農業機械の土壌接触部品の耐摩耗性を向上させるために、FeCoCrNiMn高エントロピー合金、Fe90合金、Ni60A 合金粉末 比較研究のために選ばれた。耐摩耗コーティングは、 レーザークラッディング技術 65Mn鋼を基材とし、摩擦摩耗試験機で摩耗性能を試験した。結果、FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングが最も緻密な構造を持ち、粒子が比較的単純で、複雑な金属間化合物は形成されておらず、Ni60AおよびFe90合金コーティングの微細構造の粒子分布は比較的無秩序であることがわかった。65Mn鋼基材、Ni60A合金、Fe90合金、FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングの摩耗損失はそれぞれ9、4、5、2mgであり、基材の摩耗損失はコーティングの摩耗損失よりもはるかに大きかった。Fe90およびNi60A合金コーティングのビッカース硬度は683.87および663.62 HVであり、Fe-CoCrNiMn高エントロピー合金コーティングの硬度は635.81 HVであり、他のコーティングよりもわずかに低いが、耐摩耗性は良好である。

農業機械設備の急速な発展に伴い、農業機械の土壌接触部品は長期間にわたり土や砂などの研磨材による衝撃摩耗や摩擦摩耗の影響を受けており、従来の土壌接触部品の耐摩耗性に対する要求は高まっています。さまざまな耐摩耗対策の中で、土壌接触部品の破損面をレーザークラッディングと表面処理する2つの処理方法が一般的に使用されています。どちらも異なるフィラーを使用してコーティング材料を溶融または加熱して半溶融状態にし、基材の表面に覆い、基材の耐摩耗性を向上させます。土壌接触部品の最も一般的なコーティング材料は、鉄系合金とニッケル系合金の2つです。両方のコーティング材料は合金元素に基づいており、他の適切な元素を追加することでコーティング性能を向上させます。現在、従来の金属材料の耐摩耗性を向上させる研究と応用は飽和状態に近づいており、研究の余地はますます狭くなっています。

高エントロピー合金は、原子比が類似したさまざまな合金元素で構成され、より均一で単純な固溶体相を持ち、高強度、高耐摩耗性、優れた耐腐食性を示します。高エントロピー合金粉末を使用して農業機械の土壌接触部品に耐摩耗性コーティングを施すと、部品の耐摩耗性が高くなり、耐用年数をさらに延ばすことができます。

レーザークラッディング技術はコーティングの製造に使用され、熱が集中し、熱影響部が小さいという利点があります。鋳造領域で生成される組織構造も、電気火花堆積、マグネトロンスパッタリング、プラズマクラッディングなどの他のクラッディング方法とは異なります。同時に、レーザークラッディング技術はコーティングの製造に使用され、コーティング組織内にアモルファス組織構造が形成されます。現在、農業機械の土壌接触部品の耐摩耗コーティングの製造における高エントロピー合金コーティング材料の応用に関する研究はほとんどありません。本稿では、レーザークラッディング技術を使用して、90Mn鋼の表面にFe60合金、Ni65A合金、FeCoCrNiMn高エントロピー合金耐摩耗コーティングを製造しました。高エントロピー合金コーティングの摩擦と摩耗特性を比較研究し、そのトライボロジー法則を調査して、高エントロピー合金の応用拡大の参考資料を提供しました。

1実験材料と方法

1. 1 コーティングの準備
サンプルは、65Mn高炭素ばね鋼を基材とし、金属組織切断機を用いて200 mm×400 mm×4 mmの大きさのサンプルに切断した。サンプルは、サンプル表面の酸化物層、油分、その他の不純物がコーティングとサンプル間の接合強度に影響を与えないように、クラッド前に研削・研磨した。研削には、80、120、220、800、1 000、1 500、2 000グリットのサンドペーパーを順に使用した。研磨したサンプルをエタノール中で5分間超音波洗浄し、105 ℃の乾燥炉に10分間入れ、乾燥後に密封して保管した。クラッド層材料には、Fe90合金、Ni60A合金、FeCoCrNiMn高エントロピー合金粉末（粒径45～105 μm）を選択した。試験材料と粉末の化学組成を表1に示す。CW-CBW-8000G-91-20Lレーザークラッディング装置の最大出力は25,000Wである。試験では側軸広帯域粉末供給法、アルゴン保護ガスを採用し、クラッディングコーティングの厚さは1mmである。クラッディングプロセスパラメータを表2に示す。

1.2 テストの特性
65Mn鋼はサンプルS1、Ni60A合金コーティングはサンプルS2、Fe90合金コーティングはサンプルS3、FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングはサンプルS4です。サンプルS1の金属組織エッチング溶液は4％硝酸溶液（濃硝酸と無水エタノール、体積比は4：100）です。サンプルS2の金属​​組織エッチング溶液は硫酸銅五水和物溶液（塩酸、水、硫酸銅、体積比は10：10：1）です。サンプルS3とS4の金属組織エッチング溶液は5％王水（濃塩酸と濃硝酸、体積比は3：1）です。

サンプルの金属組織は、ライカDM4000M金属顕微鏡で観察されました。サンプルの表面と断面の硬度は、済南タイムズTMVS-1デジタルディスプレイビッカース硬度計で測定されました。材料の摩擦摩耗性能は、MMU-10マイクロコンピュータ制御端面摩擦摩耗試験機で検出されました。試験にはピンディスク摩擦ペアが使用され、研削ボールは直径2mmのZrO6研削ボールでした。試験パラメータは、荷重50N、速度80r/min、摩擦時間120分でした。サンプルの摩擦摩耗試験後の摩耗傷の形態は、光学顕微鏡で観察されました。

2テスト結果と分析

2.1 コーティングの金属組織
図1は、サンプルS1、S2、S3、S4の表面金属組織図を示しています。図1aに示すように、サンプルS1の構造は、格子状に分布したフェライトとパーライトが主成分です。図1bから、サンプルS2のコーティングの微細構造は、デンドライトと網状共晶であり、組織相は比較的細かく、デンドライトは比較的乱雑で、長い帯状組織とブロック状組織が不規則に生成されていることがはっきりとわかります。図1cに示すように、サンプルS3のコーティングの断面の微細構造は、粗く均一なデンドライト、絡み合ったデンドライト組織、および多数の淡色の光沢のある粒状析出物です。図1dに示すように、サンプルS4のコーティングの断面組織は最も緻密で、主に均一に分布した等軸結晶で構成され、不規則な穴が析出しています。 4 つの組織を比較すると、SXNUMX コーティングの表面粒径は最も小さく、粒子は緻密で均一であり、粒子は比較的単純で、複雑な金属間化合物の形成はありません。

2. 2 コーティングの微小硬度
図2はサンプルの表面微小硬度の比較です。サンプルS1、S2、S3、S4のビッカース硬度は、それぞれ約234.02 HV、683.87 HV、663.62 HV、635.51 HVです。図3はサンプルの断面微小硬度の比較です。図3から、サンプルS2とS3のコーティングの平均ビッカース硬度はサンプルS3の4〜1倍高いことがわかります。これは、S2とS3のコーティングの硬度が高く、クラッディング冶金結晶化効果が優れていることを示しています。サンプルS4のコーティング表面の平均ビッカース硬度は、サンプルS2とS3よりもわずかに低くなっています。これは、FeCoCrNiMn高エントロピー合金粉末を急速凝固させると、格子歪みが小さく、FCC結晶構造がクラッド層の非晶質中に析出して分散するためであり、これは、FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングが良好な靭性と低硬度を有することをある程度反映していると考えられる。

2.3 摩擦と摩耗特性
2.3.1 平均摩擦係数
図4は、サンプルS1、S2、S3、S4の平均摩擦係数曲線です。室温では、サンプルS1の表面の平均摩擦係数は約0.53であり、平均摩擦係数は最初の20分間に最も変動し、約0.6まで上昇し、時間が経つにつれて平均摩擦係数は安定する傾向があることがわかります。これは、サンプルS1とZrO2研削ボールとの摩擦の初期段階では、摩耗痕と研削ボールの間に摩耗粉が多く、大きなせん断応力が生じ、摩擦係数が急激に変動するためです。サンプルS2、S3、S4の平均摩擦係数は、それぞれ約0.38、0.32、0.25です。サンプルS2の硬質相粒子の複雑な分布により、平均摩擦係数曲線の変動がより激しくなります。サンプルS3とS4の硬度は、ZrO2研削ボールの硬度よりもはるかに小さいです。硬度が低いコーティング合金材料はせん断強度も低く、摩擦時の平均摩擦係数の低下につながります。サンプルS3とS4の平均摩擦係数曲線は基本的に同じ傾向を示し、比較的安定した動的バランスを維持しています。その中で、サンプルS4の平均摩擦係数は最も低く、同じ力での摩擦力は最も小さく、摩耗度は最も低くなっています。これは、サンプルS4が急速に冷却されると、不純物相粒子が少なくなり、コーティング表面がより滑らかで欠陥が少なくなり、ZrO2研削ボールとの接触がより滑らかになり、明らかで急激な変動がなくなるためです。

2. 3. 2 減量着用
サンプルの摩耗重量損失データを図5に示す。サンプルS1の最大摩耗損失は9mg、サンプルS2とS3の摩耗損失はそれぞれ4mgと5mgである。その中で、サンプルS4の摩耗損失は2mgと最も低い。これは、FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングが単一のFCC相を持ち、可塑性が高く、靭性が優れているためです。50Nの荷重の摩擦副作用下で、FeCoCrNiMn高エントロピー合金材料は大量のエネルギーを吸収でき、疲労剥離を形成しにくく、耐摩耗性が優れています。

2.3.3 摩耗形態分析
図6は、同じ試験条件下で120分間摩耗した後に観察された6つのサンプルの摩耗傷の形態を示しています。図1aからわかるように、S6は全体的な硬度が低いため塑性変形が激しく、摩耗傷の凹面は粗く、結合層の面積が広く、層間剥離が発生しています。図2bからわかるように、サンプルS3のコーティング表面は楕円形の点状の白い化合物で不規則に分布しており、コーティングの硬度を高め、明らかな摩耗傷と一方向の溝を伴っています。サンプルS6のコーティング表面硬度は最も高く、図6cに示すように、摩耗傷の幅は狭く、コーティング表面の溝は浅いです。対照的に、図4dでは、サンプルSXNUMXのコーティングの溝は非常に滑らかで、これはクラッド層の構造が均一で、粒子が細かく、耐摩耗性が優れているためです。溝には明らかに不規則な孔が見られますが、これはレーザービームの高温下で高エントロピー合金粉末が溶融状態のガスと混合され、サンプルが冷却される際にガスが噴出して孔が形成されたことが原因と考えられます。

同じ試験条件では、試験摩耗痕の幅が大きいほど、摩耗重量の減少が大きくなります。図5の異なるサンプルの重量減少を比較すると、サンプル摩耗痕のサイズの関係はS1> S3> S2> S4であることがわかります。これは、図5に示す摩耗重量減少の試験結果と一致しています。

結論

1) FeCoCrNiMnの高エントロピー 合金コーティング 最も緻密な構造と最小の粒径を持ちますが、Ni60AおよびFe90合金コーティングの微細構造の粒度分布はより混沌としています。FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングは比較的単純な粒度構造を持ち、複雑な金属間化合物は形成されません。

2) Ni60A合金、Fe90合金、FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングのビッカース硬度はそれぞれ約683.87、663.62、635.51 HVで、基材のビッカース硬度（234.02 HV）よりも大幅に高くなっています。Fe-CoCrNiMn高エントロピー合金コーティングの硬度はNi60A合金やFe90合金コーティングの硬度よりもわずかに低いですが、耐摩耗性には影響しません。

3) 65Mn鋼基板、Ni60A合金、Fe90合金、Fe-CoCrNiMn高エントロピー合金コーティングの摩耗損失は、それぞれ9、4、5、2 mgです。FeCoCrNiMn高エントロピー合金コーティングの摩耗痕は最も滑らかで、摩耗痕の深さは浅く、材料損失は少なく、耐摩耗性は最も高いです。