朱晨穎，張 雷，2，孫志鵬，王 宇，錢志敏，秦 建

1.寧波中機松蘭刀具科技有限公司，浙江 寧波 315700

2.中國機械總院集團 寧波智能機床研究院有限公司，浙江 寧波 315700

3.鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

0 前言

旋耕作業(yè)是農業(yè)生產的關鍵工序，作業(yè)效率和質量直接影響整地和播種質量。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，超80%的農用觸土部件因磨粒磨損失效而報廢［2］，僅旋耕刀國內年消耗量超2.5億把。農機刀具壽命不足的問題日益凸顯，已嚴重制約國內農用機械向智能農機的轉型升級［3］。

國內外學者對旋耕刀耐磨強化做了大量研究。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，相對磨損率降低40%。屈平等［5］利用等離子熔覆技術在旋耕刀表面合成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、設備昂貴及工藝復雜等問題。感應釬涂工藝清潔環(huán)保、簡單靈活、穩(wěn)定性高，制備的涂層表面平整，結合強度高［7-9］，在表面涂層制備方面具有較大的優(yōu)勢。

本文通過對涂層組織和性能進行研究，對比感應釬涂與等離子熔覆工藝下的涂層效果；通過優(yōu)化感應釬涂的關鍵參數(shù)——釬涂時間，獲得最佳的旋耕刀耐磨涂層；并介紹了感應釬涂金剛石技術的應用前景及實用案例，為耐磨領域的發(fā)展提供一定的理論依據(jù)和實踐經驗。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用基體為65Mn鋼，涂層材料由Ni基釬料合金粉末、WC及金剛石硬質顆粒組成。其中Ni基釬料粒度為300目（均值），化學成分如表1所示，粉末形態(tài)如圖1a所示；WC硬質顆粒質量分數(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基釬料化學成分（質量分數(shù)，%）Table 2 Chemical composition of Ni-based solder（wt.%）

1.2 試驗方法

采用感應釬涂及等離子熔覆工藝對Ni基釬料與硬質顆?；旌隙傻膹秃戏勰┩瓿赏繉又苽?，其中感應釬涂工藝參數(shù)為：35 kW感應焊機，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，焊槍移動速度120 mm/min，保護氣流量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機上進行磨損試驗，試驗按照標準JB/T 7705—1995《松散磨粒磨料試驗方法橡膠輪法》進行，試驗參數(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、涂層結合狀態(tài)及硬質顆粒分布；采用HR-150A洛氏硬度計測試涂層的宏觀硬度。

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

2 結果與分析

2.1 感應釬涂層與等離子熔覆層性能對比

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

圖2 WC涂層與鋼基體結合界面及元素擴散情況Fig.2 Interface and element diffusion of WC coating and steel substrate

WC顆粒與Ni基釬料結合界面如圖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，產生的W和C元素向Ni基釬料中擴散，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，這些新相對于提高涂層結合強度及硬度具有積極作用［10］。

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

分別對兩種涂層進行磨粒磨損試驗，對比涂層的耐磨性能，試驗結果如表3所示?？梢钥闯?，感應釬涂35%WC涂層的磨損失重約為等離子熔覆35%WC涂層的67.8%，感應釬涂35%WC涂層耐磨性明顯更優(yōu)。這是因為等離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，削弱了硬質相對涂層頂部的強化耐磨作用［11］。而感應釬涂加熱，能量集中，加熱溫度低，硬質顆粒均勻分布，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 等離子熔覆及感應釬涂35%WC涂層耐磨試驗結果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，綜合經濟效益不理想。

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用于礦山、建筑、化工設備等行業(yè)中，如耐磨板、溜槽、風機葉片、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、磨損嚴重的部件。但該類工藝熔解母材的同時會稀釋母材成分，且加熱不均勻，高熱能量的輸入會引起部件變形，導致部件組織不一。

2.2 旋耕刀感應釬涂金剛石涂層工藝研究

本技術團隊通過對涂層材料的研究，發(fā)現(xiàn)Ni基釬料復合金剛石涂層的耐磨性最佳，是Ni基釬料復合WC涂層的5倍以上。在此基礎上，開展旋耕刀感應釬涂金剛石涂層的工藝參數(shù)優(yōu)化。結合旋耕刀實際工況，選用金剛石作為耐磨增強顆粒，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為沖擊而彎曲甚至折斷。尤其是對于感應釬涂旋耕刀而言，因刀身集中受熱，熱傳導會導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釬涂工藝制備涂層的過程中，釬涂時間尤為關鍵。

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

圖6 不同釬涂時間的感應釬涂金剛石復合涂層旋耕刀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定結果如圖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時硬度下降最大，旋耕刀作業(yè)過程中極易彎曲變形。這是因為釬涂后旋耕刀受熱循環(huán)作用，刀體組織由細晶粒的回火索氏體轉變?yōu)榇执蟮闹楣怏w［8］所致。

圖8 釬涂時間對旋耕刀硬度的影響Fig.8 Effect of brazing time on hardness of rotary blade

感應釬涂金剛石涂層旋耕刀田間試驗結果如圖9所示。釬涂25 s的旋耕刀如圖9a左側三把旋耕刀所示，未發(fā)生彎曲現(xiàn)象；圖9a右側三把刀柄及圖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 感應釬涂金剛石涂層旋耕刀田間試驗結果Fig.9 Field test results of rotary blades with induction brazed diamond composite coating

田間試驗驗證，原始旋耕刀在連續(xù)耕作300畝左右即需更換，而感應釬涂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。表明感應釬涂合適時間的金剛石涂層旋耕刀可極大地提高耕作效率、搶占播種時間。

3 感應釬涂金剛石涂層應用前景與實施案例

3.1 農業(yè)機械

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

本團隊已將感應釬涂金剛石技術成功應用于犁尖、粉碎刀、開溝刀、打捆刀等農機刀具，如圖10所示，經田間試驗結果驗證，使用壽命普遍提升3倍以上。并且該技術易于實現(xiàn)自動化、批量化生產，對于助推農業(yè)機械智能化升級轉型具有重大意義。

圖10 農機刀具Fig.10 Agricultural machinery tools

3.2 工程機械

工程機械工作環(huán)境苛刻，工作對象復雜，如煤礦機械、電力機械、疏浚機械、水泥機械等，這類機械的磨損等失效現(xiàn)象會嚴重制約工程機械的智能化發(fā)展。另外，由此引發(fā)的設備故障及安全事故也時有發(fā)生，造成的經濟損失難以估量。

煤礦機械中輸送機、采煤機等綜采裝備的磨損失效現(xiàn)象極其嚴重。目前，國內使用的輸送機中部槽普遍采用整體鑄造鏟板槽幫、擋板槽幫與高強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，中板以低合金調質鋼NM360、NM400為主，但兩者屬于異種鋼材的焊接，容易產生焊接變形、裂紋、氣孔等焊接缺陷，降低中部槽的使用壽命。本團隊現(xiàn)已與國內知名煤礦企業(yè)合作，將感應釬涂金剛石技術應用于中部槽中板部件（見圖11b），可極大提高其耐磨性，延長使用壽命［18］。

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

近年來，國內大型挖泥船、卸船機的發(fā)展呈現(xiàn)出迅猛的態(tài)勢。輸送物料的復雜性和多樣性（如中粗沙夾礫石等）使過流部件磨損加劇，因此對過流設備及輸送管線的耐磨性能提出了更高的要求。對于襯板、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、鑲嵌陶瓷內襯等技術來提升耐磨性。耐磨體常通過鑄造、燒結等工藝預制完成，制造工藝復雜，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。

本團隊已將感應釬涂金剛石技術應用于水泥料倉襯板、臥螺離心機螺旋體等過流部件，并投入使用，目前應用效果良好，如圖12所示。

圖12 過流部件Fig.12 Overcurrent parts

4 結論

（1）采用感應釬涂工藝制備耐磨涂層，涂層中硬質顆粒分布均勻，涂層耐磨性好。感應釬涂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）感應釬涂金剛石涂層耐磨性極佳，約是感應釬涂35%WC涂層的5倍。感應釬涂旋耕刀工藝的關鍵參數(shù)為釬涂時間，釬涂時間過長時，金剛石熱損傷嚴重，旋耕刀硬度急劇降低，涂層平整度變差；釬涂時間不足時，涂層無法成形。經田間試驗驗證，感應釬涂時間為25 s的金剛石涂層旋耕刀使用壽命提高可達4倍以上，大大提高了旋耕作業(yè)效率。

（3）感應釬涂金剛石技術具有耐磨性極佳、工藝簡單、制備效率高等優(yōu)勢，在農業(yè)機械、工程機械等領域有著廣泛的應用。目前，該技術已應用于犁尖、粉碎刀、開溝刀等農機刀具，以及礦用耐磨襯板、污水臥螺離心機等工程裝備上，未來還將繼續(xù)拓展感應釬涂金剛石技術在耐磨領域的應用。

（4）感應釬涂金剛石技術在表面工程領域的應用愈加廣泛，但釬涂后基體性能經常被弱化，優(yōu)化釬涂工藝可以適當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，但可能會導致金剛石燒損、釬料與金剛石界面破壞等，嚴重影響涂層性能，后續(xù)將在本文研究的基礎上，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的推廣應用提供一定的理論支持。