Um die Verschleißfestigkeit von bodenberührenden Teilen von landwirtschaftlichen Maschinen zu verbessern, FeCoCrNiMn Hochentropielegierung, Fe90 Legierung und Ni60A Legierungspulver wurden für eine vergleichende Studie ausgewählt. Die verschleißfeste Beschichtung wurde hergestellt durch Laserauftragstechnologie mit 65Mn-Stahl als Substrat, und sein Verschleißverhalten wurde mit einer Reibungs- und Verschleißprüfmaschine getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Beschichtung aus FeCoCrNiMn-Legierung mit hoher Entropie die dichteste Struktur und relativ einfache Körner aufwies und keine komplexen intermetallischen Verbindungen bildeten; die Mikrostruktur-Kornverteilung der Beschichtungen aus Ni60A- und Fe90-Legierung war relativ ungeordnet. Die Verschleißverluste des 65Mn-Stahlsubstrats, der Ni60A-Legierung, der Fe90-Legierung und der Beschichtung aus FeCoCrNiMn-Legierung mit hoher Entropie betrugen 9, 4, 5 bzw. 2 mg, und der Verschleißverlust des Substrats war viel größer als der der Beschichtung. Die Vickershärte der Beschichtungen aus Fe90- und Ni60A-Legierung beträgt 683.87 und 663.62 HV, und die Härte der Beschichtung aus Fe-CoCrNiMn-Legierung mit hoher Entropie beträgt 635.81 HV, was etwas niedriger ist als bei anderen Beschichtungen, aber ihre Verschleißfestigkeit ist gut.

Mit der rasanten Entwicklung landwirtschaftlicher Maschinen und Geräte sind die mit dem Boden in Berührung kommenden Teile landwirtschaftlicher Maschinen über lange Zeit dem Schlagverschleiß und Reibungsverschleiß von Schleifmitteln wie Erde und Sand ausgesetzt, was höhere Anforderungen an die Verschleißfestigkeit herkömmlicher mit dem Boden in Berührung kommender Teile stellt. Unter den verschiedenen Verschleißschutzmaßnahmen sind Laserbeschichtung und Oberflächenbehandlung der beschädigten Oberfläche der mit dem Boden in Berührung kommenden Teile zwei häufig verwendete Behandlungsmethoden. Bei beiden werden unterschiedliche Füllstoffe verwendet, um das Beschichtungsmaterial zu schmelzen oder zu erhitzen, bis es halbgeschmolzen ist, und es auf der Oberfläche des Substrats abzudecken, wodurch die Verschleißfestigkeit des Substrats verbessert wird. Die beiden gebräuchlichsten Beschichtungsmaterialien für mit dem Boden in Berührung kommende Teile sind eisenbasierte Legierungen und nickelbasierte Legierungen. Beide Beschichtungsmaterialien basieren auf einem Legierungselement und verbessern die Beschichtungsleistung durch Zugabe anderer geeigneter Elemente. Derzeit ist die Forschung und Anwendung zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit herkömmlicher Metallmaterialien nahezu gesättigt, und der Raum für Forschung wird immer kleiner.

Hochentropielegierungen bestehen aus einer Vielzahl von Legierungselementen mit ähnlichen Atomverhältnissen, mit gleichmäßigeren und einfacheren festen Lösungsphasen, die eine hohe Festigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Durch die Verwendung von hochentropischem Legierungspulver zur Herstellung verschleißfester Beschichtungen für mit dem Boden in Berührung kommende Teile landwirtschaftlicher Maschinen weisen die Teile eine hohe Verschleißfestigkeit auf und können ihre Lebensdauer weiter verlängern.

Zur Herstellung von Beschichtungen wird die Laserauftragschweißtechnologie verwendet, die die Vorteile der Wärmekonzentration und der kleinen Wärmeeinflusszone bietet. Die im Gussbereich erzeugte Organisationsstruktur unterscheidet sich außerdem von anderen Plattierungsmethoden wie Elektrofunkenabscheidung, Magnetronsputtern und Plasmaplattieren. Gleichzeitig wird die Laserauftragschweißtechnologie zur Herstellung von Beschichtungen verwendet und in der Beschichtungsorganisation bilden sich amorphe Organisationsstrukturen. Derzeit gibt es nur wenige Studien zur Anwendung von Beschichtungsmaterialien aus Hochentropielegierungen bei der Herstellung von verschleißfesten Beschichtungen für mit Boden in Berührung kommende Teile von landwirtschaftlichen Maschinen. In diesem Artikel wurden verschleißfeste Beschichtungen aus Hochentropielegierungen wie Fe90-Legierung, Ni60A-Legierung und FeCoCrNiMn-Legierung mithilfe der Laserauftragschweißtechnologie auf der Oberfläche von 65Mn-Stahl hergestellt. Die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Beschichtungen aus Hochentropielegierungen wurden verglichen und untersucht und ihre tribologischen Gesetze wurden erforscht, um einen Bezugspunkt für die Anwendungserweiterung von Hochentropielegierungen zu schaffen.

1 Experimentelle Materialien und Methoden

1. 1 Beschichtungsvorbereitung
Die Probe verwendete kohlenstoffreichen Federstahl 65Mn als Grundmaterial und wurde mithilfe einer metallografischen Schneidemaschine in Proben mit einer Größe von 200 mm x 400 mm x 4 mm geschnitten. Die Probe wurde vor dem Plattieren geschliffen und poliert, um zu verhindern, dass die Oxidschicht, Öl und andere Verunreinigungen auf der Oberfläche der Probe die Bindungsstärke zwischen der Beschichtung und der Probe beeinträchtigen. Zum Schleifen wurde nacheinander Schleifpapier mit einer Körnung von 80, 120, 220, 800, 1, 000 und 1 verwendet. Die polierte Probe wurde 500 Minuten lang in Ethanol ultraschallgereinigt, 2 Minuten lang in einen Trockenofen bei 000 °C gelegt und nach dem Trocknen versiegelt und gelagert. Als Materialien für die Plattierungsschicht wurden eine Fe5-Legierung, eine Ni105A-Legierung und ein hochentropisches FeCoCrNiMn-Legierungspulver (Partikelgröße 10 bis 90 μm) ausgewählt. Die chemische Zusammensetzung der Testmaterialien und Pulver ist in Tabelle 60 aufgeführt. Die maximale Ausgangsleistung der Laserbeschichtungsanlage CW-CBW-45G-105-1L beträgt 8000 W. Der Test erfolgt mit der seitlichen Breitband-Pulverzufuhrmethode, Argon-Schutzgas und die Beschichtungsdicke beträgt 91 mm. Die Parameter des Beschichtungsprozesses sind in Tabelle 20 aufgeführt.

1.2 Testcharakterisierung
65Mn-Stahl ist Probe S1, Ni60A-Legierungsbeschichtung ist Probe S2, Fe90-Legierungsbeschichtung ist Probe S3 und FeCoCrNiMn-Legierungsbeschichtung mit hoher Entropie ist Probe S4. Die metallografische Ätzlösung der Probe S1 ist eine 4%ige Salpetersäurelösung (konzentrierte Salpetersäure und wasserfreies Ethanol, Volumenverhältnis 4:100); die metallografische Ätzlösung der Probe S2 ist eine Kupfersulfatpentahydratlösung (Salzsäure, Wasser und Kupfersulfat, Volumenverhältnis 10:10:1); die metallografische Ätzlösung der Proben S3 und S4 ist 5%iges Königswasser (konzentrierte Salzsäure und konzentrierte Salpetersäure, Volumenverhältnis 3:1).

Die metallografische Mikrostruktur der Probe wurde mit einem metallografischen Mikroskop Leica DM4000M beobachtet; die Oberflächen- und Querschnittshärte der Probe wurde mit einem Vickers-Härteprüfgerät mit digitaler Anzeige Jinan Times TMVS-1 gemessen; die Reibungs- und Verschleißeigenschaften des Materials wurden mit einem mikrocomputergesteuerten Stirnflächenreibungs- und Verschleißprüfgerät MMU-10 ermittelt; für den Test wurde das Reibpaar Stift-Scheibe verwendet und die Schleifkugel war eine ZrO2-Schleifkugel mit einem Durchmesser von 6 mm. Die Testparameter waren eine Belastung von 50 N, eine Geschwindigkeit von 80 U/min und eine Reibungszeit von 120 min; die Verschleißnarbenmorphologie der Probe nach dem Reibungs- und Verschleißtest wurde mit einem optischen Mikroskop beobachtet.

2 Testergebnisse und Analyse

2.1 Metallografische Struktur der Beschichtung
Abbildung 1 zeigt das metallografische Oberflächenstrukturdiagramm der Proben S1, S2, S3 und S4. Wie in Abbildung 1a gezeigt, besteht die Struktur der Probe S1 hauptsächlich aus gitterförmig verteiltem Ferrit und Perlit. In Abbildung 1b ist deutlich zu erkennen, dass die Mikrostruktur der Beschichtung der Probe S2 aus Dendriten und netzartigen Eutektika besteht, die Organisationsphase relativ fein ist und die Dendriten relativ unordentlich sind und die langen Streifen und blockartigen Organisationen unregelmäßig erzeugt werden. Wie in Abbildung 1c gezeigt, besteht die Mikrostruktur des Querschnitts der Beschichtung der Probe S3 aus groben und gleichmäßigen Dendriten, verflochtenen Dendritenorganisationen und einer großen Anzahl hell gefärbter, glänzender körniger Niederschläge. Wie in Abbildung 1d gezeigt, ist die Querschnittsorganisation der Beschichtung der Probe S4 am dichtesten und besteht hauptsächlich aus gleichmäßig verteilten gleichachsigen Kristallen, und es sind unregelmäßige Löcher abgeschieden. Beim Vergleich der vier Organisationen ist die Oberflächenkorngröße der S4-Beschichtung am kleinsten, die Körner sind dicht und gleichmäßig, die Körner sind relativ einfach und es gibt keine komplexe intermetallische Verbindungsbildung.

2. 2 Mikrohärte der Beschichtung
Abbildung 2 ist ein Vergleich der Oberflächenmikrohärte der Proben. Die Vickershärte der Proben S1, S2, S3 und S4 beträgt jeweils etwa 234.02 HV, 683.87 HV, 663.62 HV und 635.51 HV. Abbildung 3 ist ein Vergleich der Querschnittsmikrohärte der Proben. Aus Abbildung 3 ist ersichtlich, dass die durchschnittliche Vickershärte der Beschichtungen der Proben S2 und S3 3 bis 4 Mal höher ist als die der Probe S1, was darauf hinweist, dass die Härte der Beschichtungen von S2 und S3 höher ist und der Plattierungsmetallurgie-Kristallisationseffekt besser ist. Die durchschnittliche Vickershärte der Beschichtungsoberfläche der Probe S4 ist etwas niedriger als die der Proben S2 und S3. Dies liegt daran, dass bei schneller Verfestigung des FeCoCrNiMn-Legierungspulvers mit hoher Entropie die Gitterverzerrung gering ist und die FCC-Kristallstruktur im Amorphen der Mantelschicht abgeschieden und dispergiert wird, was bis zu einem gewissen Grad darauf hinweisen kann, dass die Beschichtung aus der FeCoCrNiMn-Legierung mit hoher Entropie eine gute Zähigkeit und eine geringe Härte aufweist.

2.3 Reibungs- und Verschleißeigenschaften
2.3.1 Durchschnittlicher Reibungskoeffizient
Abbildung 4 zeigt die Kurve des durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Proben S1, S2, S3 und S4. Es ist ersichtlich, dass der durchschnittliche Reibungskoeffizient der Oberfläche der Probe S1 bei Raumtemperatur etwa 0.53 beträgt und in den ersten 20 Minuten am stärksten schwankt und auf etwa 0.6 ansteigt. Mit der Zeit bleibt der durchschnittliche Reibungskoeffizient tendenziell stabil. Dies liegt daran, dass sich im Frühstadium der Reibung zwischen Probe S1 und ZrO2-Mahlkugel viele Abriebpartikel zwischen der Verschleißspur und der Mahlkugel befinden, wodurch eine große Scherspannung entsteht, die wiederum zu starken Schwankungen des Reibungskoeffizienten führt. Die durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Proben S2, S3 und S4 betragen etwa 0.38, 0.32 und 0.25. Die komplexe Verteilung der Hartphasenpartikel in Probe S2 führt dazu, dass die Kurve des durchschnittlichen Reibungskoeffizienten stärker schwankt. Die Härte der Proben S3 und S4 ist viel geringer als die der ZrO2-Mahlkugel. Das Beschichtungslegierungsmaterial mit geringerer Härte hat auch eine geringere Scherfestigkeit, was dazu beiträgt, den durchschnittlichen Reibungskoeffizienten während der Reibung zu verringern. Die Kurven des durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Proben S3 und S4 weisen im Wesentlichen den gleichen Trend auf und halten ein relativ stabiles dynamisches Gleichgewicht aufrecht. Unter ihnen ist der durchschnittliche Reibungskoeffizient der Probe S4 am niedrigsten, die Reibungskraft bei gleicher Kraft ist am geringsten und der Verschleißgrad ist am geringsten. Dies liegt daran, dass beim schnellen Abkühlen der Probe S4 weniger Partikel der Verunreinigungsphase vorhanden sind, die Beschichtungsoberfläche glatter ist und weniger Defekte aufweist und der Kontakt mit der ZrO2-Schleifkugel glatter ist, ohne offensichtliche und drastische Schwankungen.

2. 3. 2 Tragen Sie Gewichtsverlust
Die Daten zum Verschleißgewichtsverlust der Proben sind in Abbildung 5 dargestellt. Der maximale Verschleißverlust der Probe S1 beträgt 9 mg und die Verschleißverluste der Proben S2 und S3 betragen 4 mg bzw. 5 mg. Unter ihnen ist der Verschleißverlust der Probe S4 mit 2 mg am niedrigsten. Dies liegt daran, dass die FeCoCrNiMn-Hochentropielegierungsbeschichtung eine einzelne FCC-Phase, eine hohe Plastizität und eine gute Zähigkeit aufweist. Unter der Reibungsnebenwirkung einer Last von 50 N kann das FeCoCrNiMn-Hochentropielegierungsmaterial eine große Menge Energie absorbieren, neigt nicht leicht zu Ermüdungsablösungen und weist eine gute Verschleißfestigkeit auf.

2.3.3 Verschleißmorphologieanalyse
Abbildung 6 zeigt die Verschleißnarbenmorphologie der vier Proben, die unter denselben Testbedingungen nach 120 Minuten Tragen beobachtet wurde. Wie aus Abbildung 6a ersichtlich, weist S1 aufgrund seiner geringen Gesamthärte eine starke plastische Verformung auf, die konkave Oberfläche der Verschleißnarbe ist rau, es gibt einen großen Bereich der Haftschicht und es tritt Delamination auf. Wie aus Abbildung 6b ersichtlich, ist die Beschichtungsoberfläche der Probe S2 unregelmäßig mit elliptischen, punktförmigen weißen Verbindungen verteilt, was die Härte der Beschichtung erhöht, begleitet von deutlichen Verschleißnarben und unidirektionalen Furchen. Die Oberflächenhärte der Beschichtung der Probe S3 ist am höchsten, wie in Abbildung 6c gezeigt, die Verschleißnarbe ist schmal und die Rillen auf der Beschichtungsoberfläche sind flach. Im Gegensatz dazu sind in Abbildung 6d die Rillen der Beschichtung der Probe S4 sehr glatt, was auf die gleichmäßige Struktur der Mantelschicht, die feinen Körnungen und die gute Verschleißfestigkeit zurückzuführen ist; In den Rillen sind deutlich unregelmäßige Poren vorhanden, die möglicherweise dadurch verursacht werden, dass sich das hochentropische Legierungspulver bei der hohen Temperatur des Laserstrahls im geschmolzenen Zustand mit Gas vermischt und das Gas beim Abkühlen der Probe austritt und Poren bildet.

Unter denselben Testbedingungen ist der Verschleißgewichtsverlust umso größer, je breiter die Testverschleißnarbe ist. Durch Vergleichen des Gewichtsverlusts verschiedener Proben in Abbildung 5 ist ersichtlich, dass das Verhältnis zwischen der Größe der Probenverschleißnarbe S1> S3> S2> S4 ist. Dies steht im Einklang mit den Testergebnissen des Verschleißgewichtsverlusts in Abbildung 5.

Fazit

1) Die hohe Entropie von FeCoCrNiMn Legierungsbeschichtung hat die dichteste Struktur und die kleinste Korngröße, während die mikrostrukturelle Kornverteilung der Ni60A- und Fe90-Legierungsbeschichtungen chaotischer ist. Die FeCoCrNiMn-Legierungsbeschichtung mit hoher Entropie hat eine relativ einfache Kornstruktur und es werden keine komplexen intermetallischen Verbindungen gebildet.

2) Die Vickershärte der Beschichtungen aus Ni60A-Legierung, Fe90-Legierung und FeCoCrNiMn-Legierung mit hoher Entropie beträgt ungefähr 683.87, 663.62 und 635.51 HV und ist damit deutlich höher als die Vickershärte des Substrats (234.02 HV). Der Härtewert der Beschichtung aus Fe-CoCrNiMn-Legierung mit hoher Entropie ist etwas niedriger als der der Beschichtungen aus Ni60A-Legierung und Fe90-Legierung, was ihre Verschleißfestigkeit nicht beeinträchtigt.

3) Die Verschleißverluste des 65Mn-Stahlsubstrats, der Ni60A-Legierung, der Fe90-Legierung und der Fe-CoCrNiMn-Hochentropielegierungsbeschichtung betragen jeweils 9, 4, 5 und 2 mg. Die Verschleißnarbe der FeCoCrNiMn-Hochentropielegierungsbeschichtung ist am glattesten, mit geringer Verschleißnarbentiefe, geringem Materialverlust und höchster Verschleißfestigkeit.