采用直流正接进行搭接烧熔; 为避免因冷却速度过快而造成熔覆层产生裂纹, 熔覆结束后将工件放入保温箱中缓冷至室温。用平面磨床将试样熔覆层磨光至Ra 1. 6 um 。制样后, 用金相显微镜观察熔覆层界面结合状况和显微组织。用HD 9245 型硬度计测量熔覆层显微硬度和洛氏硬度。熔覆层磨损试验在M PX 2200盘销式磨损试验机进行。为了考察熔覆层相对于目前常用的农机刀具材料65 M n 的耐磨性, 柱销选用 830℃淬火和540℃回火的65 M n 钢。试验时用载荷为50 g 的压力将柱销压在试样上, 在1120 r m in的转速下进行无润滑干摩擦磨损试验。每隔2 h 用T G328A 光电分析天平 ( 精度为 0. 1 m g ) 称重, 称重前先将试样用清水冲洗,再用无水酒精清洗, 最后用乙醚清洗, 并用吹风机吹干。纪录所有试验数据并计算累积磨损量和平均磨损量, 试验共进行 12 h。
二、试验结果与讨论：熔覆层与基体的结合状态分析熔覆层与基体结合状况的金相图。可以看出基体表面、熔合区、熔覆层三者之间晶界连续, 结合良好。这说明熔覆层与基体的结合为冶金结合。这种冶金结合是由于N i60A 合金熔点低, 自熔性好, 且等离子弧热源足以将涂层与基体熔化, 从而形成冶金结合的熔覆层。
三、熔覆层组织分析
     是熔覆层表层、中部和底部 (靠近界面部分) 的金相图。可以看出涂层组织主要由生长方向从熔池底部指向顶部的树枝晶组成,并且从界面到熔覆层的表面依次为: 按一定方向生长的粗大的枝晶、较细小的枝晶和细小的无方向晶粒。熔覆层具有这种组织形态主要是由于熔池中极高的温度梯度和凝固速度形成的。由于温度梯度较大, 表层区及熔合区将首先结晶并向中部扩展,由于表层区及熔合区冷却较快,枝晶生长速度也较快,而中部区的冷却速度较慢, 显微组织由枝晶状逐渐变成了胞状。 粗大的枝晶逆热流方向生长, 而小枝晶无明显的方向性, 长度要比大枝晶要小很多, 这些枝晶主要分布在熔覆层的中部。熔覆层的最外表面是一薄层形状不规则的晶粒,组织比较致密。当等离子预置涂覆层时,
涂层吸热熔化并把一部分热量传递到基体, 这部分热量可以把基体加热到一定温度, 却不足以使基体熔化。当弧离开熔池后, 熔池便开始凝固。 由于此时熔池中的液态金属仍处于很高的温度, 基体本身又具有良好的导热性, 这样, 当熔池金属冷凝时, 便有利于在液—固界面处开始生长枝晶, 初生枝晶也比较粗大。 随着凝固的进行, 温度梯度越来越小, 但导热方向仍以基体为主。这时虽然还形成逆热流方向的枝状晶, 但由于有大量碳化物的存在, 在凝固过程中, 这些碳化物也使粗大的枝晶细化。熔池内的液态金属凝固到了最表层, 这时通过空气对流散热以及氩气的冷却作用, 表层某些部位开始形核, 此时在金相照片上观察到的是一层无序的细小枝晶和等轴晶。
四、结论
1) 用等离子弧在低碳钢表面熔覆N i60A 镍基自熔性合金粉末, 可以获得与基体呈冶金结合的熔覆层, 熔覆层组织致密, 强韧性高,耐磨性好。
2) 熔覆时, 氩气对工件的保护使工件在加热、冷却过程中无氧化、烧损发生; N i60A 合金的造渣、脱氧作用有效地避免了熔覆层中产生夹渣和氧化物。以上两者的联合作用使得熔覆层缺陷少, 耐磨性能好。
3 ) 在本试验条件下, 获得性能优良的氩弧熔覆Ni60A 合金层的工艺规范为: 电流 150 A , 电压 10 V , 直流正接, 搭接烧熔, 保温缓冷。
4) 氩弧熔覆N i60A 合金成本低、熔覆层质量高, 可以用于农机刀具工作表面的耐磨强化处理, 可以用于农机刀具的制造及再制造。

五、等离子弧熔覆堆焊的工作原理及技术优势
工作原理：等离子粉末堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性变化小；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。
技术优势：
1、堆焊熔覆合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高；
2、堆焊熔覆速度快，低稀释率；等离子弧堆焊的稀释率可控制在5%一10%，或更低。
3、堆焊层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现机械化、自动化；
4、可在锈蚀及油污的金属零件表面不经复杂的前处理工艺，直接进行等离子堆焊；
5、与其他等离子喷焊相比设备构造简单，节能易操作，维修维护容易；
6、等离子弧温度高、能量集中、稳定性好，在工件上引起的残余应力和变形小。
7、可控性好。可以通过改变功率、改变气体的种类、流量及喷嘴的结构尺寸来调节等离子弧的气氛、温度等电弧参数，从而实现高效自动化生产，提高劳动生产率。
8、使用材料范围广。堆焊合金粉末作为熔敷材料，不受铸造、轧制、拔丝等加工工艺的限制，可依据不同性能要求配置不同成分的合金粉末，特别适用于那些难于制丝但是易于制粉的硬质耐磨合金，以获得所需性能的堆焊层。