李慕勤 蔡丁森 莊明輝 楊 海 彭書浩 王俊發(fā)

（佳木斯大學(xué) 教育部金屬耐磨材料及表面技術(shù)工程研究中心，黑龍江 佳木斯154007）

農(nóng)機犁鏵堆焊組織結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計與耐磨性

李慕勤 蔡丁森 莊明輝 楊 海 彭書浩 王俊發(fā)

（佳木斯大學(xué) 教育部金屬耐磨材料及表面技術(shù)工程研究中心，黑龍江 佳木斯154007）

李慕勤

為了提高農(nóng)機犁鏵使用壽命，尋求與蜣螂體表的微結(jié)構(gòu)形態(tài)相似的堆焊微觀組織結(jié)構(gòu)。設(shè)計Fe-Cr-C-（B4C）x系金屬粉芯焊絲，通過B4C添加量的變化調(diào)控堆焊層微觀組織結(jié)構(gòu)向蜣螂體表的表面微結(jié)構(gòu)變化。采用CO2氣體保護焊進行往復(fù)擺動堆焊，觀察堆焊層顯微組織結(jié)構(gòu)，并進行了EBSD相分析，測定了堆焊層HRC和磨粒磨損性能。結(jié)果表明，堆焊層組織為馬氏體、下貝氏體及網(wǎng)狀（Cr，F(xiàn)e）3（B，C），并含有少量硬質(zhì)點TiC。得到的微觀組織結(jié)構(gòu)達到了蜣螂體表的微結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生效果，并且使堆焊層耐磨性均高于65Mn鋼3~4倍。

金屬粉芯焊絲 仿生堆焊 耐磨性

0 序 言

在農(nóng)機具作業(yè)過程中磨粒磨損是導(dǎo)致觸土部件無法繼續(xù)正常運作的主要原因之一。以犁鏵為例，國內(nèi)現(xiàn)已廣泛使用的65Mn鋼犁鏵使用壽命較短，在黑粘土中能夠耕作300~500畝，在沙壤土中耕作100~200畝，在沙土中只能耕作50~80畝。犁鏵磨損后刃口厚度增加，隨之耕深降低，牽導(dǎo)阻力增加，拖拉機油耗增加，從而增加了農(nóng)業(yè)機械作業(yè)的成本消耗，因此，如何提高農(nóng)機具磨損件壽命，成為關(guān)注熱點［1-2］。 任露泉等人［3］從許多土壤動物體表性質(zhì)和特殊的曲面構(gòu)形出發(fā)提出的非光滑理論，用于犁鏵等農(nóng)機零部件表面仿生設(shè)計，已開發(fā)出多種仿生犁壁等，從仿生學(xué)的角度研究解決農(nóng)機具表面的土壤粘附問題。研究基于非光滑表面仿生設(shè)計出發(fā)，從材料選擇到表面熔覆層設(shè)計進行相關(guān)研究，如柵條犁壁、山西陽城疙瘩犁，國外開發(fā)的不粘鍬和仿生犁壁等等［3-4］。圍繞提高犁鏵使用的壽命，很多研究者采用耐磨焊條手工堆焊、熔覆、噴焊技術(shù)等表面處理，犁壁使用壽命得到了很大提高［5-7］。目前農(nóng)機具仿生設(shè)計多從宏觀角度出發(fā)，從材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀仿生相結(jié)合的研究鮮有報道。尤其是近年來金屬型藥芯焊絲的發(fā)展，多用于礦山機械磨損，針對土壤接觸農(nóng)機具金屬型藥芯設(shè)計較少。

文中以犁鏵為對象，設(shè)計了農(nóng)機具用Fe-Cr-C-（B4C）x系金屬型耐磨藥芯焊絲，以蜣螂宏觀結(jié)構(gòu)和體表的微結(jié)構(gòu)形態(tài)為仿生設(shè)計出發(fā)點，利用生物非光滑原理，設(shè)計材料成分與微觀組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，并尋求其微觀組織結(jié)構(gòu)與生物結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生，調(diào)控堆焊層微觀組織結(jié)構(gòu)向蜣螂體表的微結(jié)構(gòu)變化，提出其仿生微觀組織結(jié)構(gòu)與磨損性能關(guān)系，通過仿生設(shè)計出非光滑表面，提高耐磨性。該藥芯焊絲應(yīng)用堆焊方法應(yīng)用到地面機械觸土部件等易磨損件的表面，進行相關(guān)農(nóng)機具的磨損修復(fù)或制造新的仿生復(fù)合農(nóng)機具，進一步提高農(nóng)機具（如犁鏵等）的使用壽命，該研究為提高地面機械觸土易磨損部件的抗磨性開辟一條新途徑。

1 試驗材料及方法

1.1 從動物仿生角度設(shè)計金屬型耐磨藥芯焊絲

蜣螂出入于粘性較大的糞便和泥土中，身體并未粘附糞便和泥土。農(nóng)機犁鏵與土壤相接觸，若其具有蜣螂的宏觀結(jié)構(gòu)和體表的微結(jié)構(gòu)，也會起到既耐磨損又能減粘降阻的效果。首先，以觸土動物典型代表蜣螂為例，分析其體表幾何結(jié)構(gòu)的特點，如圖1所示［8-9］。由圖1可知，和泥土直接接觸的蜣螂頭部呈凸包形和凹坑形結(jié)構(gòu)；蜣螂鞘翅背面呈鱗片形，進一步放大呈波紋形貌；蜣螂背板呈凹坑形結(jié)構(gòu)和細針曲線結(jié)構(gòu)；蜣螂宏觀體表不同部位呈凹陷和隆起構(gòu)成的非光滑表面，頭和胸背部的隆起、頭和前胸背板以及足面密集的魚鱗狀、圓盤凸-凹陷、鞘翅的縱向波浪形念珠狀溝槽等構(gòu)成與糞便和泥土直接接觸的非光滑表面。蜣螂頭部和爪分布凸包，主要用于挖土和摩擦較嚴重的部位。

從犁鏵工作環(huán)境分析，犁鏵與土壤、砂石、作物秸稈以及根塊等接觸。其中，土壤受天氣和氣溫影響，呈潮濕或干燥狀態(tài)，尤其潮濕狀態(tài)下，土壤中化肥、農(nóng)藥具有腐蝕性。因此，犁鏵以磨粒磨損為主，并伴有腐蝕。另外，工作時還承受振動與沖擊載荷。

圖1 蜣螂的宏觀形貌和體表的微結(jié)構(gòu)形態(tài) ［8-9］

然后設(shè)計金屬型藥芯焊絲成分，使其堆焊宏觀形貌和微觀組織呈現(xiàn)與蜣螂類似的宏觀結(jié)構(gòu)和體表微結(jié)構(gòu)，進而滿足農(nóng)業(yè)機械工況。Fe-Cr-C系合金價格便宜是耐磨堆焊中常見的合金體系［10-12］，在鐵基材料中，添加高碳鉻鐵粉，通過固溶強化和鉻碳化物的形成（呈凸凹形態(tài)），提高堆焊層的硬度、耐磨性及耐土壤環(huán)境腐蝕的性能；添加石墨，向堆焊層中過渡碳，形成碳化物，呈凸起形貌，用于提高硬度和耐磨性；添加鈦鐵、錳鐵和硅鐵進行脫氧，保證合金元素過渡，鈦鐵與碳可形成碳化鈦顆粒（呈凸起形貌）；加入碳化硼，對堆焊層微觀組織影響很大，尤其可以調(diào)控晶界和晶內(nèi)組織形態(tài)（魚鱗狀）?；隍掾塍w表的微結(jié)構(gòu)形態(tài)，仿生設(shè)計Fe-Cr-C-（B4C）x系堆焊層，通過B4C加入量的變化，調(diào)控堆焊層微觀組織結(jié)構(gòu)，呈凸包、條紋、凹坑、鱗片等的微結(jié)構(gòu)變化，并設(shè)計相應(yīng)仿生堆焊焊道，提高犁鏵耐磨性和減粘降阻性能。

金屬型耐磨藥芯焊絲外皮采用碳鋼鋼帶，合金粉體由含鉻68.4%的高碳鉻鐵粉，加入量為60%，100%的石墨粉加入量為10%，含鈦27.78%的鈦鐵粉加入量為12%，含錳75.7%錳鐵粉加入量5%。含硅72.4%硅鐵粉加入量為1%，100%碳化硼粉設(shè)置3種添加量，分別為4%（簡稱 No.1），6%（簡稱 No.2） 和 8%（簡稱 No.3），粉體粒度≤80#。采用粉芯焊絲成型機軋制成直徑為1.6 mm金屬粉芯焊絲，藥粉填充率23%，金屬粉芯焊絲由威海三盾焊接材料工程有限公司制造 （以上百分數(shù)皆為質(zhì)量分數(shù)）。

1.2 堆焊方法及焊接參數(shù)

堆焊方法采用CO2氣體保護焊機，外接自位移小車和擺動系統(tǒng)，堆焊系統(tǒng)示意圖如圖2所示。位移小車在x軸方向軌道上以穩(wěn)定速度vx前行，小車上固定擺動系統(tǒng)和焊槍，焊槍隨著擺動系統(tǒng)在y軸方向以一定擺幅A和擺速vy往復(fù)擺動，通過調(diào)節(jié)小車速度vx，擺幅A，擺速vy，再配以合適的焊接電流I、焊接電壓U，堆焊成蜣螂鞘翅的縱向波紋狀。堆焊工藝參數(shù)見表1。

圖2 堆焊系統(tǒng)示意圖

表1 堆焊工藝參數(shù)

1.3 堆焊層組織結(jié)構(gòu)及成分分析

采用帶FALCON60S能譜分析儀（EDAX）的JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察堆焊層及磨損后的表面微觀形貌，分析堆焊層表面及截面的元素分布狀況。采用HMV-2T顯微硬度計測定堆焊層金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的顯微硬度；采用上海牛津儀器有限公司的NordlysMax2型背散射電子衍射儀（簡稱EBSD）分析相組成，確定堆焊層的顯微織構(gòu)及元素分布。1.4 堆焊層硬度和磨粒磨損

采用HR-150A洛氏硬度計檢測堆焊層宏觀硬度，至少測定5個點，取其平均值。磨粒磨損試驗采用ML-100型磨粒磨損試驗機，磨損試驗對比試樣為65Mn鋼，磨損試樣采用尺寸為4 mm×12 mm的圓棒，每組磨粒磨損試驗測試3個試樣，磨損載荷為1.91 MPa，采用80 μm的棕剛玉砂紙，固定轉(zhuǎn)速為60 r/min，往復(fù)運動，磨損時間為5 min，利用電子天平測量試樣磨損前后的質(zhì)量（精度為0.000 1 g），取3個磨損試樣的失重平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 Fe-Cr-C-（B4C）x系堆焊層顯微組織結(jié)構(gòu)

Fe-Cr-C-（B4C）x系耐磨堆焊層的顯微組織如圖3所示。堆焊層由胞狀或胞狀樹枝晶組織和網(wǎng)狀分布的共晶組織構(gòu)成。隨著B4C添加量的增加，樹枝晶組織尺寸減小、網(wǎng)狀分布的共晶組織體積分數(shù)增大。其中，No.1可見凹陷和凸包，No.2和No.3堆焊層微觀組織結(jié)構(gòu)與蜣螂螂頭部凸包形和鱗片形非光滑表面的微觀結(jié)構(gòu)相似。

圖 3 Fe-Cr-C-（B4C）x堆焊層微觀組織

將No.3試樣堆焊組織局部放大，并進行元素分析（如圖4所示和見表2）。圖4a中B處圓形區(qū)域內(nèi)含有顆粒狀組織，呈規(guī)則的凸包型，尺寸為0.5~1 μm，可能是TiC顆粒；貫通整個晶粒的片狀組織是馬氏體組織。另外，一些定向分布的針狀組織為下貝氏體。這種馬氏體和下貝氏體組織與蜣螂胸節(jié)背板針狀微結(jié)構(gòu)分布極為相似。A區(qū)分布著大量網(wǎng)狀共晶相。圖4b為圖3a平均成分分析，主要元素為 Fe，并含有 Cr，C，Mn，Ti。分析這些元素分布發(fā)現(xiàn)，B區(qū)C元素含量為0.93%，遠高于A區(qū)共晶相（C為0.48%），但Cr和Ti元素含量低于A區(qū)。這說明B區(qū)固溶了一定的C，Cr元素，C與Ti形成TiC顆粒，而A區(qū)共晶相為Cr與C形成的M7C3。B元素原子序數(shù)小，文中試驗設(shè)備無法測定，文獻［11］論述B元素多分布于晶界。由于晶內(nèi)和晶界成分不同，形成的組織不同，類似于蜣螂體表不同部位微觀非光滑表面［13-14］。

圖 4 Fe-Cr-C-（B4C）x堆焊層高倍 SEM 及能譜（No.3）

表2 元素分析表

為了確定No.3試樣堆焊層的相組成，對試樣微區(qū)進行EBSD和元素面掃描，掃描結(jié)果如圖5所示。圖5a含有網(wǎng)狀、顆粒狀及胞狀組織。對圖5a所示區(qū)域進行EBSD面掃描，分析結(jié)果如圖5b和圖5c所示。圖5b中胞狀組織標定為紅色的區(qū)域為馬氏體，網(wǎng)狀組織標定為黃色的區(qū)域為共晶相。根據(jù)能譜分析顯示，對應(yīng)的顆粒內(nèi)富含Ti，C元素，因此判定顆粒為TiC。結(jié)合Fe-Cr-C三元合金相圖分析認為，F(xiàn)e-Cr-C-（B4C）x系堆焊合金的凝固過程如下：電弧移走，熔池金屬溫度降低，首先從液相中析出TiC（文獻［15］顯示TiC的熔點為3 140℃，顯微硬度高達3 200 HV），添加金屬粉芯的鈦鐵粉一部分脫氧，另一部分生成少量的細小顆粒TiC，TiC顆粒作為初晶γ-Fe晶粒的萌生晶核，從而起到細化晶粒的作用。同時，顆粒狀的TiC類似于蜣螂頭部凸包形非光滑微結(jié)構(gòu)形態(tài)；隨著溫度下降，析出初晶γ-Fe，多余的C，Cr，B元素在其周圍富集，當溫度降到共晶線（1 300 ℃［16］）時，在初晶 γ-周圍發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 L→γ-Fe+Fe3C，富集的Cr元素隨著共晶轉(zhuǎn)變固溶到共晶產(chǎn)物中，B原子與C原子半徑相近，替代共晶碳化物中的C原子，形成富含 Cr，B 的網(wǎng)狀（Cr，F(xiàn)e）3（B，C）；隨著溫度繼續(xù)下降，初晶γ-Fe和共晶γ-Fe轉(zhuǎn)變成富C的馬氏體。另外，部分γ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織，下貝氏體具有良好的強韌性，在硬度相同的條件下，其耐磨性優(yōu)于馬氏體；焊接后堆焊層處于大氣狀態(tài)下，冷卻速度很快，相當于進行“淬火”處理，堆焊層組織中出現(xiàn)馬氏體，堆焊系統(tǒng)中y軸上連接的擺動系統(tǒng)，在焊接過程中來回往復(fù)擺動，使堆焊層的焊后冷卻速度大幅度降低，滿足貝氏體轉(zhuǎn)變的條件，從而形成下貝氏體組織。2.2 Fe-Cr-C-（B4C）x系堆焊層的硬度及耐磨性

圖5 Fe-Cr-C-（B4C）x堆焊層表面EBSD和能譜分析（No.3）

65Mn鋼試樣作為對照組與3組金屬粉芯焊絲堆焊試樣對比，測試的硬度與耐磨性結(jié)果見表3。堆焊層的HRC隨B4C含量的增加而升高，當合金粉體中B4C含量達到6%時，繼續(xù)增加B4C含量，HRC硬度增幅不明顯。隨著B4C添加量的增加，堆焊層中C和B元素隨之增多，富含 Cr，B 的網(wǎng)狀碳化物（Cr，F(xiàn)e）3（B，C）體積分數(shù)也隨之增大，其顯微硬度測試為770~900 HV，堆焊層的HRC增大。磨損失重和耐磨性顯示，隨著B4C添加量的增加，耐磨性有所提高，但過多會導(dǎo)致耐磨性有所下降。

表3 Fe-Cr-C-（B4C）x堆焊層HRC和磨粒磨損失重量

市場上多使用鍛造處理后的65Mn鋼制造犁鏵。然而在上述對比分析中，65Mn鋼磨損最為嚴重，磨損失重為三組金屬粉芯焊絲堆焊試樣的3~4倍，耐磨性最差；另外3組金屬型藥芯焊絲之間堆焊硬度相差不大，其中，B4C添加量為6%時，耐磨性最好。

圖6 Fe-Cr-C-（B4C）x堆焊層磨粒磨損表面形貌

掃描電鏡下觀察磨損后試樣的表面形貌如圖6所示。由圖6a可知，65Mn鋼經(jīng)過磨粒磨損后劃痕明顯較深，磨損過程中，受到來自磨粒的擠壓而向兩邊隆起，如此往復(fù)作用進而形成了較深的劃痕，磨損機理主要是由塑性變形機制引起的犁溝；由圖6b可知，No.1試樣犁溝的寬度比65Mn鋼小，溝槽的深度比65Mn淺，耐磨性能明顯比65Mn鋼好，其磨損機理也是由塑性變形機制引起的犁溝；由圖6c和圖6d可知，No.2和No.3試樣犁溝寬度更小，溝槽深度更淺，耐磨性更好，其磨損機理為微犁溝，這是由于隨著B4C含量增加，網(wǎng)狀（Cr，F(xiàn)e）3（B，C）體積分數(shù)提高，網(wǎng)狀（Cr，F(xiàn)e）3（B，C）較硬，阻礙磨料在磨損過程中的擠壓與切削，從而提高了耐磨性能。

設(shè)計的三種金屬型藥芯焊絲，B4C含量的變化，使堆焊層微觀組織形中的C和B元素增加，使堆焊層微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。碳化硼粉變化量為4%~6%時，得到與蜣螂腹部微觀非光滑表面相似的微觀結(jié)構(gòu)；添加量為 8%（質(zhì)量分數(shù)）時，出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀（Cr，F(xiàn)e）3（B，C），此時更接近于蜣螂腹部密布的類似鱗片的非光滑微結(jié)構(gòu)形貌，仿生出鱗片形微觀非光滑表面；堆焊組織中馬氏體和下貝氏體組織與蜣螂胸節(jié)背板針狀組織分布相似；TiC顆粒類似于蜣螂頭部凸包形非光滑微結(jié)構(gòu)形態(tài)。這些組織的獲得，進一步提高犁鏵耐磨性的同時又實現(xiàn)減粘降阻，但堆焊層還需減粘降阻的相應(yīng)試驗加以證明。

3 結(jié) 論

（1）堆焊層組織為馬氏體、下貝氏體及網(wǎng)狀（Cr，F(xiàn)e）3（B，C），并有少量硬質(zhì)點TiC。隨著B4C添加量的提高，網(wǎng)狀（Cr，F(xiàn)e）3（B，C）體積分數(shù)有所增大，更接近于蜣螂腹部表面密布的類似鱗片的非光滑微結(jié)構(gòu)形態(tài)；馬氏體和下貝氏體組織與蜣螂胸節(jié)背板針狀組織分布相似；TiC顆粒類似于蜣螂頭部凸包形非光滑微結(jié)構(gòu)形態(tài)；達到微觀組織上形態(tài)仿生。

（2）隨著B4C含量的增加，堆焊層的HRC有所提高，金屬粉芯焊絲堆焊層耐磨性均達到65Mn鋼3~4倍，這主要是隨著B4C含量的增加，堆焊層中C，B元素增加，網(wǎng)狀碳化物（Cr，F(xiàn)e）3（B，C）體積分數(shù)增大，磨損過程中阻礙磨料的擠壓與切削作用，進而提高堆焊層耐磨性能。

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2016-10-12

國家科技支撐計劃項目（2011BAD20B03）；2014年佳木斯大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項目立項（LM2014_003）；佳木斯大學(xué)校長創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項目研發(fā)項目（xzyf2014-07）。

李慕勤，1955年出生，博士，教授，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，材料加工工程學(xué)科帶頭人。現(xiàn)任中國焊接學(xué)會堆焊及表面工程委員會副主任、中國體視學(xué)會金相分析分會副理事長等職務(wù)。研究方向為材料表面改性。近五年主持國家自然科學(xué)基金等項目5項；獲省科技進步二等獎1項、省自然科學(xué)三等獎3項；在國內(nèi)外期刊發(fā)表論文30余篇，其中SCI和EI收錄8篇；出版學(xué)術(shù)專著1部，編寫教材1部；獲國家發(fā)明專利2項。

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