Peter Tommy Nielsen, Carsten Jensen, FORCE Technology Denmark Carsten Jensen, Paul Br?sel, M?lbro A/S

本文的測(cè)試研究結(jié)果由M?lbro A/S提供資金資助完成。M?lbro A/S在生產(chǎn)犁頭等農(nóng)業(yè)耕具領(lǐng)域擁有多年的豐富經(jīng)驗(yàn)，該公司在國(guó)際上也有一定知名度。

在2013年，M?lbro希望找到一種更好的犁頭制造方法，因此他加入了FORCE Technology，在丹麥的科學(xué)、技術(shù)、創(chuàng)新機(jī)構(gòu)所提供的技術(shù)方案的幫助下共同開展研究[1]。從雙方各自大量的技術(shù)知識(shí)中得到啟示，M?lbro和FORCE Technology發(fā)明了一種新的制造方法，這種方法可以在不降低產(chǎn)品質(zhì)量的情況下提高生產(chǎn)效率，這也是公司一直在追求的目標(biāo)。

為了達(dá)到這一目標(biāo)，采用電弧噴涂代替堆焊技術(shù)是最佳的制造方法。這項(xiàng)解決方案仍采用M?lbro原來(lái)所用的材料，但改變了具體的制造工藝。

FORCE Technology的機(jī)械檢測(cè)結(jié)果表明該種制造方法是可行的，但這還不能作為最終結(jié)果，直到M?lbro完成在自定的實(shí)際應(yīng)用條件下進(jìn)行的極端磨損檢測(cè)后才能下定論，才可以證明這項(xiàng)新的制造方法能夠生產(chǎn)更耐用的產(chǎn)品。

本文除了針對(duì)犁頭那些常見的重要性能外，更主要的是研究熱噴涂的工藝流程及其更高的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)制造方法中的工藝流程會(huì)有若干多余的加工步驟，造成額外的經(jīng)濟(jì)損失。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 噴涂工藝和設(shè)備

在商業(yè)上應(yīng)用的MAG堆焊工藝是由x-y方向的機(jī)械設(shè)定協(xié)同控制的。這一設(shè)定可以同時(shí)噴涂一定數(shù)量的彈匣框。通過(guò)更高效的加工工藝可以加快進(jìn)程。

因此選擇雙線電弧噴涂工藝來(lái)代替MAG堆焊工藝，特別是選用METCO 4RC系統(tǒng)[2]。人工手動(dòng)嘗試了所有的噴涂工藝后，發(fā)現(xiàn)在后一階段使用全自動(dòng)的雙線電弧噴涂工藝具有很大的優(yōu)勢(shì)。

1.2 噴涂材料

兩種工藝所選用的噴涂材料都是固定不變的，以保證元件產(chǎn)量合理且獲利。

所用的噴涂材料是市售的直徑為1.6毫米的Corthal WT 65 TC1電焊絲[3]。這種焊絲用于堆焊，能防止包括塵土在內(nèi)的礦物質(zhì)污染。在堆焊過(guò)程中，生成的一次碳化物和共晶凝固的碳化鉻起到了耐磨作用。一次碳化物包括碳化鉻、碳化鉬、碳化鈮、碳化鎢和碳化釩。

1.3 實(shí)驗(yàn)

因?yàn)樵谶@項(xiàng)研究中所要考慮到的一個(gè)重要因素就是簡(jiǎn)便，所以在指定的條件下只做了少量實(shí)驗(yàn)來(lái)代替噴涂工藝后的性能測(cè)試。測(cè)試的內(nèi)容包括：涂層厚度；表面粗糙度；基體材料的轉(zhuǎn)變方式，比如是急劇轉(zhuǎn)變還是平穩(wěn)過(guò)渡；彎曲實(shí)驗(yàn)；抗沖擊能力。

產(chǎn)品要在實(shí)際使用之前進(jìn)行測(cè)試，特別是在一些農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用上，如犁頭尖端和耙齒，如圖1所示。

圖1 實(shí)際應(yīng)用中磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.1 Alternative coating method subjected to M?lbro's own test, an extreme wear test, under which the components are exposed to actual use in a fi eld,selected by M?lbro

初步測(cè)試所選的基體材料是一種標(biāo)準(zhǔn)的硬化硼鋼。M?lbro的鋼適用于熱處理工藝，包括硬化處理，但是在這種情況下，經(jīng)過(guò)硬化處理過(guò)的鋼成本較高。所有的試樣片都要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的除油和噴砂處理。本文測(cè)試了基體與涂層之間的急劇轉(zhuǎn)變或平穩(wěn)過(guò)渡的轉(zhuǎn)變方式，這種轉(zhuǎn)變方式與材料的耐用性無(wú)關(guān)，只是視覺效果的不同。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本工藝流程和涂層性能

當(dāng)雙線電弧噴涂設(shè)備使用M?lbro選擇的噴涂絲時(shí)，所得到的涂層性能非常好。為了在高速生產(chǎn)的情況下得到致密平滑的涂層表面，需要選用合適的噴涂工藝參數(shù)。噴涂工藝流程可以很容易的實(shí)施監(jiān)控，所得的四種涂層試樣如圖2所示。為了獲得適宜的產(chǎn)量并逐漸降低涂層表面粗糙度，在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，要控制一種變量參數(shù)進(jìn)行研究。

圖2 試樣中所選擇的工藝參數(shù)如下：150A；30V；加壓車間標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；一級(jí)二級(jí)污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)是60。

當(dāng)在做簡(jiǎn)單彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)，將待測(cè)涂層試樣置于一個(gè)薄鋼板上評(píng)估其裂紋形成和散裂程度。彎曲度為180（°）時(shí)只能在試樣邊緣看到少量裂紋，但是這些裂紋不會(huì)沿著邊緣擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)中沒有出現(xiàn)散裂。

準(zhǔn)備厚度為1.5毫米和3毫米的涂層試樣片，之后用虎頭鉗固定住試樣，從所有可能的角度用力錘擊試樣來(lái)測(cè)試這些試樣的抗沖擊性能，這將同時(shí)導(dǎo)致涂層和基體的變形。當(dāng)基體嚴(yán)重變形時(shí)，涂層和基體間的過(guò)渡區(qū)會(huì)出現(xiàn)散裂，此時(shí)涂層就會(huì)散落，用鑿子鑿擊試樣也會(huì)出現(xiàn)散裂。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

之前測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以顯示出可喜的成果，針對(duì)以下組件設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)：a、犁頭尖端；b、耙齒。

M?lbro在已設(shè)定好的農(nóng)耕條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，眾所周知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在塵土。將噴涂后的組件與原始組件一起測(cè)試進(jìn)行對(duì)比。

組件測(cè)試結(jié)果（a）犁頭尖端：通過(guò)目測(cè)可以總結(jié)出，雙線電弧噴涂后的犁頭尖端比原始部件磨損得快。

由于劇烈的磨損和重?fù)魰?huì)對(duì)所有的熱噴涂涂層造成破壞，因此發(fā)明出了犁尖，它可以承受劇烈的磨損、直接的重?fù)艉透邷?。熱噴涂層的特性，諸如局部結(jié)合性差、多孔等都可能會(huì)增加磨損的幾率，這也就導(dǎo)致所有熱噴涂形成的顆?；虮∑即嬖谀p的風(fēng)險(xiǎn)。以上結(jié)果就可以說(shuō)明這一問(wèn)題，只有3毫米厚的組件b可以進(jìn)行測(cè)試。

組件測(cè)試結(jié)果（b）耙齒：雙線電弧噴涂后的耙齒與原始部分對(duì)比，在一定程度上會(huì)有相同或較小的磨損量，會(huì)有少得多的無(wú)意義的磨損。如圖3所示。

圖3 測(cè)試耙齒：A）3毫米涂層厚度平滑過(guò)渡到襯底；B）3毫米涂層厚度尖銳過(guò)渡到襯底；C）無(wú)涂層Fig.3 Tested harrow teeth：A)3 mm coating thickness and smooth transition to substrate；B)3 mm coating thickness and sharp transition to substrate；C)original part

耙齒也要承受住劇烈的磨損、直接的沖擊、高溫和重載，只不過(guò)沒施加在犁尖上的負(fù)載那么強(qiáng)烈而已有。然而在敲擊石塊和巖石等硬物時(shí)，耙齒還要具有一定的抗震性。

上述結(jié)果并未得出一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論，所以我們對(duì)組件a做了一些調(diào)整，比如優(yōu)化雙線電弧噴涂工藝或者選用一種更好的噴涂材料。從M?lbro的評(píng)價(jià)中可以看到，還需要大量的努力才能使組件a正常工作。然而，這也可以說(shuō)明組件c很接近一種用于雕刻的設(shè)備，由于加工過(guò)程中產(chǎn)生的變形問(wèn)題，堆焊技術(shù)不適合加工原始組件。此外，增加設(shè)備的使用壽命并不是一個(gè)可以獲利的方法。對(duì)于增加使用壽命這個(gè)設(shè)計(jì)，雙線電弧噴涂工藝也試驗(yàn)成功。

2.3 冶金意見

堆焊顯微結(jié)構(gòu)的代表組成部分如圖4所示。結(jié)合使用掃描電鏡背散射和掃描電鏡-能量色散X射線分析技術(shù)，探究堆焊層中所選物相的化學(xué)組成。結(jié)果顯示成分中含有碳化鉻、碳化鈮、碳化鎢以及富鋁氧化物。圖4揭示了堆焊層中含有大量的碳化鉻，而碳化鉻會(huì)促進(jìn)磨粒磨損的發(fā)生。除去這項(xiàng)研究的框架，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃利用掃描電鏡-能量色散X射線分析技術(shù)映射碳化物的形成分布。

圖4 堆焊層顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Representative part of the hardfacing microstructure and SEM backscatter technique and SEM-EDX revealing relatively large Chromium carbides in the upper right corner

為了表征犁頭上的耐磨堆焊層，我們進(jìn)行了冶金檢測(cè)和硬度測(cè)試。冶金檢測(cè)的目的就是為了表征堆焊層中的孔隙體積分?jǐn)?shù)和碳化物析出量。能量色散X射線分析和掃描電鏡背散射檢測(cè)都需要用到掃描電子顯微鏡，來(lái)分析確定成分的體積分?jǐn)?shù)。

一定的孔隙體積分?jǐn)?shù)也可以表征堆焊層的性質(zhì)，在某種程度上這也影響了堆焊層的磨粒磨損性能。使用掃描電鏡背散射可以測(cè)得孔隙體積分?jǐn)?shù)，測(cè)試結(jié)果顯示，在堆焊層中有3%～4%的孔隙率，如圖5所示。

圖5 涂層孔隙率圖，綠色的區(qū)域表示的孔隙；孔隙率：3.23%Fig.5 Evaluation of the porosity volume fraction,where green coloured areas represent porosity, in this case resulting in 3.23% porosity

堆焊層的硬度和抗磨粒磨損性能之間有很大的聯(lián)系，因此，要對(duì)犁頭堆焊層橫截面的硬度進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)HV0.3單位的維氏法測(cè)試堆焊層中孔洞的硬度，雖然多孔材料的硬度測(cè)量具有不確定性，但結(jié)合對(duì)測(cè)量不確定性的負(fù)載影響，測(cè)試結(jié)果顯示堆焊層的平均硬度值是838HV0.3。為了進(jìn)行比較，用堆焊焊接圖3中的C試樣，得到的平均硬度值是766HV0.3?；谟捕鹊奶岣呖梢缘玫揭粋€(gè)直接的比較，就是使用雙線電弧噴涂后的涂層硬度比堆焊層的硬度提高了9.4%。

MAG堆焊工藝制造的均勻涂層屬于冶金結(jié)合。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)如氣穴和裂紋形成的孔隙等缺陷，。這些缺陷不同程度的分布在整個(gè)MAG堆焊層中，如圖6所示。這表明優(yōu)化的工藝流程與產(chǎn)品產(chǎn)量和后-處理后可能出現(xiàn)的材料敏感性有關(guān)。

2.4 生產(chǎn)潛力的評(píng)估

用雙線電弧噴涂工藝將Corthal圖層材料噴涂到M?lbro的元件上顯示出了很可喜的結(jié)果。本文主要目的是找到一種可以替代堆焊的方法來(lái)更好地提高生產(chǎn)力。表1給出了MAG堆焊和雙線電弧噴涂?jī)煞N加工工藝的區(qū)別。

圖6 MAG堆焊層中裂紋的形成和空隙圖Fig.6 Crack formation and voids in the MAG welded coating

表1 生產(chǎn)工藝比較Table 1 Production process comparison

從表1所列的情況可以很明顯的看出，雙線電弧噴涂工藝能夠顯著提升生產(chǎn)速率。此外，更低的基板需求可以在某種程度上降低成本。

后期處理對(duì)于焊接工藝非常重要，就如同前期處理對(duì)熱噴涂工藝一樣重要。但是考慮到生產(chǎn)速率和成本，雙線電弧噴涂工藝更有吸引力，因?yàn)槭褂秒p線電弧噴涂工藝后的產(chǎn)量會(huì)有顯著提高。結(jié)合更節(jié)省成本的基板和所省去的不必要的后處理過(guò)程這些生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，使得雙線電弧噴涂工藝更具商業(yè)優(yōu)勢(shì)。

非公募體育基金會(huì)不可以直接面向公眾開展慈善公益募捐活動(dòng)募集資金，主要是通過(guò)向特定的自然人、法人和組織募集資金及確保基金會(huì)資金保值增值的前提下，開展投資活動(dòng)獲得資金，以此從事體育慈善公益事業(yè)。非公募體育基金會(huì)登記部門為省、自治區(qū)、直轄市及以上的民政部門，因不能面向公眾公開募集資金，所以資金來(lái)源無(wú)地域性限制。近年來(lái)，我國(guó)非公募體育基金會(huì)發(fā)展迅猛，截至目前，我國(guó)非公募體育基金會(huì)已有41家，占體育基金會(huì)的57.7%，已經(jīng)超過(guò)公募體育基金會(huì)。其中在民政部注冊(cè)的有2家，分別是桃源居公益事業(yè)發(fā)展基金會(huì)和薩馬蘭奇體育發(fā)展基金會(huì)，其余39家為地方民政部門注冊(cè)的公募體育基金會(huì)。

最后，關(guān)鍵的一點(diǎn)是雙線電弧系統(tǒng)的成本水平相當(dāng)于一個(gè)MAG堆焊系統(tǒng)。M?lbr?的設(shè)備可以在沒有任何巨大的調(diào)整和微小的投資下立即改變工藝流程。

3 綜述和結(jié)論

這項(xiàng)研究已經(jīng)顯示出使用雙線電弧噴涂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MAG堆焊工藝的可能性和潛能。此外，研究也表明在低預(yù)算項(xiàng)目中結(jié)合這種優(yōu)勢(shì)可能會(huì)獲得令人滿意的且滿足工業(yè)要求的成果。

基于M?lbro A/S既定的生產(chǎn)線，優(yōu)化后的噴涂工藝用于農(nóng)業(yè)元件的生產(chǎn)。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試下的結(jié)果相同。特別是，制造商M?lbro使用雙線電弧噴涂工藝所得結(jié)果和傳統(tǒng)工藝比較起來(lái)效果一樣好，甚至更好。

由于一些極端條件，測(cè)試結(jié)果表明熱噴涂工藝不適合加工所有組件，但包含了組件中的大多數(shù)。

雙線電弧噴涂工藝具有更高的生產(chǎn)率和更低的成本，可以顯著提高生產(chǎn)效率，能比傳統(tǒng)工藝高出5倍，靈活性也能符合特殊基板的要求。

除噴涂工藝外，一般生產(chǎn)過(guò)程中的所有工藝參數(shù)都是不變的，在工藝設(shè)備只有很少投資的情況下，噴涂工藝有可能進(jìn)行立即轉(zhuǎn)變。

熱噴涂層在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的孔隙率為3%～4%。

4 前景展望

這項(xiàng)研究是根據(jù)M?lbro的客戶需求開展的，包括降低成本、延長(zhǎng)使用壽命和美化涂層外觀等。的確，熱噴涂層與堆焊層相比具有更好的外觀和更低的成本。但是，考慮到質(zhì)量和使用壽命的延長(zhǎng)，要對(duì)材料進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的研究來(lái)確定涂層材料最佳的組成。用電弧噴涂替代堆焊可能也對(duì)檢測(cè)特定的地質(zhì)地球組成有益，它可以改善磨損率，這一點(diǎn)在全世界已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。