W celu zwiększenia odporności na zużycie części maszyn rolniczych mających kontakt z glebą zastosowano stop FeCoCrNiMn o wysokiej entropii, stop Fe90 i stop Ni60A proszki stopowe wybrano do badań porównawczych. Powłoka odporna na zużycie została przygotowana przez technologia napawania laserowego ze stalą 65Mn jako podłożem, a jej odporność na zużycie została przetestowana za pomocą maszyny do badania tarcia i zużycia. Wyniki wykazały, że powłoka stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn miała najgęstszą strukturę, stosunkowo proste ziarna i nie utworzyły się żadne złożone związki międzymetaliczne; rozkład mikrostruktury ziaren powłok stopowych Ni60A i Fe90 był stosunkowo nieuporządkowany. Straty zużycia podłoża ze stali 65Mn, stopu Ni60A, stopu Fe90 i powłoki stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn wynosiły odpowiednio 9, 4, 5 i 2 mg, a strata zużycia podłoża była znacznie większa niż powłoki. Twardość Vickersa powłok stopowych Fe90 i Ni60A wynosi 683.87 i 663.62 HV, a twardość powłoki stopowej o wysokiej entropii Fe-CoCrNiMn wynosi 635.81 HV, co jest wartością nieznacznie niższą niż w przypadku innych powłok, ale jej odporność na zużycie jest dobra.

Wraz z szybkim rozwojem maszyn i urządzeń rolniczych, części maszyn rolniczych mające kontakt z glebą są narażone na zużycie uderzeniowe i tarcie ścierne, takie jak gleba i piasek, przez długi czas, co stawia wyższe wymagania odporności na zużycie tradycyjnych części mających kontakt z glebą. Spośród różnych środków przeciwzużyciowych, nakładanie laserowe i obróbka powierzchni uszkodzonej powierzchni części mających kontakt z glebą to dwie powszechnie stosowane metody obróbki. Obie wykorzystują różne wypełniacze do topienia lub podgrzewania materiału powłoki do stanu półstopionego i pokrywania nim powierzchni podłoża, poprawiając w ten sposób odporność podłoża na zużycie. Dwoma najczęściej stosowanymi materiałami powłokowymi dla części mających kontakt z glebą są stopy na bazie żelaza i stopy na bazie niklu. Oba materiały powłokowe są oparte na pierwiastkach stopowych i poprawiają wydajność powłoki poprzez dodanie innych odpowiednich pierwiastków. Obecnie badania i zastosowania w celu poprawy odporności na zużycie tradycyjnych materiałów metalowych są bliskie nasycenia, a przestrzeń do badań staje się coraz mniejsza.

Stopy o wysokiej entropii składają się z różnych pierwiastków stopowych o podobnych stosunkach atomowych, z bardziej jednorodnymi i prostymi fazami stałego roztworu, wykazującymi wysoką wytrzymałość, wysoką odporność na zużycie i dobrą odporność na korozję. Używając proszku stopu o wysokiej entropii do przygotowania powłok odpornych na zużycie na częściach maszyn rolniczych mających kontakt z glebą, części mają wysoką odporność na zużycie i mogą dodatkowo wydłużyć ich żywotność.

Technologia napawania laserowego jest stosowana do przygotowywania powłok, co ma zalety koncentracji ciepła i małej strefy wpływu ciepła. Struktura organizacyjna wytwarzana w obszarze odlewania różni się również od innych metod napawania, takich jak osadzanie elektroiskrowe, rozpylanie magnetronowe i napawanie plazmowe. Jednocześnie technologia napawania laserowego jest stosowana do przygotowywania powłok, a w organizacji powłoki powstają amorficzne struktury organizacyjne. Obecnie istnieje niewiele badań nad zastosowaniem materiałów powłokowych ze stopów o wysokiej entropii w przygotowywaniu powłok odpornych na zużycie dla części maszyn rolniczych mających kontakt z glebą. W tym artykule przygotowano powłoki odporne na zużycie ze stopu Fe90, stopu Ni60A i stopu FeCoCrNiMn o wysokiej entropii na powierzchni stali 65Mn przy użyciu technologii napawania laserowego. Porównano i zbadano właściwości cierne i ścierne powłok stopowych o wysokiej entropii, a także zbadano ich prawa trybologiczne, aby zapewnić odniesienie do rozszerzenia zastosowań stopów o wysokiej entropii.

1 Materiały i metody doświadczalne

1. 1 Przygotowanie powłoki
Próbka użyta jako materiał bazowy ze stali sprężynowej wysokowęglowej 65Mn została pocięta na próbki o rozmiarze 200 mm × 400 mm × 4 mm za pomocą metalograficznej maszyny tnącej. Próbka została zmielona i wypolerowana przed pokryciem, aby zapobiec wpływowi warstwy tlenku, oleju i innych zanieczyszczeń na powierzchni próbki na wytrzymałość wiązania między powłoką a próbką. Do szlifowania użyto kolejno papieru ściernego o gradacji 80, 120, 220, 800, 1 000, 1 500 i 2 000. Wypolerowaną próbkę czyszczono ultradźwiękowo w etanolu przez 5 min, umieszczono w piecu suszarniczym w temperaturze 105 ℃ na 10 min, a po wysuszeniu uszczelniono i przechowywano. Stop Fe90, stop Ni60A i proszek stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn (wielkość cząstek od 45 do 105 μm) wybrano jako materiały warstwy pokrycia. Skład chemiczny materiałów testowych i proszków przedstawiono w tabeli 1. Maksymalna moc wyjściowa urządzenia do napawania laserowego CW-CBW-8000G-91-20L wynosi 25,000 1 W. W teście zastosowano metodę podawania proszku szerokopasmowego w osi bocznej, gaz ochronny argonowy, a grubość powłoki napawania wynosi 2 mm. Parametry procesu napawania przedstawiono w tabeli XNUMX.

1.2 Charakterystyka testu
Stal 65Mn to próbka S1, powłoka stopowa Ni60A to próbka S2, powłoka stopowa Fe90 to próbka S3, a powłoka stopowa o wysokiej entropii FeCoCrNiMn to próbka S4. Roztwór do trawienia metalograficznego próbki S1 to 4% roztwór kwasu azotowego (stężony kwas azotowy i bezwodny etanol, stosunek objętościowy wynosi 4:100); roztwór do trawienia metalograficznego próbki S2 to roztwór pentahydratu siarczanu miedzi (kwas solny, woda i siarczan miedzi, stosunek objętościowy wynosi 10:10:1); roztwór do trawienia metalograficznego próbek S3 i S4 to 5% woda królewska (stężony kwas solny i stężony kwas azotowy, stosunek objętościowy wynosi 3:1).

Mikrostrukturę metalograficzną próbki obserwowano za pomocą mikroskopu metalograficznego Leica DM4000M; twardość powierzchni i przekroju poprzecznego próbki mierzono za pomocą twardościomierza Vickersa z wyświetlaczem cyfrowym Jinan Times TMVS-1; właściwości cierne i zużycie materiału mierzono za pomocą testera tarcia i zużycia powierzchni czołowej MMU-10 sterowanego mikrokomputerem; do testu użyto pary ciernej sworzeń-tarcza, a kulą mielącą była kula mieląca ZrO2 o średnicy 6 mm. Parametry testu to obciążenie 50 N, prędkość 80 obr./min i czas tarcia 120 min; morfologię śladów zużycia po teście tarcia i zużycia próbki obserwowano za pomocą mikroskopu optycznego.

2 Wyniki testów i analiza

2.1 Struktura metalograficzna powłoki
Rysunek 1 przedstawia schemat struktury metalograficznej powierzchni próbek S1, S2, S3 i S4. Jak pokazano na rysunku 1a, struktura próbki S1 składa się głównie z ferrytu i perlitu rozmieszczonych w kształcie siatki. Z rysunku 1b wyraźnie widać, że mikrostruktura powłoki próbki S2 to dendryty i eutektyki siatkowe, faza organizacyjna jest stosunkowo drobna, a dendryty są stosunkowo nieuporządkowane, a długie pasma i organizacje blokowe są generowane nieregularnie. Jak pokazano na rysunku 1c, mikrostruktura przekroju poprzecznego powłoki próbki S3 to grube i jednolite dendryty, przeplatane organizacje dendrytów i duża liczba jasnych błyszczących ziarnistych wytrąceń. Jak pokazano na rysunku 1d, organizacja przekroju poprzecznego powłoki próbki S4 jest najgęstsza, składa się głównie z kryształów równoosiowych równomiernie rozłożonych, a nieregularne otwory są wytrącane. Porównując cztery organizacje, wielkość powierzchniowego ziarna powłoki S4 jest najmniejsza, ziarna są gęste i jednolite, ziarna są stosunkowo proste i nie tworzą się żadne złożone związki międzymetaliczne.

2 Mikrotwardość powłoki
Rysunek 2 przedstawia porównanie mikrotwardości powierzchni próbek. Twardość Vickersa próbek S1, S2, S3 i S4 wynosi odpowiednio około 234.02 HV, 683.87 HV, 663.62 HV i 635.51 HV. Rysunek 3 przedstawia porównanie mikrotwardości przekroju poprzecznego próbek. Z rysunku 3 wynika, że ​​średnia twardość Vickersa powłok próbek S2 i S3 jest 3 do 4 razy wyższa niż próbki S1, co wskazuje, że twardość powłok S2 i S3 jest wyższa, a efekt krystalizacji metalurgii powłoki jest lepszy. Średnia twardość Vickersa powierzchni powłoki próbki S4 jest nieznacznie niższa niż próbek S2 i S3. Dzieje się tak, ponieważ gdy proszek stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn ulega szybkiemu zestaleniu, odkształcenie sieci jest niewielkie, a struktura krystaliczna FCC jest wytrącana i rozpraszana w amorficznej warstwie powłoki, co w pewnym stopniu może świadczyć o tym, że powłoka stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn ma dobrą wytrzymałość i niską twardość.

2.3 Właściwości tarcia i zużycia
2.3.1 Średni współczynnik tarcia
Rysunek 4 przedstawia średnią krzywą współczynnika tarcia próbek S1, S2, S3 i S4. Można zauważyć, że w temperaturze pokojowej średni współczynnik tarcia powierzchni próbki S1 wynosi około 0.53, a średni współczynnik tarcia najbardziej waha się w ciągu pierwszych 20 minut, wzrastając do około 0.6; w miarę upływu czasu średni współczynnik tarcia ma tendencję do stabilizacji. Dzieje się tak, ponieważ na wczesnym etapie tarcia między próbką S1 a kulą mielącą ZrO2 występuje wiele zanieczyszczeń ściernych między śladem zużycia a kulą mielącą, co powoduje duże naprężenie ścinające, skutkujące gwałtownymi wahaniami współczynnika tarcia. Średnie współczynniki tarcia próbek S2, S3 i S4 wynoszą około 0.38, 0.32 i 0.25. Złożony rozkład cząstek fazy twardej w próbce S2 powoduje, że średnia krzywa współczynnika tarcia waha się gwałtowniej. Twardość próbek S3 i S4 jest znacznie mniejsza niż twardość kuli mielącej ZrO2. Materiał stopu powłoki o niższej twardości ma również niższą wytrzymałość na ścinanie, co sprzyja zmniejszeniu średniego współczynnika tarcia podczas tarcia. Krzywe średniego współczynnika tarcia próbek S3 i S4 mają zasadniczo ten sam trend, utrzymując stosunkowo stabilną równowagę dynamiczną. Wśród nich średni współczynnik tarcia próbki S4 jest najniższy, siła tarcia pod tą samą siłą jest najmniejsza, a stopień zużycia jest najniższy. Dzieje się tak, ponieważ gdy próbka S4 jest szybko chłodzona, jest mniej cząstek fazy zanieczyszczeń, powierzchnia powłoki jest gładsza i ma mniej defektów, a kontakt z kulą mielącą ZrO2 jest gładszy, bez oczywistych i drastycznych wahań.

2. 3. 2 Noś utratę wagi
Dane dotyczące utraty masy przez zużycie próbek przedstawiono na rysunku 5. Maksymalna utrata przez zużycie próbki S1 wynosi 9 mg, a utrata przez zużycie próbek S2 i S3 wynosi odpowiednio 4 mg i 5 mg. Spośród nich, utrata przez zużycie próbki S4 jest najniższa i wynosi 2 mg. Wynika to z faktu, że powłoka stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn ma pojedynczą fazę FCC, wysoką plastyczność i dobrą wytrzymałość. Pod wpływem efektu ubocznego tarcia obciążenia 50 N, materiał stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn może absorbować dużą ilość energii, nie jest łatwy do tworzenia złuszczania zmęczeniowego i ma dobrą odporność na zużycie.

2.3.3 Analiza morfologii zużycia
Rysunek 6 przedstawia morfologię śladów zużycia czterech próbek obserwowanych w tych samych warunkach testowych po 120 minutach zużycia. Jak widać na rysunku 6a, S1 ma poważne odkształcenie plastyczne z powodu niskiej ogólnej twardości, wklęsła powierzchnia śladu zużycia jest szorstka, występuje duży obszar warstwy wiążącej i występuje rozwarstwienie. Jak widać na rysunku 6b, powierzchnia powłoki próbki S2 jest nieregularnie rozłożona z eliptycznymi kropkowanymi białymi związkami, co zwiększa twardość powłoki, czemu towarzyszą wyraźne ślady zużycia i jednokierunkowe bruzdy. Twardość powierzchni powłoki próbki S3 jest najwyższa, jak pokazano na rysunku 6c, szerokość śladu zużycia jest wąska, a rowki na powierzchni powłoki są płytkie. Natomiast na rysunku 6d rowki powłoki próbki S4 są bardzo gładkie, co wynika z jednorodnej struktury warstwy okładzinowej, drobnych ziaren i dobrej odporności na zużycie; w rowkach widoczne są wyraźne nieregularne pory, które mogą być spowodowane mieszaniem się proszku stopu o wysokiej entropii z gazem w stanie stopionym pod wpływem wysokiej temperatury wiązki laserowej, a następnie wydostawaniem się gazu podczas chłodzenia próbki w celu utworzenia porów.

W tych samych warunkach testowych, im większa szerokość śladu zużycia testowego, tym większa utrata masy zużycia. Porównując utratę masy różnych próbek na rysunku 5, można zauważyć, że zależność między rozmiarem śladu zużycia próbki wynosi S1> S3> S2> S4. Jest to zgodne z wynikami testu utraty masy zużycia pokazanymi na rysunku 5.

Wniosek

1) Wysoka entropia FeCoCrNiMn powłoka ze stopu ma najgęstszą strukturę i najmniejszy rozmiar ziarna, podczas gdy rozkład mikrostruktury ziaren powłok stopowych Ni60A i Fe90 jest bardziej chaotyczny. Powłoka stopowa FeCoCrNiMn o wysokiej entropii ma stosunkowo prostą strukturę ziarna i nie tworzą się żadne złożone związki międzymetaliczne.

2) Twardość Vickersa stopu Ni60A, stopu Fe90 i powłok stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn wynosi około 683.87, 663.62 i 635.51 HV, co jest znacznie więcej niż twardość Vickersa podłoża (234.02 HV). Wartość twardości powłoki stopu Fe-CoCrNiMn o wysokiej entropii jest nieznacznie niższa niż powłok stopu Ni60A i stopu Fe90, co nie wpływa na jej odporność na zużycie.

3) Straty zużycia podłoża stalowego 65Mn, stopu Ni60A, stopu Fe90 i powłoki stopu o wysokiej entropii Fe-CoCrNiMn wynoszą odpowiednio 9, 4, 5 i 2 mg. Blizna zużycia powłoki stopu o wysokiej entropii FeCoCrNiMn jest najgładsza, z niewielką głębokością blizny zużycia, małą utratą materiału i najwyższą odpornością na zużycie.