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前沿爆文|感应钎涂工艺在旋耕刀上的应用研讨

2023-3-19 11:53| 发布者: 夏梦飞雨| 查看: 130| 评论: 0

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简介:点击查看细致引见 感应钎涂工艺在旋耕刀上的应用研讨 朱晨颖 1 张雷 1, 2 孙志鹏 1 王宇 1 钱志敏 1 秦建 3 摘 要针对旋耕刀寿命短、改换勤的技术难题,展开旋耕刀耐磨强化工艺研讨。分别采用等离子熔覆和感应钎涂工 ...

点击查看细致引见


感应钎涂工艺在旋耕刀上的应用研讨


朱晨颖 1 张雷 1, 2 孙志鹏 1 王宇 1 钱志敏 1 秦建 3


摘 要针对旋耕刀寿命短、改换勤的技术难题,展开旋耕刀耐磨强化工艺研讨。分别采用等离子熔覆和感应钎涂工艺在65Mn钢上制备了35%WC涂层,结果表明,感应钎涂35%WC涂层的耐磨性比等离子熔覆35%WC涂层高1.5倍,硬质颗粒在其中散布愈加平均,烧损更少。在此研讨基础上开发了感应钎涂金刚石涂层,其耐磨性较感应钎涂35%WC涂层进步5倍以上。对旋耕刀感应钎涂金刚石涂层的钎涂时间中止了优化,发现钎涂时间为25 s时,涂层成形性好,旋耕刀体变形小,田间实验考证其运用寿命较原始旋耕刀进步了4倍以上。将感应钎涂金刚石技术推行应用至犁尖、粉碎刀等农机刀具,运用寿命普遍提升3倍以上;应用至刮板输送机中部槽、输送绞龙等工程机械过流部件,可显著减少磨损,降低能源耗费。


关键词感应钎涂;等离子熔覆;耐磨强化;旋耕刀;金刚石涂层


0前言


旋耕作业是农业消费的关键工序,作业效率和质量直接影响整地和收获质量。中心部件旋耕刀在工作过程中频繁接受来自石英、植物硅酸体及杂草、作物秸秆等的磨损与冲击,极易失效 [ 1] 。据不完整统计,超80%的农用触土部件因磨粒磨损失效而报废 [ 2] ,仅旋耕刀国内年耗费量超2.5亿把。农机刀具寿命缺乏的问题日益凸显,已严重限制国内农用机械向智能农机的转型升级 [ 3] 。


国内外学者对旋耕刀耐磨强化做了大量研讨。袁晓明等 [ 4] 采用名义渗铬—淬火—中温回火处置旋耕刀,摩擦系数降低,相对磨损率降低40%。屈对等 [ 5] 应用等离子熔覆技术在旋耕刀名义合成Al 2 O 3 -Ti(C,N)涂层,耐磨性较65Mn钢有所进步。S. Karoonboonyanan等 [ 6] 在旋耕刀名义超音速火焰喷涂WC/Co涂层以及等离子喷涂Al 2 O 3 -TiO 2 /NiAl涂层,较普通旋耕刀,WC/Co涂层磨损率有所降低,而Al 2 O 3 -TiO 2 /NiAl涂层磨损率没有降低,且涂层呈现碎裂。上述研讨均不同水平地提升了旋耕刀的耐磨性,但效果有限,且存在耐磨原资料成本高、设备昂贵及工艺复杂等问题。感应钎涂工艺清洁环保、简单灵活、稳定性高,制备的涂层名义平整,分离强度高 [ 7-9 ] ,在名义涂层制备方面具有较大的优势。


本文经过对涂层组织和性能中止研讨,对比感应钎涂与等离子熔覆工艺下的涂层效果;经过优化感应钎涂的关键参数——钎涂时间,取得最佳的旋耕刀耐磨涂层;并引见了感应钎涂金刚石技术的应用前景及适用案例,为耐磨范畴的展开提供一定的理论依据和理论阅历。


1实验资料及措施


1.1 实验资料


实验用基体为65Mn钢,涂层资料由Ni基钎料合金粉末、WC及金刚石硬质颗粒组成。其中Ni基钎料粒度为300目(均值),化学成分如表1所示,粉末形态如图1a所示;WC硬质颗粒质量分数为35%,粒度为200~325目,形貌如图1b所示;金刚石颗粒粒度为100~120目,形貌如图1c所示。


表1 Ni基钎料化学成分(质量分数,%)Table 2 Chemical composition of Ni-based solder ( wt .%)


图1Ni基钎料粉末和WC、金刚石颗粒形貌


Fig.1Morphology of Ni-based solder powder and hard particles


1.2 实验措施


采用感应钎涂及等离子熔覆工艺对Ni基钎料与硬质颗粒混合而成的复合粉末完成涂层制备,其中感应钎涂工艺参数为:35 kW感应焊机,钎涂电流60 A;等离子熔覆工艺参数为:喷距10 mm,送粉速度20 g/min,电流100 A,焊枪移动速度120 mm/min,维护气流量10 L/min,送粉气流量3.5 L/min,离子气流量1.5 L/min。在MML-1G干砂半自由磨料磨损实验机上中止磨损实验,实验依照规范JB/T 7705—1995 《涣散磨粒磨料实验措施 橡胶轮法》中止,实验参数如表2所示;采用蔡司EVO 10扫描电子显微镜察看涂层微观形貌、涂层分离状态及硬质颗粒散布;采用HR-150A洛氏硬度计测试涂层的宏观硬度。


表2 磨粒磨损实验参数Table 2 Abrasive wear test parameters


2结果与剖析


2.1 感应钎涂层与等离子熔覆层性能对比


WC涂层与65Mn钢基体分离界面及元素扩散状况如图2所示。能够看出,两种工艺制备的涂层与基体间均分离紧密,未呈现分层和孔隙,涂层与基体间发作明显的元素扩散,界面分离处有明显的元素过渡梯度,呈现良好的冶金分离。

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图2WC涂层与钢基体分离界面及元素扩散状况


Fig.2Interface and element diffusion of WC coating and steel substrate


WC颗粒与Ni基钎料分离界面如图3所示。能够看出,两种工艺制备的涂层中WC颗粒与Ni基钎料熔合良好,WC颗粒均发作溶解,产生的W和C元素向Ni基钎料中扩散,与钎料中Ni、Cr、Fe等元素构成Ni-W相、碳化物和硼化物等,呈雪花状、树枝状、块状等不同形态的组织,这些新相关于进步涂层分离强度及硬度具有积极作用 [ 10] 。

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图3WC颗粒与Ni基钎料分离界面


Fig.3Interface between WC particles and Ni-based solder


分别对两种涂层中止磨粒磨损实验,对比涂层的耐磨性能,实验结果如表3所示。能够看出,感应钎涂35%WC涂层的磨损失重约为等离子熔覆35%WC涂层的67.8%,感应钎涂35%WC涂层耐磨性明显更优。这是由于等离子熔覆采用高温等离子弧体,钎料充沛熔融,而WC的密度高达15.63 g/cm 3 ,WC下沉,大量富集于涂层底部,如图4所示,并且随同有部分WC烧损及过度溶解,削弱了硬质相对涂层顶部的强化耐磨作用 [ 11] 。而感应钎涂加热,能量集中,加热温度低,硬质颗粒平均散布,充沛发挥抗磨损作用,涂层耐磨性极佳。


表3 等离子熔覆及感应钎涂35%WC涂层耐磨实验结果Table 3 Wear resistance test results of 35%WC coating by plasma cladding and induction brazing coating

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图435%WC涂层截面形貌


Fig.4Section morphology of 35%WC coating


等离子熔覆工艺制备的旋耕刀涂层(见图5)存在较多缺陷,如热输入使刀体易变形或脆化,熔覆层较厚且不平整,增大了耕作阻力,受制于强化资料自身的耐磨性,刀具寿命提升空间有限。且采用等离子熔覆工艺,成本是原刀的1.5倍,寿命大约提升2倍,综合经济效益不理想。

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图5等离子熔覆旋耕刀Fig.5Rotary blades of plasma cladding


目前,等离子熔覆工艺普遍应用于矿山、建筑、化工设备等行业中,如耐磨板、溜槽、风机叶片、冶金轧辊等零部件,该工艺可制备厚度较厚的熔覆层,适用于工况恶劣、磨损严重的部件。但该类工艺熔解母材的同时会稀释母材成分,且加热不平均,高热能量的输入会惹起部件变形,招致部件组织不一。


2.2 旋耕刀感应钎涂金刚石涂层工艺研讨


本技术团队经过对涂层资料的研讨,发现Ni基钎料复合金刚石涂层的耐磨性最佳,是Ni基钎料复合WC涂层的5倍以上。在此基础上,展开旋耕刀感应钎涂金刚石涂层的工艺参数优化。分离旋耕刀实践工况,选用金刚石作为耐磨增强颗粒,可极大地进步旋耕刀刀身的耐磨性,有效处置了易磨损的难题。除了刀身易磨损之外,刀柄与刀身衔接部位也常常由于冲击而弯曲以至折断。特别是关于感应钎涂旋耕刀而言,因刀身集中受热,热传导会招致刀柄与刀身衔接部位硬度降低而发作弯曲,因而旋耕刀在运用感应钎涂工艺制备涂层的过程中,钎涂时间尤为关键。


采用旋耕刀仿形线圈钎焊Ni基钎料复合金刚石耐磨涂层,钎涂时间分别设定为12 s、25 s、48 s,经过硬度测定及田间实验考证来肯定最佳钎涂时间。不同钎涂时间得到的感应钎涂金刚石复合涂层旋耕刀如图6所示。能够看出,钎涂时间为12 s时,金刚石涂层未成形,对旋耕刀耐磨性提升作用不大;钎涂时间为25 s时,金刚石涂层平整、平均且致密;钎涂时间48 s时,涂层厚度及外形因钎料熔融过度、流淌而严重变更,刀刃部位涂层加厚,旋耕作业时阻力增加,招致旋耕刀寿命降低,旋耕机油耗增加。且钎涂时间过长时,金刚石热损伤严重,其耐磨承载相作用降低,如图7所示。依据以上实验,钎焊Ni基钎料复合金刚石耐磨涂层的最佳钎涂时间为25 s。

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图6不同钎涂时间的感应钎涂金刚石复合涂层旋耕刀Fig.6Induction brazed diamond composite coated rotary blades with different brazing times


(a)12 s       (b)25 s       (c)48 s

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图7热损伤金刚石Fig.7Heat-damaged diamond


原始旋耕刀及钎涂后旋耕刀刀柄及刀身衔接处的洛氏硬度测定结果如图8所示。钎涂后旋耕刀较原始旋耕刀,硬度有所降落,且钎涂48 s时硬度降落最大,旋耕刀作业过程中极易弯曲变形。这是由于钎涂后旋耕刀受热循环作用,刀体组织由细晶粒的回火索氏体转变为粗大的珠光体 [ 8] 所致。

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图8钎涂时间对旋耕刀硬度的影响Fig.8Effect of brazing time on hardness of rotary blade


感应钎涂金刚石涂层旋耕刀田间实验结果如图9所示。钎涂25 s的旋耕刀如图9a左侧三把旋耕刀所示,未发作弯曲现象;图9a右侧三把刀柄及图9b为钎涂48 s的金刚石涂层旋耕刀,分别发作了不同水平的折断及弯曲现象。

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图9感应钎涂金刚石涂层旋耕刀田间实验结果Fig.9Field test results of rotary blades with induction brazed diamond composite coating


田间实验考证,原始旋耕刀在连续耕作300亩左右即需改换,而感应钎涂25 s的金刚石涂层旋耕刀,可连续耕作1 200亩以上,且基本不存在断刀现象,运用寿命提升了4倍以上。表明感应钎涂适合时间的金刚石涂层旋耕刀可极大地进步耕作效率、抢占收获时间。


3感应钎涂金刚石涂层应用前景与实施案例


3.1 农业机械


农业机械中,旋耕刀、犁尖等触土部件是旋耕、整地的关键零部件,因与沙砾、杂草、酸碱、水分等硬质物质及腐蚀物质接触,惹起的磨损及腐蚀十分严重,极易招致部件失效。提升农业机械的运用性能及寿命也成为农业快速展开的迫切需求 [ 12-13 ] 。国内外应用等离子熔覆、激光熔覆、热喷涂等工艺在农机刀具名义制备耐磨层的技术日渐成熟,耐磨相多采用WC、TiC等,但经处置后的农机刀具运用寿命提升依旧有限,存在耐磨层分离强度低,耐磨层易剥落,制备成本高等问题 [ 14-17 ] 。感应钎涂金刚石涂层以其极佳的耐磨性,较高的分离强度,工艺简单等优势,可有效处置以上问题。


本团队已将感应钎涂金刚石技术胜利应用于犁尖、粉碎刀、开沟刀、打捆刀等农机刀具,如图10所示,经田间实验结果考证,运用寿命普遍提升3倍以上。并且该技术易于完成自动化、批量化消费,关于助推农业机械智能化升级转型具有严重意义。

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图10农机刀具Fig.10Agricultural machinery tools


(a)犁尖 (b)粉碎刀 (c)开沟刀 (d)打捆刀


3.2 工程机械


工程机械工作环境苛刻,工作对象复杂,如煤矿机械、电力机械、疏浚机械、水泥机械等,这类机械的磨损等失效现象会严重限制工程机械的智能化展开。另外,由此引发的设备毛病及保险事故也时有发作,构成的经济损失难以估量。


煤矿机械中输送机、采煤机等综采配备的磨损失效现象极端严重。目前,国内运用的输送机中部槽普遍采用整体铸造铲板槽帮、挡板槽帮与高强度耐磨合金中板及底板组焊而成(见图11a)。槽帮多采用27Mn2K、24Mn2K和30SiMn钢材轧制而成,中板以低合金调质钢NM360、NM400为主,但两者属于异种钢材的焊接,容易产生焊接变形、裂纹、气孔等焊接缺陷,降低中部槽的运用寿命。本团队现已与国内知名煤矿企业协作,将感应钎涂金刚石技术应用于中部槽中板部件(见图11b),可极大进步其耐磨性,延长运用寿命 [ 18] 。

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图11刮板输送机中部槽及中板部件


Fig.11Middle slot and middle plate parts of scraper conveyor


近年来,国内大型挖泥船、卸船机的展开呈现出迅猛的态势。输送物料的复杂性和多样性(如中粗沙夹砾石等)使过流部件磨损加剧,因而对过流设备及输送管线的耐磨性能提出了更高的请求。关于衬板、叶轮、泵胆等过流部件,通常采用装置整体耐磨合金、堆焊耐磨合金层、镶嵌陶瓷内衬等技术来提升耐磨性。耐磨体常经过铸造、烧结等工艺预制完成,制造工艺复杂,不只增加成本和部件自重,而且耐磨体易整体零落,综合力学性能等方面难以满足请求。堆焊耐磨合金,基体与耐磨堆焊层稀释率较大,部件易变形,耐磨层名义不平整;镶嵌耐磨陶瓷,能够延长运用寿命,但在输送过程中,易遭到物料的冲击而脆裂剥落。


本团队已将感应钎涂金刚石技术应用于水泥料仓衬板、卧螺离心机螺旋体等过流部件,并投入运用,目前应用效果良好,如图12所示。

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图12过流部件Fig.12Overcurrent parts


(a)水泥料仓衬板    (b)卧螺离心机螺旋体


4结论


(1)采用感应钎涂工艺制备耐磨涂层,涂层中硬质颗粒散布平均,涂层耐磨性好。感应钎涂35%WC涂层的耐磨性,约是等离子熔覆35%WC涂层耐磨性的1.5倍。


(2)感应钎涂金刚石涂层耐磨性极佳,约是感应钎涂35%WC涂层的5倍。感应钎涂旋耕刀工艺的关键参数为钎涂时间,钎涂时间过长时,金刚石热损伤严重,旋耕刀硬度急剧降低,涂层平整度变差;钎涂时间缺乏时,涂层无法成形。经田间实验考证,感应钎涂时间为25 s的金刚石涂层旋耕刀运用寿命进步可达4倍以上,大大进步了旋耕作业效率。


(3)感应钎涂金刚石技术具有耐磨性极佳、工艺简单、制备效率高等优势,在农业机械、工程机械等范畴有着普遍的应用。目前,该技术已应用于犁尖、粉碎刀、开沟刀等农机刀具,以及矿用耐磨衬板、污水卧螺离心机等工程配备上,未来还将继续拓展感应钎涂金刚石技术在耐磨范畴的应用。


(4)感应钎涂金刚石技术在名义工程范畴的应用愈加普遍,但钎涂后基体性能经常被弱化,优化钎涂工艺能够恰当减小基体性能被弱化的水平,但空间有限。钎涂后热处置能够有效改善基体性能,但可能会招致金刚石烧损、钎料与金刚石界面破坏等,严重影响涂层性能,后续将在本文研讨的基础上,展开金刚石钎涂后热处置工艺研讨,以期为金刚石钎涂技术的推行应用提供一定的理论支持。


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Application Research of Induction Brazing Technology on Rotary Blades


ZHU Chenying 1 ZHANG Lei 1, 2 SUN Zhipeng 1 WANG Yu 1 QIAN Zhimin 1 QIN Jian 3


Abstract: Aiming at the technical problems of short service life and frequent replacement of the rotary blades, the research on the wear-resistance strengthening process of the rotary blades was carried out. The 35%WC coating was prepared on 65Mn steel by plasma cladding and induction brazing respectively. The results show that compared with the plasma cladding 35%WC coating, the wear resistance of the induction brazing 35%WC coating is improved by 1.5 times, the distribution of hard particles is more uniform, and the burning loss is less. On the basis of the above research, the wear-resistance of the diamond coating developed by induction brazing is more than 5 times higher than that of 35%WC coating, and the brazing time of the induction brazed diamond coating of the rotary blades is further optimized. When the brazing time is 25 s, the coating has good formability, and the deformation of the rotary blade body is small. Field tests have verified that its service life is more than 4 times higher than that of the original rotary blades. The induction brazing diamond technology has been popularized and applied to agricultural machinery tools such as plow tips and crushing knives. Its service life is generally increased by more than 3 times, and is applied to overflow parts of construction machinery such as the middle slot of scraper conveyor and spiral conveyor, it can significantly reduce wear and energy consumption.


Keywords: induction brazing;plasma cladding;wear-resistant strengthen;rotary blades;diamond coating


援用本文:朱晨颖,张雷,孙志鹏,等.感应钎涂工艺在旋耕刀上的应用研讨[J].电焊机,2022,52(10):23-30. (ZHU Chenying, ZHANG Lei, SUN Zhipeng, et al.Application Research of Induction Brazing Technology on Rotary Blades[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(10): 23-30.)


作者简介:朱晨颖(1996—),女,工程师,硕士,主要从事耐磨涂层资料及工艺研讨。


通讯作者:孙志鹏(1988—),男,工程师,硕士,主要从事耐磨涂层资料、智能制造技术与配备等范畴的研讨。


中图分类号:TG454


文献标识码:A


本文编辑:唐凰


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