Aby se zlepšila odolnost proti opotřebení částí zemědělských strojů, které přicházejí do styku s půdou, slitina FeCoCrNiMn s vysokou entropií, slitina Fe90 a Ni60A slitinové prášky byly vybrány pro srovnávací studii. Povlak odolný proti opotřebení připravil technologie laserového opláštění s ocelí 65Mn jako substrátem a její odolnost proti opotřebení byla testována na zkušebním stroji pro tření a opotřebení. Výsledky ukázaly, že vysoce entropický slitinový povlak FeCoCrNiMn měl nejhustší strukturu, relativně jednoduchá zrna a nevytvářely se žádné složité intermetalické sloučeniny; distribuce zrn mikrostruktury povlaků slitin Ni60A a Fe90 byla relativně neuspořádaná. Ztráty opotřebením ocelového substrátu 65Mn, slitiny Ni60A, slitiny Fe90 a povlaku slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií byly 9, 4, 5 a 2 mg a ztráta opotřebení substrátu byla mnohem větší než u povlaku. Tvrdost povlaků slitiny Fe90 a Ni60A podle Vickerse je 683.87 a 663.62 HV a tvrdost povlaku slitiny Fe-CoCrNiMn s vysokou entropií je 635.81 HV, což je o něco nižší než u jiných povlaků, ale jeho odolnost proti opotřebení je dobrá.

S rychlým rozvojem zemědělských strojů a zařízení jsou části zemědělských strojů v kontaktu s půdou dlouhodobě ovlivňovány rázovým a třecím opotřebením brusiva, jako je zemina a písek, což klade vyšší požadavky na odolnost tradiční půdy proti opotřebení. -kontaktní díly. Mezi různými opatřeními proti opotřebení jsou dvě běžně používané metody ošetření laserové plátování a povrchová úprava poškozeného povrchu částí přicházejících do styku s půdou. Oba používají různá plniva k roztavení nebo zahřátí nátěrového materiálu do poloroztaveného stavu a jeho pokrytí na povrchu substrátu, čímž se zlepší odolnost substrátu proti opotřebení. Dva nejběžnější povlakové materiály pro části, které přicházejí do styku s nečistotami, jsou slitiny na bázi železa a slitiny na bázi niklu. Oba povlakové materiály jsou založeny na slitinovém prvku a zlepšují vlastnosti povlaku přidáním dalších vhodných prvků. V současné době se výzkum a aplikace zlepšování odolnosti proti opotřebení tradičních kovových materiálů blíží saturaci a prostor pro výzkum je stále menší a menší.

Slitiny s vysokou entropií se skládají z různých legujících prvků s podobnými atomovými poměry, s jednotnějšími a jednoduššími fázemi tuhého roztoku, vykazující vysokou pevnost, vysokou odolnost proti opotřebení a dobrou odolnost proti korozi. Použitím práškové slitiny s vysokou entropií k přípravě povlaků odolných proti opotřebení na částech zemědělských strojů přicházejících do styku s půdou mají díly vysokou odolnost proti opotřebení a mohou dále prodloužit jejich životnost.

K přípravě povlaků se používá technologie laserového plátování, která má výhody v koncentraci tepla a malé tepelně ovlivněné zóně. Organizační struktura vytvářená v oblasti odlévání se také liší od jiných způsobů plátování, jako je elektrojiskrové nanášení, magnetronové naprašování a plazmové plátování. K přípravě povlaků se přitom využívá technologie laserového plátování a v organizaci povlaků se tvoří amorfní organizační struktury. V současnosti existuje jen málo studií o aplikaci vysoce entropických slitinových povlakových materiálů při přípravě povlaků odolných proti opotřebení pro části zemědělských strojů, které přicházejí do styku s půdou. V tomto článku byly na povrchu oceli 90Mn pomocí technologie laserového plátování připraveny povlaky slitiny Fe60, slitiny Ni65A a slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií, odolné proti opotřebení. Vlastnosti tření a opotřebení vysoce entropických slitinových povlaků byly porovnány a studovány a jejich tribologické zákony byly prozkoumány, aby poskytly referenci pro aplikační expanzi slitin s vysokou entropií.

1 Experimentální materiály a metody

1. 1 Příprava nátěru
Vzorek používal jako základní materiál 65Mn pružinovou ocel s vysokým obsahem uhlíku a byl nařezán na vzorky o velikosti 200 mm × 400 mm × 4 mm pomocí metalografického řezacího stroje. Vzorek byl před nanesením povlaku broušen a leštěn, aby se zabránilo tomu, že vrstva oxidu, olej a další nečistoty na povrchu vzorku ovlivní pevnost spojení mezi povlakem a vzorkem. K broušení byly postupně použity brusné papíry o zrnitosti 80, 120, 220, 800, 1 000, 1 500 a 2 000. Vyleštěný vzorek byl čištěn ultrazvukem v ethanolu po dobu 5 minut, umístěn do sušárny při 105 °C po dobu 10 minut a po vysušení byl utěsněn a skladován. Jako materiály plášťové vrstvy byla zvolena slitina Fe90, slitina Ni60A a prášková slitina s vysokou entropií FeCoCrNiMn (velikost částic 45 až 105 μm). Chemické složení testovaných materiálů a prášků je uvedeno v tabulce 1. Maximální výstupní výkon laserového plátovacího zařízení CW-CBW-8000G-91-20L je 25,000 1 W. Test využívá metodu podávání širokopásmového prášku na boční ose, argon ochranný plyn a tloušťka povlaku obkladu je 2 mm. Parametry procesu opláštění jsou uvedeny v tabulce XNUMX.

1.2 Charakterizace testu
Ocel 65Mn je vzorek S1, povlak slitiny Ni60A je vzorek S2, povlak slitiny Fe90 je vzorek S3 a povlak slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií je vzorek S4. Metalografický leptací roztok vzorku S1 je 4% roztok kyseliny dusičné (koncentrovaná kyselina dusičná a bezvodý ethanol, objemový poměr je 4:100); roztok pro metalografické leptání vzorku S2 je roztok pentahydrátu síranu měďnatého (kyselina chlorovodíková, voda a síran měďnatý, objemový poměr je 10:10:1); roztok metalografického leptání vzorků S3 a S4 je 5% aqua regia (koncentrovaná kyselina chlorovodíková a koncentrovaná kyselina dusičná, objemový poměr je 3:1).

Metalografická mikrostruktura vzorku byla pozorována metalografickým mikroskopem Leica DM4000M; povrchová a průřezová tvrdost vzorku byla měřena digitálním displejem Jinan Times TMVS-1 tvrdoměrem Vickers; tření a opotřebení materiálu byly detekovány mikropočítačem MMU-10 řízeným koncovým testerem tření a opotřebení; pro test byl použit třecí pár čep-disk a mlecí koule byla brusná koule Zr2 o průměru 6 mm. Parametry testu byly zatížení 50 N, rychlost 80 ot/min a doba tření 120 minut; morfologie jizvy po opotřebení vzorku po testu tření a opotřebení byla pozorována optickým mikroskopem.

2 Výsledky a analýza testu

2.1 Metalografická struktura povlaku
Obrázek 1 ukazuje diagram povrchové metalografické struktury vzorků SI, S1, S2 a S3. Jak je znázorněno na obrázku 4a, struktura vzorku S1 se skládá hlavně z feritu a perlitu rozmístěných ve tvaru mřížky. Z obrázku 1b je jasně vidět, že mikrostruktura povlaku vzorku S1 jsou dendrity a retikulární eutektika, organizační fáze je relativně jemná a dendrity jsou relativně chaotické a dlouhé proužky a blokové organizace jsou generovány nepravidelně. Jak je znázorněno na obrázku 2c, mikrostruktura příčného řezu povlaku vzorku S1 jsou hrubé a jednotné dendrity, prokládané dendritické organizace a velké množství světle zbarvených lesklých granulárních precipitací. Jak je znázorněno na obrázku 3d, organizace příčného řezu povlaku vzorku S1 je nejhustší, skládá se hlavně z rovnoosých krystalů rovnoměrně rozmístěných a nepravidelné otvory jsou precipitované. Při srovnání těchto čtyř organizací je povrchová velikost zrna povlaku S4 nejmenší, zrna jsou hustá a stejnoměrná, zrna jsou relativně jednoduchá a nedochází k tvorbě složité intermetalické sloučeniny.

2. 2 Mikrotvrdost povlaku
Obrázek 2 je srovnání mikrotvrdosti povrchu vzorků. Tvrdost podle Vickerse vzorků SI, S1, S2 a S3 je přibližně 4 HV, 234.02 HV, 683.87 HV a 663.62 HV. Obrázek 635.51 je srovnání mikrotvrdosti průřezu vzorků. Z obrázku 3 je vidět, že průměrná Vickersova tvrdost povlaků vzorků S3 a S2 je 3 až 3krát vyšší než u vzorku S4, což ukazuje, že tvrdost povlaků S1 a S2 je vyšší a krystalizace povlakové metalurgie efekt je lepší. Průměrná tvrdost povrchu povlaku podle Vickerse u vzorku S3 je mírně nižší než u vzorků S4 a S2. Je to proto, že když prášek slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií rychle tuhne, deformace mřížky je malá a krystalová struktura FCC se vysráží a rozptýlí v amorfní vrstvě povlaku, což může do určité míry odrážet, že slitina FeCoCrNiMn s vysokou entropií povlak má dobrou houževnatost a nízkou tvrdost.

2.3 Vlastnosti tření a opotřebení
2.3.1 Průměrný koeficient tření
Obrázek 4 je křivka průměrného koeficientu tření vzorků S1, S2, S3 a S4. Je vidět, že při pokojové teplotě je průměrný koeficient tření povrchu vzorku SI asi 1 a průměrný koeficient tření nejvíce kolísá v prvních 0.53 minutách a stoupá na asi 20; jak čas plyne, průměrný koeficient tření má tendenci být stabilní. Je tomu tak proto, že v počáteční fázi tření mezi vzorkem S0.6 a brusnou kuličkou ZrO1 je mezi značkou opotřebení a brusnou kuličkou velké množství úlomků opotřebení, které vytváří velké smykové napětí, což má za následek prudké kolísání koeficientu tření. Průměrné koeficienty tření vzorků S2, S2 a S3 jsou asi 4, 0.38 a 0.32. Složitá distribuce částic tvrdé fáze ve vzorku S0.25 způsobuje, že křivka průměrného koeficientu tření prudčeji kolísá. Tvrdost vzorků S2 a S3 je mnohem menší než tvrdost mlecí kuličky ZrO4. Materiál povlakové slitiny s nižší tvrdostí má také nižší pevnost ve smyku, což vede ke snížení průměrného koeficientu tření během tření. Křivky průměrného koeficientu tření vzorků S2 a S3 mají v zásadě stejný trend a udržují si relativně stabilní dynamickou rovnováhu. Mezi nimi je průměrný koeficient tření vzorku S4 nejnižší, třecí síla pod stejnou silou je nejmenší a stupeň opotřebení je nejnižší. Je to proto, že když se vzorek S4 rychle ochladí, je v něm méně částic fáze nečistot, povrch povlaku je hladší a má méně defektů a kontakt s mlecí kuličkou ZrO4 je hladší, bez zjevných a drastických výkyvů.

2. 3. 2 Noste hubnutí
Údaje o úbytku hmotnosti opotřebením vzorků jsou uvedeny na obrázku 5. Maximální ztráta opotřebením vzorku S1 je 9 mg a ztráty opotřebením vzorků S2 a S3 jsou 4 mg a 5 mg. Mezi nimi je ztráta opotřebením vzorku S4 nejnižší, což je 2 mg. Je to proto, že povlak slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií má jedinou FCC fázi, vysokou plasticitu a dobrou houževnatost. Při třecím vedlejším účinku zatížení 50 N může materiál slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií absorbovat velké množství energie, není snadné vytvářet únavové odlupování a má dobrou odolnost proti opotřebení.

2.3.3 Analýza morfologie opotřebení
Obrázek 6 ukazuje morfologii jizev po opotřebení čtyř vzorků pozorovaných za stejných testovacích podmínek po 120 minutách nošení. Jak je vidět z obrázku 6a, S1 má silnou plastickou deformaci kvůli své nízké celkové tvrdosti, konkávní povrch jizvy po opotřebení je drsný, je zde velká plocha spojovací vrstvy a dochází k delaminaci. Jak je vidět z obrázku 6b, povrch povlaku vzorku S2 je nepravidelně rozmístěn s eliptickými tečkovitě tvarovanými bílými sloučeninami, což zvyšuje tvrdost povlaku, doprovázené zjevnými jizvami po opotřebení a jednosměrnými rýhami. Tvrdost povrchu povlaku vzorku S3 je nejvyšší, jak je znázorněno na obrázku 6c, šířka jizvy po opotřebení je úzká a drážky na povrchu povlaku jsou mělké. Naproti tomu na obrázku 6d jsou drážky povlaku vzorku S4 velmi hladké, což je způsobeno rovnoměrnou strukturou plátovací vrstvy, jemnými zrny a dobrou odolností proti opotřebení; v drážkách jsou zjevné nepravidelné póry, které mohou být způsobeny tím, že se prášek vysoce entropické slitiny mísí s plynem v roztaveném stavu při vysoké teplotě laserového paprsku a plyn tryská ven, když je vzorek ochlazen a vytváří póry .

Za stejných testovacích podmínek platí, že čím větší je šířka testovací jizvy, tím větší je ztráta hmotnosti opotřebením. Porovnáním úbytku hmotnosti různých vzorků na obrázku 5 je vidět, že vztah mezi velikostí jizvy po opotřebení vzorku je S1> S3> S2> S4. To je v souladu s výsledky testu úbytku hmotnosti opotřebením zobrazeným na obrázku 5.

Závěr

1) Vysoká entropie FeCoCrNiMn slitinový povlak má nejhustší strukturu a nejmenší velikost zrna, zatímco distribuce zrn mikrostruktury povlaků slitin Ni60A a Fe90 je chaotičtější. Povlak slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií má relativně jednoduchou strukturu zrna a netvoří se žádné složité intermetalické sloučeniny.

2) Tvrdost podle Vickerse slitiny Ni60A, slitiny Fe90 a slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií je přibližně 683.87, 663.62 a 635.51 HV, což je výrazně vyšší hodnota než tvrdost substrátu podle Vickerse (234.02 HV). Hodnota tvrdosti povlaku slitiny Fe-CoCrNiMn s vysokou entropií je o něco nižší než u povlaků slitiny Ni60A a slitiny Fe90, což neovlivňuje jeho odolnost proti opotřebení.

3) Ztráty opotřebením ocelového substrátu 65Mn, slitiny Ni60A, slitiny Fe90 a povlaku slitiny Fe-CoCrNiMn s vysokou entropií jsou 9, 4, 5 a 2 mg. Jizva po opotřebení slitiny FeCoCrNiMn s vysokou entropií je nejhladší, s malou hloubkou jizvy po opotřebení, malými ztrátami materiálu a nejvyšší odolností proti opotřebení.