Per migliorare la resistenza all'usura delle parti a contatto con il terreno delle macchine agricole, sono state utilizzate le leghe ad alta entropia FeCoCrNiMn, le leghe Fe90 e Ni60A polveri di lega sono stati selezionati per uno studio comparativo. Il rivestimento antiusura è stato preparato da tecnologia di rivestimento laser con acciaio 65Mn come substrato, e le sue prestazioni di usura sono state testate da una macchina per prove di attrito e usura. I risultati hanno mostrato che il rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn aveva la struttura più densa, grani relativamente semplici e non si formavano composti intermetallici complessi; la distribuzione dei grani della microstruttura dei rivestimenti in lega Ni60A e Fe90 era relativamente disordinata. Le perdite di usura del substrato in acciaio 65Mn, della lega Ni60A, della lega Fe90 e del rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn erano rispettivamente di 9, 4, 5 e 2 mg, e la perdita di usura del substrato era molto maggiore di quella del rivestimento. La durezza Vickers dei rivestimenti in lega Fe90 e Ni60A è di 683.87 e 663.62 HV, e la durezza del rivestimento in lega ad alta entropia Fe-CoCrNiMn è di 635.81 HV, che è leggermente inferiore ad altri rivestimenti, ma la sua resistenza all'usura è buona.

Con il rapido sviluppo di macchinari e attrezzature agricole, le parti a contatto con il terreno dei macchinari agricoli sono influenzate dall'usura da impatto e dall'usura da attrito di abrasivi come terreno e sabbia per lungo tempo, il che pone requisiti più elevati sulla resistenza all'usura delle parti tradizionali a contatto con il terreno. Tra le varie misure antiusura, il rivestimento laser e il trattamento superficiale della superficie danneggiata delle parti a contatto con il terreno sono due metodi di trattamento comunemente utilizzati. Entrambi utilizzano diversi riempitivi per fondere o riscaldare il materiale di rivestimento in uno stato semi-fuso e ricoprirlo sulla superficie del substrato, migliorando così la resistenza all'usura del substrato. I due materiali di rivestimento più comuni per le parti a contatto con il terreno sono le leghe a base di ferro e le leghe a base di nichel. Entrambi i materiali di rivestimento sono basati su un elemento di lega e migliorano le prestazioni del rivestimento aggiungendo altri elementi appropriati. Attualmente, la ricerca e l'applicazione del miglioramento della resistenza all'usura dei materiali metallici tradizionali sono state vicine alla saturazione e lo spazio per la ricerca si sta riducendo sempre di più.

Le leghe ad alta entropia sono composte da una varietà di elementi di lega con rapporti atomici simili, con fasi di soluzione solida più uniformi e semplici, che mostrano elevata resistenza, elevata resistenza all'usura e buona resistenza alla corrosione. Utilizzando polvere di lega ad alta entropia per preparare rivestimenti resistenti all'usura su parti a contatto con il terreno di macchinari agricoli, le parti hanno elevata resistenza all'usura e possono estendere ulteriormente la loro durata utile.

La tecnologia di rivestimento laser viene utilizzata per preparare rivestimenti, che presentano i vantaggi della concentrazione del calore e di una piccola zona termicamente alterata. La struttura organizzativa prodotta nell'area di fusione è inoltre diversa da altri metodi di rivestimento, come la deposizione elettroscintilla, lo sputtering magnetron e il rivestimento al plasma. Allo stesso tempo, la tecnologia di rivestimento laser viene utilizzata per preparare rivestimenti e nell'organizzazione del rivestimento vengono formate strutture organizzative amorfe. Attualmente, ci sono pochi studi sull'applicazione di materiali di rivestimento in lega ad alta entropia nella preparazione di rivestimenti resistenti all'usura per parti a contatto con il terreno di macchinari agricoli. In questo documento, rivestimenti resistenti all'usura in lega Fe90, lega Ni60A e lega ad alta entropia FeCoCrNiMn sono stati preparati sulla superficie di acciaio 65Mn utilizzando la tecnologia di rivestimento laser. Le proprietà di attrito e usura dei rivestimenti in lega ad alta entropia sono state confrontate e studiate e le loro leggi tribologiche sono state esplorate per fornire un riferimento per l'espansione dell'applicazione di leghe ad alta entropia.

1 Materiali e metodi sperimentali

1. 1 Preparazione del rivestimento
Il campione ha utilizzato acciaio per molle ad alto tenore di carbonio 65Mn come materiale di base ed è stato tagliato in campioni con una dimensione di 200 mm × 400 mm × 4 mm utilizzando una macchina da taglio metallografica. Il campione è stato macinato e lucidato prima del rivestimento per evitare che lo strato di ossido, l'olio e altre impurità sulla superficie del campione influenzassero la forza di legame tra il rivestimento e il campione. Per la macinazione sono state utilizzate a loro volta carta vetrata a grana 80, 120, 220, 800, 1 000, 1 500 e 2 000. Il campione lucidato è stato pulito a ultrasuoni in etanolo per 5 min, posto in un forno di essiccazione a 105 ℃ per 10 min e sigillato e conservato dopo l'essiccazione. Lega Fe90, lega Ni60A e polvere di lega ad alta entropia FeCoCrNiMn (dimensione delle particelle da 45 a 105 μm) sono state selezionate come materiali dello strato di rivestimento. La composizione chimica dei materiali di prova e delle polveri è mostrata nella Tabella 1. La potenza di uscita massima dell'apparecchiatura di rivestimento laser CW-CBW-8000G-91-20L è di 25,000 W. Il test adotta il metodo di alimentazione della polvere a banda larga ad asse laterale, gas protettivo argon e lo spessore del rivestimento di rivestimento è di 1 mm. I parametri del processo di rivestimento sono mostrati nella Tabella 2.

1.2 Caratterizzazione del test
L'acciaio 65Mn è il campione S1, il rivestimento in lega Ni60A è il campione S2, il rivestimento in lega Fe90 è il campione S3 e il rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn è il campione S4. La soluzione di incisione metallografica del campione S1 è una soluzione di acido nitrico al 4% (acido nitrico concentrato ed etanolo anidro, rapporto in volume 4:100); la soluzione di incisione metallografica del campione S2 è una soluzione di solfato di rame pentaidrato (acido cloridrico, acqua e solfato di rame, rapporto in volume 10:10:1); la soluzione di incisione metallografica dei campioni S3 e S4 è acqua regia al 5% (acido cloridrico concentrato e acido nitrico concentrato, rapporto in volume 3:1).

La microstruttura metallografica del campione è stata osservata dal microscopio metallografico Leica DM4000M; la durezza superficiale e trasversale del campione è stata misurata dal durometro Vickers Jinan Times TMVS-1 con display digitale; le prestazioni di attrito e usura del materiale sono state rilevate dal tester di attrito e usura della faccia terminale controllato da microcomputer MMU-10; la coppia di attrito perno-disco è stata utilizzata per il test e la sfera di macinazione era una sfera di macinazione ZrO2 con un diametro di 6 mm. I parametri del test erano carico 50 N, velocità 80 giri/min e tempo di attrito 120 min; la morfologia della cicatrice da usura dopo il test di attrito e usura del campione è stata osservata da un microscopio ottico.

2 Risultati dei test e analisi

2.1 Struttura metallografica del rivestimento
La Figura 1 mostra il diagramma della struttura metallografica superficiale dei campioni S1, S2, S3 e S4. Come mostrato nella Figura 1a, la struttura del campione S1 è composta principalmente da ferrite e perlite distribuite in una griglia. Si può vedere chiaramente dalla Figura 1b che la microstruttura del rivestimento del campione S2 è dendriti ed eutettici reticolari, la fase organizzativa è relativamente fine e i dendriti sono relativamente disordinati e le lunghe strisce e le organizzazioni a blocchi sono generate in modo irregolare. Come mostrato nella Figura 1c, la microstruttura della sezione trasversale del rivestimento del campione S3 è dendriti grossolani e uniformi, organizzazioni di dendriti intrecciate e un gran numero di precipitazioni granulari lucide di colore chiaro. Come mostrato nella Figura 1d, l'organizzazione trasversale del rivestimento del campione S4 è la più densa, composta principalmente da cristalli equiassici distribuiti uniformemente e sono precipitati fori irregolari. Confrontando le quattro organizzazioni, la granulometria superficiale del rivestimento S4 è la più piccola, i grani sono densi e uniformi, sono relativamente semplici e non vi è alcuna formazione di composti intermetallici complessi.

2. 2 Microdurezza del rivestimento
La figura 2 è un confronto della microdurezza superficiale dei campioni. La durezza Vickers dei campioni S1, S2, S3 e S4 è rispettivamente di circa 234.02 HV, 683.87 HV, 663.62 HV e 635.51 HV. La figura 3 è un confronto della microdurezza trasversale dei campioni. Dalla figura 3 si può vedere che la durezza Vickers media dei rivestimenti dei campioni S2 e S3 è da 3 a 4 volte superiore a quella del campione S1, il che indica che la durezza dei rivestimenti di S2 e S3 è maggiore e l'effetto di cristallizzazione della metallurgia di rivestimento è migliore. La durezza Vickers media della superficie del rivestimento del campione S4 è leggermente inferiore a quella dei campioni S2 e S3. Ciò avviene perché quando la polvere di lega ad alta entropia FeCoCrNiMn si solidifica rapidamente, la distorsione reticolare è minima e la struttura cristallina FCC precipita e si disperde nell'amorfo dello strato di rivestimento, il che può riflettere in una certa misura che il rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn ha una buona tenacità e una bassa durezza.

2.3 Proprietà di attrito e usura
2.3.1 Coefficiente di attrito medio
La figura 4 è la curva del coefficiente di attrito medio dei campioni S1, S2, S3 e S4. Si può vedere che a temperatura ambiente, il coefficiente di attrito medio della superficie del campione S1 è di circa 0.53 e il coefficiente di attrito medio fluttua di più nei primi 20 minuti, salendo a circa 0.6; con il passare del tempo, il coefficiente di attrito medio tende a essere stabile. Questo perché nella fase iniziale dell'attrito tra il campione S1 e la sfera di macinazione ZrO2, ci sono molti detriti di usura tra il segno di usura e la sfera di macinazione, che producono un grande sforzo di taglio, con conseguente brusca fluttuazione del coefficiente di attrito. I coefficienti di attrito medio dei campioni S2, S3 e S4 sono di circa 0.38, 0.32 e 0.25. La complessa distribuzione delle particelle di fase dura nel campione S2 fa sì che la curva del coefficiente di attrito medio fluttui più violentemente. La durezza dei campioni S3 e S4 è molto più piccola di quella della sfera di macinazione ZrO2. Il materiale della lega di rivestimento con durezza inferiore ha anche una minore resistenza al taglio, che favorisce la riduzione del coefficiente di attrito medio durante l'attrito. Le curve del coefficiente di attrito medio dei campioni S3 e S4 hanno fondamentalmente lo stesso andamento, mantenendo un equilibrio dinamico relativamente stabile. Tra questi, il coefficiente di attrito medio del campione S4 è il più basso, la forza di attrito sotto la stessa forza è la più piccola e il grado di usura è il più basso. Questo perché quando il campione S4 viene raffreddato rapidamente, ci sono meno particelle di fase di impurità, la superficie del rivestimento è più liscia e presenta meno difetti e il contatto con la sfera di macinazione ZrO2 è più liscio, senza fluttuazioni evidenti e drastiche.

2. 3. 2 Indossare la perdita di peso
I dati sulla perdita di peso per usura dei campioni sono mostrati nella Figura 5. La perdita di usura massima del campione S1 è di 9 mg e le perdite di usura dei campioni S2 e S3 sono rispettivamente di 4 mg e 5 mg. Tra queste, la perdita di usura del campione S4 è la più bassa, che è di 2 mg. Questo perché il rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn ha una singola fase FCC, elevata plasticità e buona tenacità. Sotto l'effetto collaterale di attrito di un carico di 50 N, il materiale in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn può assorbire una grande quantità di energia, non è facile da formare peeling per fatica e ha una buona resistenza all'usura.

2.3.3 Analisi della morfologia dell'usura
La Figura 6 mostra la morfologia delle cicatrici da usura dei quattro campioni osservati nelle stesse condizioni di prova dopo 120 minuti di usura. Come si può vedere dalla Figura 6a, S1 presenta una grave deformazione plastica dovuta alla sua bassa durezza complessiva, la superficie concava della cicatrice da usura è ruvida, c'è un'ampia area di strato di legame e si verifica una delaminazione. Come si può vedere dalla Figura 6b, la superficie del rivestimento del campione S2 è distribuita irregolarmente con composti bianchi a forma di punti ellittici, che aumentano la durezza del rivestimento, accompagnati da evidenti cicatrici da usura e solchi unidirezionali. La durezza della superficie del rivestimento del campione S3 è la più elevata, come mostrato nella Figura 6c, la larghezza della cicatrice da usura è stretta e le scanalature sulla superficie del rivestimento sono poco profonde. Al contrario, nella Figura 6d, le scanalature del rivestimento del campione S4 sono molto lisce, il che è dovuto alla struttura uniforme dello strato di rivestimento, ai grani fini e alla buona resistenza all'usura; sono presenti evidenti pori irregolari nelle scanalature, che potrebbero essere causati dalla polvere di lega ad alta entropia mescolata al gas allo stato fuso sotto l'elevata temperatura del raggio laser e dal gas che fuoriesce quando il campione viene raffreddato formando pori.

Nelle stesse condizioni di prova, maggiore è la larghezza della cicatrice da usura del test, maggiore è la perdita di peso per usura. Confrontando la perdita di peso di diversi campioni nella Figura 5, si può vedere che la relazione tra la dimensione della cicatrice da usura del campione è S1> S3> S2> S4. Ciò è coerente con i risultati del test sulla perdita di peso per usura mostrati nella Figura 5.

Conclusione

1) L'alta entropia del FeCoCrNiMn rivestimento in lega ha la struttura più densa e la granulometria più piccola, mentre la distribuzione dei grani della microstruttura dei rivestimenti in lega Ni60A e Fe90 è più caotica. Il rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn ha una struttura dei grani relativamente semplice e non si formano composti intermetallici complessi.

2) La durezza Vickers dei rivestimenti in lega Ni60A, lega Fe90 e lega ad alta entropia FeCoCrNiMn è di circa 683.87, 663.62 e 635.51 HV, che è significativamente più alta della durezza Vickers del substrato (234.02 HV). Il valore di durezza del rivestimento in lega ad alta entropia Fe-CoCrNiMn è leggermente inferiore a quello dei rivestimenti in lega Ni60A e lega Fe90, il che non influisce sulla sua resistenza all'usura.

3) Le perdite per usura del substrato in acciaio 65Mn, della lega Ni60A, della lega Fe90 e del rivestimento in lega ad alta entropia Fe-CoCrNiMn sono rispettivamente 9, 4, 5 e 2 mg. La cicatrice da usura del rivestimento in lega ad alta entropia FeCoCrNiMn è la più liscia, con profondità di cicatrice da usura ridotta, piccola perdita di materiale e la massima resistenza all'usura.