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1、 钎涂增材在农机触土部件上的应用及发展趋势 李宇佳 龙伟民 孙志鹏Summary：农机触土部件磨损失效快一直是亟待解决的行业难题，钎涂增材是增材制造的新方向、新突破，采用异质钎涂技术对触土部件进行增材优化，使其耐磨性大幅提高，对于农业机械提高工作能效、助力绿色化转型具有重要意义。简述堆焊、热喷涂、喷焊及熔覆等异质增材技术制备农机触土部件的应用现状及局限性， 重点论述钎涂技术在增材耐磨触土部件上的应用优势，并探讨钎涂技术制备农机触土部件存在的问题及发展方向。Key：钎涂;增材制造;触土部件;磨损失效;耐磨涂层0 前言圆盘耙、犁铧、旋耕刀、深松铲尖等农机触土部件在工作过程中直接与土壤和石英、长石、
2、植物硅酸体、作物秸秆、杂草等物体接触，摩擦磨损是其失效的主要原因。据统计，80%以上的农机触土部件因磨损失效而报废，在农业、矿山等行业中，中国每年因磨损而消耗的金属材料达300万吨以上，直接经济价值达1 000多亿元人民币1-4。采用钎涂技术对触土部件进行增材强化，大幅提高其耐磨性能，对于农业机械提高工作能效、助力绿色转型具有重要意义。异质钎涂增材技术是增材制造的新突破、新方向、新应用、新产业，具有广阔的应用空间，尤其在零件修复与表面强化方面具有明显优势。目前，增材制造的应用以同质材料为主5-7，但异质材料组合更有利于发挥各组分材料性能优点，且能通过各组分性能的互补和关联获得单一材料所难以达到
3、的综合性能。我国增材制造正处在高速发展期，但与发达国家相比，我国增材制造技术、材料及装备还处于劣势，创新增材制造新方法、拓展增材制造新应用，是另辟途径、后发先至、抢占先机的有效途徑。1 农机触土部件延寿的研究概况我国属于典型的农业大国，农机触土部件磨损失效快一直是亟待解决的行业难题。目前，国内外提高农机触土部件耐磨性的方法主要有四种8-9：（1）合理设计触土部件结构;（2）应用高耐磨性、高硬度的新材料;（3）热处理提升表面耐磨性;（4）异质增材表面强硬化技术。通过结构设计及热处理以降低磨耗、提高寿命是有限度的;新型整体耐磨高硬材料的开发往往受金属价格所限;而基于钎涂增材技术制备表面耐磨涂层，增
4、材材料可以结合2种或多种材料形成具有特殊性能组合的功能体，增材涂层厚度柔性可控，从几微米到几毫米甚至更厚，还可显著降低磨耗比、有效提高硬度及疲劳强度，以优质的性价比备受行业青睐10-11。异质钎涂发展时间相对较短，其增材制造机理、工艺、专用设备、应用效果亟待系统研究。简述了几种异质增材技术制备农机触土部件的应用现状及局限性， 重点论述钎涂技术在增材耐磨触土部件上的应用优势、现存问题及发展方向。2 异质增材在农机触土部件上的应用目前，我国农机触土部件的常用材料如表1所示。农机触土部件常用的异质增材方法主要有堆焊、热喷涂、喷焊、熔覆、钎涂技术等9，12-13。2.1 堆焊技术堆焊是农机部件耐磨处理
5、的常用技术。堆焊方法有很多，包括电弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、氧-乙炔焰堆焊、气保护堆焊等，堆焊层的厚度为0.815 mm。翟鹏飞等15在触土部件常用的60Si2Mn钢基体上制备了高铬、高硼合金铸铁堆焊层，堆焊层底部区域硬度最低，中间区域最高，表层区域次之，耐磨性也呈先减小后增大的趋势。东北林业大学的杨海16在65Mn钢犁铲铲尖堆焊高铬铸铁，与普通犁铲相比耐磨性提高1.93倍。佳木斯大学的焦仁宝17在65Mn钢深松犁铲铲尖采用气保焊-喷射送粉复合堆焊技术制备高铬钼合金耐磨涂层，堆焊层硬度达到65 HRC，与普通犁铲相比，田间试验耕地寿命提高23倍。黑龙江八一农垦大学的张新洋18对深松铲尖进
6、行等离子堆焊涂层制备，堆焊层的稀释率与熔敷率分别为11.5%和89.1%，田间试验表明，经过最佳工艺处理后的深松铲尖的耐磨性是处理前的2.67倍。堆焊技术具有结合力强、熔覆效率高、耐磨材料选择广和操作方便等特点;但稀释率大，工件易变形，且无法堆焊薄壁、具有空间曲面形状的工件12，所以对农机部件的厚度和表面形状具有挑剔性，导致此方法难以大面积推广应用。2.2 热喷涂技术热喷涂技术可以有效改善基体材料表面耐磨性、耐蚀性等性能19-20，是异质增材制备耐磨涂层的重要手段之一，对延长触土部件的使用寿命具有一定的探索价值。热喷涂工艺方法包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂等21。
7、王照锋22应用高速电弧喷涂技术制备FeCrNi/Ni包覆金刚石复合涂层，涂层组织致密，孔隙率较低，呈现典型的层状结构，因金刚石硬质相的存在而具有较高的显微硬度和优异的耐摩擦磨损性能。Satit Karoonboonyanan等23在旋耕刀基体上进行超音速火焰喷涂（HVOF）制备WC/Co涂层，田间试验表明，WC/Co涂层旋耕刀的磨损率（0.02 cm3/ha）明显低于原始刀片（0.86 cm3/ha），表明涂层刀具耐磨性得到很大改善。湖南大学的王群24发现WC颗粒呈双峰分布的WC/Co（Cr）涂层表现出更优异的抗磨粒磨损性能，与较厚的镀硬铬涂层相比，其抗磨粒磨损性能提高911倍。湖南农业大学的
8、赵建杰25采用超音速火焰喷涂在旋耕刀表面制备厚约300 m的WC-Ni硬质涂层，涂层硬度为1 020 HV0.3，对比于触土部件常用65Mn钢，WC-Ni硬质涂层磨损失重仅为65Mn钢磨损失重的1/14，优良的耐磨损性能可大幅延长触土部件的使用寿命。热喷涂技术制备自熔合金涂层、Co基WC涂层以及氧化物陶瓷涂层都已获得广泛应用。然而，一方面，喷涂射流、粉尘、噪声、弧光等对人体和设备都有较大伤害;另一方面，喷涂层与基材以机械咬合为主，结合强度不高，在高应力磨损条件下，极易引起粒子整体脱落造成材料损失与涂层失效26-27，导致热喷涂技术在农机触土部件中的应用受到一定限制。2.3 喷焊技术喷焊技术是将
9、经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至1 0001 300 ，使颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合。喷焊层与基体之间的结合是溶解扩散冶金结合，区别于堆焊层的熔化冶金结合、喷涂层的机械结合，但由于重熔过程中基体局部受热后温度达900 会产生较大热变形，因此喷焊的使用范围有一定局限性。赵建国等28采用火焰喷焊技术在深松铲铲尖上制备了铁基合金涂层，并利用喷焊后的余温对其进行了淬火处理，结果表明喷焊余温淬火使涂层组织得到细化，提高了涂层耐磨性。张旭等29采用氧乙炔火焰喷焊技术在灭茬刀上制备了Fe6涂层，结果显示喷焊Fe6涂层的灭茬刀硬度和耐磨性显
10、著提高，使用寿命得到有效延长。吴雁楠等30利用等离子弧喷焊技术，以纯Ti粉与Ni60粉的混合粉末作为喷焊材料，在Q345钢表面制备原位碳化钛颗粒增强镍基喷焊层，结果表明，原位TiC颗粒与Ni基体界面强度高，可形成近似完全共格界面，喷焊层与Q345钢相比具有更小的摩擦系数，磨损失重降低了86.4%。郝建军等31利用氧乙炔火焰喷焊技术在鞭式灭茬刀具上制备了Ni-WC喷焊层，结果表明WC能够对镍基合金产生弥散强化、晶界强化和固溶强化的作用，提高喷焊层耐磨性。2.4 熔覆技术熔覆技术通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能束能量使其与基体材料表面薄层一起熔凝，使熔覆材料与基体形成冶金结合，制备出稀释率极低
11、的表面熔覆层32-33。根据热源的不同，熔覆技术可以分为激光熔覆、等离子熔覆、氩弧熔覆、感应熔覆、真空熔覆及复合熔覆等34-35。其中感应熔覆制备的熔覆层表面平整，但热量传递不充分、工艺控制困难36;真空熔覆可以调节冷却速率，基体变形小，但对环境要求严格37;复合熔覆应用前景广阔，但工艺复杂35。以上原因导致感应熔覆、真空熔覆及复合熔覆应用范围受限，而激光熔覆、等离子熔覆以及氩弧熔覆技术的应用较为广泛，成为触土部件异质增材技术的研究热点。2.4.1 激光熔覆激光熔覆技术是以高能量密度的激光束为热源，对基体表面的熔覆材料进行激光辐照，形成稀释度极低的表面涂层，以完成改性或修复，具有高效率、可控性
12、高、加热与冷却速率快、熔覆后涂层晶粒细小、热影响区窄等优点38-39。但由于激光制造成本较高，目前在农机触土部件制造中的应用尚不普遍，仍需重点突破制约其发展的关键因素，解决工程应用中涉及的关键技术。许令峰等40为提高农用割刀耐磨性并使割刀形成自磨刃，采用同轴送粉方式在65Mn刀具刃口表面制备Ni基WC复合涂层，熔覆层组织均匀致密、硬度大幅提高;熔覆层摩擦系数与磨损量相比于65Mn基体分别降低约65%和80%，满足农用割刀形成自磨刃的性能要求。陈希章等41在Q235基体上利用激光熔覆技术，原位合成了WC铁基熔覆层，其硬度提升约45倍，耐磨性能显著增强。2.4.2 等离子熔覆等离子熔覆技术以等离子
13、弧为热源，制备的熔覆层组织均匀致密，与基体为牢固的冶金结合，与激光熔覆技术相比，该技术尺寸精度略低，但设备成本仅为激光熔覆的1/5，且对工作环境无特殊要求，具有较高的稳定性和热效率42-43。但等离子弧近万度的高温，会对刀体造成较大影响，且对于形状复杂的刀具难以实现自动化制造。河北农业大学的韩照坤43在深松铲铲尖利用等离子熔覆技术制备了Ni60+50%WC复合涂层，其显微硬度约为基体的4倍，摩擦系数约为基体的50%，在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速率约为基体的25%，对比堆焊深松铲使用寿命提高了3倍。屈平等44-45利用等离子熔覆技术在犁铧表面制备了Ti（C，N）-WC/Ni60A基、Al2O
14、3-Ti（C，N）基复合涂层，Ti（C，N）-WC/Ni60A熔覆层表层中多角片状WC较多，次表层由呈芯-环结构的硬质相埋置于粘结相之中，耐磨性比65Mn钢及Q235基体分别提高6倍及16倍;Al2O3-Ti（C，N）熔覆层由硬质相Al2O3、Ti（C，N）与粘结相Fe-Ni之间相互包裹、互相嵌套形成空间网状骨架结构，其耐磨性比65Mn钢及Q235钢分别提高7倍及17倍。2.4.3 氬弧熔覆氩弧熔覆技术以氩弧焊的电弧作为热源，以氩气作为保护气，热量集中，能量密度较高，涂层制备过程中无氧化烧损现象46。但存在焊接效率低、氩弧弧光对眼睛有害等缺点，所以应用受限。王海淞等47利用氩弧熔覆技术在淬火后
15、的65Mn深松铲铲尖上制备了TiC颗粒增强镍基复合涂层，TiC颗粒呈弥散分布，熔覆后的深松铲具有较好的耐磨性。董世知等48利用氩弧熔覆技术制备了FeAlCoCrCuTi0.4，WC/Al2O3-FeAlCoCrCuTi0.4高熵合金涂层，WC和Al2O3的添加对涂层稀释率的降低有明显作用，并可显著提高涂层耐冲蚀磨损性能。郝建军等49研究了氩弧熔覆Ni60A耐磨层在农机刀具上的应用，磨损试验表明熔覆层耐磨性比常规淬火回火处理的65Mn钢提高24倍。2.5 钎涂技术钎涂技术本质上是海量级微粒间的复杂钎焊，其原理是采用钎焊的方式将高硬度、耐磨损、耐侵蚀或抗氧化的硬质颗粒连结到基体表面，形成钎料与硬质
16、颗粒复合制备增材涂层的方法。具有如下优点：涂层与母材冶金结合，结合强度远比机械结合高;钎涂层厚度从5 m至无限大可调;钎涂层表面平整、加工精度高;热影响区小，对母材的损伤小等50-52。常见的钎涂方法主要有真空钎涂、感应钎涂、激光钎涂、氩弧钎涂、火焰钎涂，其中以真空钎涂研究最多、应用最广53-55。陆善平等56采用真空钎焊技术，在45钢基体表面制备了WC-Co/NiCrBSi复合钎焊涂层，涂层表面成型性佳，焊后加工余量小，抗磨粒磨损性好，其磨损性能高于同配比的火焰堆焊涂层及CoCrW堆焊涂层，相对耐磨性是堆焊层的1.52.1倍。徐德生等57采用高频钎焊技术在45钢基体表面制备了WC/Cu非光滑耐磨复合涂层，WC质量分
