Untuk meningkatkan ketahanan aus pada bagian mesin pertanian yang bersentuhan dengan tanah, paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn, paduan Fe90 dan Ni60A bubuk paduan dipilih untuk studi perbandingan. Lapisan tahan aus disiapkan dengan teknologi pelapisan laser dengan baja 65Mn sebagai substrat, dan kinerja keausan diuji dengan mesin uji gesekan dan keausan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lapisan paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn memiliki struktur paling padat, butiran relatif sederhana, dan tidak terbentuk senyawa intermetalik kompleks; distribusi butiran mikrostruktur lapisan paduan Ni60A dan Fe90 relatif tidak teratur. Kehilangan keausan substrat baja 65Mn, paduan Ni60A, paduan Fe90 dan lapisan paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn masing-masing adalah 9, 4, 5 dan 2 mg, dan kehilangan keausan substrat jauh lebih besar daripada lapisan. Kekerasan Vickers dari lapisan paduan Fe90 dan Ni60A adalah 683.87 dan 663.62 HV, dan kekerasan lapisan paduan entropi tinggi Fe-CoCrNiMn adalah 635.81 HV, yang sedikit lebih rendah daripada lapisan lainnya, tetapi ketahanan ausnya baik.

Dengan pesatnya perkembangan mesin dan peralatan pertanian, bagian-bagian mesin pertanian yang bersentuhan dengan tanah dipengaruhi oleh keausan benturan dan keausan gesekan dari bahan abrasif seperti tanah dan pasir untuk waktu yang lama, yang menempatkan persyaratan yang lebih tinggi pada ketahanan aus dari bagian-bagian yang bersentuhan dengan tanah tradisional. Di antara berbagai tindakan anti-keausan, pelapisan laser dan perawatan permukaan dari permukaan yang rusak dari bagian-bagian yang bersentuhan dengan tanah adalah dua metode perawatan yang umum digunakan. Keduanya menggunakan pengisi yang berbeda untuk melelehkan atau memanaskan bahan pelapis menjadi keadaan semi-cair dan menutupinya pada permukaan substrat, dengan demikian meningkatkan ketahanan aus substrat. Dua bahan pelapis yang paling umum untuk bagian-bagian yang bersentuhan dengan tanah adalah paduan berbasis besi dan paduan berbasis nikel. Kedua bahan pelapis didasarkan pada elemen paduan dan meningkatkan kinerja pelapisan dengan menambahkan elemen-elemen lain yang sesuai. Saat ini, penelitian dan penerapan peningkatan ketahanan aus bahan logam tradisional telah mendekati saturasi, dan ruang untuk penelitian semakin kecil dan kecil.

Paduan entropi tinggi tersusun dari berbagai elemen paduan dengan rasio atom yang sama, dengan fase larutan padat yang lebih seragam dan sederhana, yang menunjukkan kekuatan tinggi, ketahanan aus yang tinggi, dan ketahanan korosi yang baik. Dengan menggunakan bubuk paduan entropi tinggi untuk menyiapkan lapisan tahan aus pada komponen mesin pertanian yang bersentuhan dengan tanah, komponen tersebut memiliki ketahanan aus yang tinggi dan dapat memperpanjang masa pakainya.

Teknologi pelapisan laser digunakan untuk menyiapkan pelapis, yang memiliki keunggulan konsentrasi panas dan zona terpengaruh panas kecil. Struktur organisasi yang dihasilkan di area pengecoran juga berbeda dari metode pelapisan lainnya, seperti pengendapan percikan listrik, sputtering magnetron, dan pelapisan plasma. Pada saat yang sama, teknologi pelapisan laser digunakan untuk menyiapkan pelapis, dan struktur organisasi amorf terbentuk dalam organisasi pelapisan. Saat ini, ada beberapa penelitian tentang penerapan bahan pelapis paduan entropi tinggi dalam persiapan pelapis tahan aus untuk bagian mesin pertanian yang bersentuhan dengan tanah. Dalam makalah ini, paduan Fe90, paduan Ni60A, dan pelapis tahan aus paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn disiapkan pada permukaan baja 65Mn menggunakan teknologi pelapisan laser. Sifat gesekan dan keausan pelapis paduan entropi tinggi dibandingkan dan dipelajari, dan hukum tribologi mereka dieksplorasi untuk memberikan referensi untuk perluasan aplikasi paduan entropi tinggi.

1 Bahan dan metode eksperimental

1. 1 Persiapan pelapisan
Sampel menggunakan baja pegas karbon tinggi 65Mn sebagai bahan dasar, dan dipotong menjadi sampel dengan ukuran 200 mm × 400 mm × 4 mm menggunakan mesin pemotong metalografi. Sampel digiling dan dipoles sebelum pelapisan untuk mencegah lapisan oksida, minyak, dan kotoran lain pada permukaan sampel memengaruhi kekuatan ikatan antara pelapis dan sampel. Amplas grit 80, 120, 220, 800, 1, 000, dan 1 digunakan untuk penggilingan secara bergantian. Sampel yang dipoles dibersihkan secara ultrasonik dalam etanol selama 500 menit, ditempatkan dalam oven pengering pada suhu 2 ℃ selama 000 menit, dan disegel dan disimpan setelah pengeringan. Paduan Fe5, paduan Ni105A, dan bubuk paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn (ukuran partikel 10 hingga 90 μm) dipilih sebagai bahan lapisan pelapis. Komposisi kimia dari bahan uji dan bubuk ditunjukkan pada Tabel 60. Daya keluaran maksimum peralatan pelapisan laser CW-CBW-45G-105-1L adalah 8000 W. Pengujian ini menggunakan metode pemberian serbuk pita lebar sumbu samping, gas pelindung argon, dan ketebalan lapisan pelapisan adalah 91 mm. Parameter proses pelapisan ditunjukkan pada Tabel 20.

1.2 Karakterisasi uji
Baja 65Mn adalah sampel S1, pelapisan paduan Ni60A adalah sampel S2, pelapisan paduan Fe90 adalah sampel S3, dan pelapisan paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn adalah sampel S4. Larutan etsa metalografi sampel S1 adalah larutan asam nitrat 4% (asam nitrat pekat dan etanol anhidrat, rasio volume adalah 4: 100); larutan etsa metalografi sampel S2 adalah larutan tembaga sulfat pentahidrat (asam klorida, air dan tembaga sulfat, rasio volume adalah 10: 10: 1); larutan etsa metalografi sampel S3 dan S4 adalah aqua regia 5% (asam klorida pekat dan asam nitrat pekat, rasio volume adalah 3: 1).

Mikrostruktur metalografi sampel diamati dengan mikroskop metalografi Leica DM4000M; kekerasan permukaan dan penampang sampel diukur dengan alat uji kekerasan Vickers dengan layar digital Jinan Times TMVS-1; kinerja gesekan dan keausan material dideteksi oleh alat uji gesekan dan keausan permukaan ujung yang dikontrol komputer mikro MMU-10; pasangan gesekan pin-cakram digunakan untuk pengujian, dan bola gerinda adalah bola gerinda ZrO2 dengan diameter 6 mm. Parameter pengujian adalah beban 50 N, kecepatan 80 putaran/menit, dan waktu gesekan 120 menit; morfologi bekas keausan setelah uji gesekan dan keausan sampel diamati dengan mikroskop optik.

2 Hasil pengujian dan analisis

2.1 Struktur metalografi pelapis
Gambar 1 menunjukkan diagram struktur metalografi permukaan sampel S1, S2, S3 dan S4. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, struktur sampel S1 terutama terdiri dari ferit dan perlit yang didistribusikan dalam bentuk kisi-kisi. Dapat dilihat dengan jelas dari Gambar 1b bahwa mikrostruktur lapisan sampel S2 adalah dendrit dan eutektik retikuler, fase organisasi relatif halus, dan dendrit relatif berantakan, dan organisasi strip dan blok yang panjang dihasilkan secara tidak teratur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c, mikrostruktur penampang lapisan sampel S3 adalah dendrit kasar dan seragam, organisasi dendrit yang saling bertautan, dan sejumlah besar presipitasi granular mengkilap berwarna terang. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d, organisasi penampang lapisan sampel S4 adalah yang paling padat, terutama terdiri dari kristal ekuaksial yang didistribusikan secara merata, dan lubang tidak teratur diendapkan. Membandingkan keempat organisasi, ukuran butiran permukaan lapisan S4 adalah yang terkecil, butirannya padat dan seragam, butirannya relatif sederhana, dan tidak ada pembentukan senyawa intermetalik yang kompleks.

2. 2 Mikrokekerasan lapisan
Gambar 2 adalah perbandingan kekerasan mikro permukaan sampel. Kekerasan Vickers sampel S1, S2, S3 dan S4 masing-masing sekitar 234.02 HV, 683.87 HV, 663.62 HV dan 635.51 HV. Gambar 3 adalah perbandingan kekerasan mikro penampang sampel. Dapat dilihat dari Gambar 3 bahwa kekerasan Vickers rata-rata lapisan sampel S2 dan S3 adalah 3 hingga 4 kali lebih tinggi daripada sampel S1, yang menunjukkan bahwa kekerasan lapisan S2 dan S3 lebih tinggi dan efek kristalisasi metalurgi pelapisan lebih baik. Kekerasan Vickers rata-rata permukaan lapisan sampel S4 sedikit lebih rendah daripada sampel S2 dan S3. Hal ini karena ketika bubuk paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn dipadatkan dengan cepat, distorsi kisi kecil, dan struktur kristal FCC diendapkan dan didispersikan dalam lapisan amorf pelapis, yang dapat mencerminkan sampai batas tertentu bahwa lapisan paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn memiliki ketangguhan yang baik dan kekerasan yang rendah.

2.3 Sifat gesekan dan keausan
2.3.1 Koefisien gesekan rata-rata
Gambar 4 adalah kurva koefisien gesekan rata-rata dari sampel S1, S2, S3 dan S4. Dapat dilihat bahwa pada suhu kamar, koefisien gesekan rata-rata permukaan sampel S1 adalah sekitar 0.53, dan koefisien gesekan rata-rata berfluktuasi paling banyak dalam 20 menit pertama, naik menjadi sekitar 0.6; seiring berjalannya waktu, koefisien gesekan rata-rata cenderung stabil. Ini karena pada tahap awal gesekan antara sampel S1 dan bola penggiling ZrO2, ada banyak serpihan keausan antara tanda keausan dan bola penggiling, yang menghasilkan tegangan geser yang besar, sehingga mengakibatkan fluktuasi tajam dari koefisien gesekan. Koefisien gesekan rata-rata sampel S2, S3 dan S4 adalah sekitar 0.38, 0.32 dan 0.25. Distribusi kompleks partikel fase keras dalam sampel S2 menyebabkan kurva koefisien gesekan rata-rata berfluktuasi lebih hebat. Kekerasan sampel S3 dan S4 jauh lebih kecil daripada kekerasan bola penggiling ZrO2. Bahan paduan pelapis dengan kekerasan yang lebih rendah juga memiliki kekuatan geser yang lebih rendah, yang kondusif untuk mengurangi koefisien gesekan rata-rata selama gesekan. Kurva koefisien gesekan rata-rata sampel S3 dan S4 pada dasarnya memiliki tren yang sama, mempertahankan keseimbangan dinamis yang relatif stabil. Di antara mereka, koefisien gesekan rata-rata sampel S4 adalah yang terendah, gaya gesekan di bawah gaya yang sama adalah yang terkecil, dan tingkat keausan adalah yang terendah. Ini karena ketika sampel S4 didinginkan dengan cepat, ada lebih sedikit partikel fase pengotor, permukaan pelapis lebih halus dan memiliki lebih sedikit cacat, dan kontak dengan bola penggiling ZrO2 lebih halus, tanpa fluktuasi yang jelas dan drastis.

2. 3. 2 Kenakan penurunan berat badan
Data kehilangan berat keausan sampel ditunjukkan pada Gambar 5. Kehilangan keausan maksimum sampel S1 adalah 9 mg, dan kehilangan keausan sampel S2 dan S3 masing-masing adalah 4 mg dan 5 mg. Di antara keduanya, kehilangan keausan sampel S4 adalah yang terendah, yaitu 2 mg. Hal ini karena lapisan paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn memiliki fase FCC tunggal, plastisitas tinggi, dan ketangguhan yang baik. Di bawah efek samping gesekan beban 50 N, bahan paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn dapat menyerap sejumlah besar energi, tidak mudah membentuk pengelupasan lelah, dan memiliki ketahanan aus yang baik.

2.3.3 Analisis morfologi keausan
Gambar 6 menunjukkan morfologi bekas keausan dari empat sampel yang diamati dalam kondisi pengujian yang sama setelah 120 menit keausan. Seperti dapat dilihat dari Gambar 6a, S1 memiliki deformasi plastik yang parah karena kekerasan keseluruhannya yang rendah, permukaan cekung bekas keausan kasar, ada area lapisan ikatan yang besar, dan terjadi delaminasi. Seperti dapat dilihat dari Gambar 6b, permukaan pelapis sampel S2 terdistribusi secara tidak teratur dengan senyawa putih berbentuk titik elips, yang meningkatkan kekerasan pelapis, disertai dengan bekas keausan yang jelas dan alur searah. Kekerasan permukaan pelapis sampel S3 adalah yang tertinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c, lebar bekas keausan sempit, dan alur pada permukaan pelapis dangkal. Sebaliknya, pada Gambar 6d, alur pelapis sampel S4 sangat halus, yang disebabkan oleh struktur lapisan pelapis yang seragam, butiran halus, dan ketahanan aus yang baik; terdapat pori-pori tidak beraturan yang jelas pada alur, yang mungkin disebabkan oleh bubuk paduan entropi tinggi yang dicampur dengan gas dalam keadaan cair di bawah suhu tinggi sinar laser, dan gas menyembur keluar saat sampel didinginkan hingga membentuk pori-pori.

Dalam kondisi pengujian yang sama, semakin besar lebar bekas keausan uji, semakin besar pula kehilangan berat akibat keausan. Dengan membandingkan kehilangan berat sampel yang berbeda pada Gambar 5, dapat dilihat bahwa hubungan antara ukuran bekas keausan sampel adalah S1> S3> S2> S4. Hal ini konsisten dengan hasil pengujian kehilangan berat akibat keausan yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Kesimpulan

1) FeCoCrNiMn entropi tinggi lapisan paduan memiliki struktur terpadat dan ukuran butiran terkecil, sedangkan distribusi butiran mikrostruktur pelapis paduan Ni60A dan Fe90 lebih kacau. Pelapis paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn memiliki struktur butiran yang relatif sederhana dan tidak terbentuk senyawa intermetalik kompleks.

2) Kekerasan Vickers dari paduan Ni60A, paduan Fe90, dan pelapis paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn adalah sekitar 683.87, 663.62, dan 635.51 HV, yang secara signifikan lebih tinggi daripada kekerasan Vickers substrat (234.02 HV). Nilai kekerasan pelapis paduan entropi tinggi Fe-CoCrNiMn sedikit lebih rendah daripada pelapis paduan Ni60A dan paduan Fe90, yang tidak memengaruhi ketahanan ausnya.

3) Kerugian keausan substrat baja 65Mn, paduan Ni60A, paduan Fe90, dan pelapisan paduan entropi tinggi Fe-CoCrNiMn masing-masing adalah 9, 4, 5, dan 2 mg. Bekas keausan pelapisan paduan entropi tinggi FeCoCrNiMn adalah yang paling halus, dengan kedalaman bekas keausan yang dangkal, kehilangan material yang kecil, dan ketahanan aus tertinggi.