CN110453219A

CN110453219A - 一种增强农机传动构件表面性能的方法

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Publication number: CN110453219A
Application number: CN201910782666.XA
Authority: CN
Inventors: 王星星; 张墅野; 上官林建; 龙伟民; 李帅; 温国栋; 杜全斌; 杨杰; 吕登峰; 武胜金
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2019-11-15
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: CN110453219B

Abstract

一种增强农机传动构件表面性能的方法，首先对农机传动构件表面进行洁净化处理；其次以农机传动构件为阴极、分别将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金复合片、形状记忆合金片、硬质合金片为阳极，利用电火花沉积设备，依次将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、形状记忆合金片、硬质合金片沉积在已处理过的农机传动构件表面，形成了与农机传动构件原子结合的电火花沉积层；最后将含有三种合金片沉积层的农机传动构件放入惰性气体氛围的热处理炉内加热。本发明通过电火花电沉积方式将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金、形状记忆合金、硬质合金三种合金逐层添加在农机传动构件表面的以对其表面进行改性，具有耐磨、耐高温、增韧的性能。

Description

一种增强农机传动构件表面性能的方法

技术领域

本发明属于农业机械表面改性领域，具体涉及一种增强农机传动构件表面性能的方法。

背景技术

农机传动构件一般作为农业机械中的关键耐磨件，其材料性能对其工作寿命和农业机械的工作效率、耕作效果均产生重要影响；为了提高农机传动部件表部的硬度和耐磨性，同时使心部保持足够的强度和韧性，以有效延长农机传动部件的使用寿命，通常的是在对农机触土部件进行表面高温加热处理，现有技术中，表面高温加热热处理的主要技术方案有：首先对农用传动部件进行整体淬火，然后对其表面进行低温回火处理获得回火马氏体，但其硬度较低，耐磨性较差，不能完全满足实际农业生产操作中对农用触土部件表面抗磨性能的要求，为提高部件表面的硬度和耐磨性能，工业上常见的技术方案有：在部件表面制备强化涂层。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，创新综合利用高熵合金、形状记忆合金、硬质合金的优点，提供一种增强农机传动构件表面性能的方法。

本发明的技术方案是：一种增强农机传动构件表面性能的方法，具体步骤如下：

步骤一、对农机传动构件表面进行打磨、抛光、酒精清洗洁净化处理，备用；

步骤二、以农机传动构件为阴极，分别将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金复合片、形状记忆合金片、硬质合金片为阳极，利用电火花沉积设备，依次将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、形状记忆合金片、硬质合金片沉积在已处理过的农机传动构件表面，形成了与农机传动构件原子结合的电火花沉积层；

步骤三、将步骤二中含有三种合金片沉积层的农机传动构件放入保护气体氛围的热处理炉内加热，即完成对农机传动构件表面的改性。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、形状记忆合金片、硬质合金片制备方法为：用高能纳米球磨机将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金粉、形状记忆合金粉、硬质合金粉分别研磨至直径13~15μm、17~22μm、90~96nm的细粉，利用有机粘结剂对细粉进行充分搅拌，形成均匀的糊状膏，采用压机将糊状膏压制到厚度为1~3mm的复合片并剪裁为所需形状。

进一步优化，所述研磨方法如下：首先将机械破碎的粉末粒度为20μm的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入球磨罐内，抽真空后充入3.5MPa保护气体进行球磨，球磨转速1300~1450r/min，球磨时间60~67h，球料重量比21.5:1。

进一步优化，所述有机粘结剂为聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照3-5:1-3:4-6:1-2:3-5的重量比混合制备。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片为Ni9Co31Cr30B15Fe7Si6.5Nd1.5、NiAlCoCrFeTiMn、NiTaNbHfZrV中的一种或两种。

进一步优化，所述步骤二中形状记忆合金片为锰基合金，包括以下重量百分比的化学组分：Al 13~17%、Cr 2~11%、Ni 3~9%、Fe 43~49%、Si 5~8%、Zr 1~1.5%、V 0.8~1.2%、Nb0.5~1.3%，其余为Mn。

进一步优化，所述步骤二中硬质合金片为Cr₃C₂+WC+Co与ZrC、TiC、NbC、TaC中的一种或两种的混合物。

进一步优化，所述步骤二中电火花沉积的条件为：功率1500~1900W，频率1300~1800 Hz，电压80~140V，沉积速率1.2~1.5 min/cm²，保护气体的流量为7~10L/min。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片的制备方法为：以钴铬或钽铌合金为阴极，纯镍板为阳极，在高压二氧化碳流体环境，将45~65g/L的纳米金刚石颗粒悬浮在硫酸镍为主盐的电解液中，施加一定的电流密度进行电沉积，即获得含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金。

进一步优化，所述步骤三中热处理炉的炉温最高设置为高于镍基高熵合金的熔化温度60℃以上，加热时间为8~10h，具体温度曲线为：280℃/1h + 490℃/2h + 650℃/30min+（1450~1650）℃/（4.5-6.5）h，取出后室温冷却。

本发明的有益效果为：

一、本发明通过电火花沉积方式将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金、形状记忆合金、硬质合金三种合金优化组合，借助自主配置的有机粘结剂逐层涂覆在农机传动构件表面，以对其进行表面改性，综合运用高熵合金高耐磨、形状记忆合金超塑性、硬质合金硬度高等独特优点，协同强化农机传动构件的性能，主要是含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金因金刚石颗粒的加入其硬度较高，改善农机传动构件的耐磨性，硬质合金的添加进一步提高其硬度，而形状记忆合金的加入有助于提高涂层的韧性，防止前两种合金过硬导致其涂层脆裂、脱落，此外，电火花沉积提高了表面沉积层与基体的结合强度，可有效增强农机传动构件表面的耐磨性、耐蚀性、热硬性和高温抗氧化性，并且可增大表面粗糙度和延长农机传动构件的疲劳寿命；

二、针对高熵合金中添加高硬纳米颗粒难的问题，本发明创新采用高压二氧化碳流体电沉积技术高扩散、低粘度的特性，将纳米金刚石颗粒成功添加进高熵合金中，制备出高熵合金-镍-金刚石复合材料，进一步提升高熵合金的耐磨性、耐腐蚀性，即成功制备纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金，不仅为改善农机传动构件性能提供了高性能高品质基体涂层，而且还可以进一步改善农机传动构件的使用寿命；

三、开发电火花沉积高熵合金、形状记忆合金涂层的方法，将高熵合金、形状记忆合金涂层分别应用在农机传动构件表面，借助形状记忆合金和高熵合金粉的微米尺寸效应及硬质合金的纳米尺寸效应，显著增强农机传动构件的性能；

四、本发明可结合功能仿生学的优点，将农机传动构件表面先加工成功能仿生表面，然后再进行洁净化处理、电火花沉积、加热处理等工序，利用功能仿生表面可进一步提高农机传动构件的表面性能；

五、经显微硬度计、摩擦磨损试验机、高温电阻炉测试表明，强化涂层的显微硬度介于2371~3963HV，是基体材料6.7~11.2倍；同样的磨损条件下本发明的耐磨性比基体材料提高了3.7~4.6倍；高温抗氧化性提高了2.9~5.1倍。

附图说明

图1为农机传动构件表面改性层的界面形貌

图2为某农机构件表面改性层的XRD谱图

图3为某农机传动构件表面改性层的磨损形貌

图4为某农机传动构件表面改性层与基体的摩擦系数。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种增强农机传动构件表面性能的方法，具体步骤如下：

步骤二、将机械破碎的粉末粒度为20μm的含有纳米金刚石颗粒的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入型号为NM-3000高能纳米球磨机内，抽真空后充入3.5MPa氮气进行球磨，设置球磨转速1300r/min，球磨时间60h，球料重量比21.5:1，球磨后的含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金粉、形状记忆合金粉、硬质合金粉的直径分别为13μm、17μm、90nm，利用有机粘结剂对细粉进行充分、完全搅拌，形成均匀的糊状膏，采用压机将糊状膏压制到厚度为1mm的复合片并剪裁为所需形状，以农机传动构件为阴极、分别将上述含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金复合片、硬质合金片、形状记忆合金片为阳极，利用电火花沉积设备，依次将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、硬质合金片、形状记忆合金片沉积在已处理过的农机传动构件表面，形成了与农机传动构件原子结合的电火花沉积层，在此，电火花沉积条件为：功率1500W，频率1300 Hz，电压80V，沉积速率1.2 min/cm²，氩气的流量为7L/min；

步骤三、将步骤二中含有三种合金片沉积层的农机传动构件放入氮气氛围的热处理炉内加热，即完成对农机传动构件表面的改性。

进一步优化，所述有机粘结剂由聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照3:1:4:1:3的重量比混合制备。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片为Ni9Co31Cr30B15Fe7Si6.5Nd1.5。

进一步优化，所述步骤二中形状记忆合金片包括为锰基合金，包括以下重量百分比的化学组分：Al 13%、Cr 2%、Ni 3%、Fe 49%、Si 5%、Zr 1%、V 0.8%、Nb 0.5%，其余为Mn。

进一步优化，所述步骤二中硬质合金片为Cr3C2+WC+Co与ZrC、TiC的混合物。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金的制备方法为：以钴铬合金为阴极，纯镍板为阳极，在高压二氧化碳流体环境，其温度为314K，压力为10.5MPa，将45g/L的尺寸为60nm的纳米金刚石颗粒悬浮在硫酸镍为主盐的电解液中，施加5A/dm2的电流密度进行电沉积，即获得含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金。

进一步优化，所述步骤三中热处理炉的炉温最高设置为1450℃，加热时间为10h，具体温度曲线为：280℃/1h + 490℃/2h + 650℃/30min +1450℃/6.5 h，取出后室温冷却。

经型号为HV1000显微硬度计、HT-600型摩擦磨损试验机、QSH-1400高温电阻炉检测表明，强化涂层的显微硬度为3963HV，是基体材料11.2倍，同样的磨损条件下基体和本发明实施例的磨损失重分别为4.74克和1.28克，耐磨性比基体材料提高了3.7倍；高温抗氧化性提高了2.9倍。

实施例2

一种增强农机传动构件表面性能的方法，具体步骤如下：

步骤一、对农机传动构件表面进行表面打磨、抛光、酒精清洗洁净化处理，备用；

步骤二、将机械破碎的粉末粒度为20μm的含有纳米金刚石颗粒的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入型号为NM-3000高能纳米球磨机内，抽真空后充入3.5MPa氮气进行球磨，设置球磨转速1375r/min，球磨时间64h，球料重量比21.5:1，球磨后的含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金粉、形状记忆合金粉、硬质合金粉的直径分别为14μm、20μm、93nm，利用有机粘结剂对细粉进行充分、完全搅拌，形成均匀的糊状膏，借助压机将糊状膏压制到2mm的复合片并剪裁为所需形状，以农机传动构件为阴极、分别将上述含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金复合片、硬质合金片、形状记忆合金片为阳极，利用电火花沉积设备，依次将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、硬质合金片、形状记忆合金片沉积在已处理过的农机传动构件表面，形成了与农机传动构件原子结合的电火花沉积层；在此，电火花沉积条件为：功率1700W，频率1550 Hz，电压110V，沉积速率1.3 min/cm²，氩气的流量为9L/min；

进一步优化，所述有机粘结剂由聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照4:2:5:1:4的重量比混合制备。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片为Ni9Co31Cr30B15Fe7Si6.5Nd1.5、NiTaNbHfZrV。

进一步优化，所述步骤二中形状记忆合金片包括为锰基合金，包括以下重量百分比的化学组分：Al 15%、Cr 6.5%、Ni 6%、Fe 46%、Si 6.5%、Zr 1.25%、V 1.0%、Nb 0.9%，其余为Mn。

进一步优化，所述步骤二中硬质合金片为Cr3C2+WC+Co与NbC的混合物。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金的制备方法为：以钴铬或钽铌合金为阴极，纯镍板为阳极，在高压二氧化碳流体环境，其温度为319K，压力为11MPa，将55g/L的尺寸为65nm的纳米金刚石颗粒悬浮在硫酸镍为主盐的电解液中，施加4.5A/dm2的电流密度进行电沉积，即获得含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金。

进一步优化所述热处理炉的炉温最高设置为1550℃，加热时间为9h，具体温度曲线为：280℃/1h + 490℃/2h + 650℃/30min +1550 ℃/5.5 h，取出后室温冷却。

经型号为HV1000显微硬度计、HT-600型摩擦磨损试验机、QSH-1400高温电阻炉检测表明，强化涂层的显微硬度为3145HV，是基体材料8.9倍；同样的磨损条件下基体和本发明实施例的磨损失重分别为5.25克和1.28克，耐磨性比基体材料提高了4.1倍；高温抗氧化性提高了3.85倍。

实施例3

一种增强农机传动构件表面性能的方法，具体步骤如下：

步骤二、将机械破碎的粉末粒度为20μm的含有纳米金刚石颗粒的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉分别置入NM-3000高能纳米球磨机内，抽真空后充入3.5MPa氮气进行球磨，设置球磨转速1450r/min，球磨时间67h，球料重量比21.5:1，球磨后的含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金粉、形状记忆合金粉、硬质合金粉的直径分别为15μm、22μm、96nm，利用有机粘结剂对细粉进行充分、完全搅拌，形成均匀的糊状膏，借助压机将糊状膏压制到3mm的复合片并剪裁为所需形状，以农机传动构件为阴极、分别将上述含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金复合片、硬质合金片、形状记忆合金片为阳极，利用电火花沉积设备，依次将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、硬质合金片、形状记忆合金片沉积在已处理过的农机传动构件表面，形成了与农机传动构件原子结合的电火花沉积层；在此，电火花沉积条件为：功率1900W，频率1800 Hz，电压140V，沉积速率1.5 min/cm²，氩气的流量为10L/min；

进一步优化，所述有机粘结剂由聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照5:3: 6: 2: 5的重量比混合制备。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片为NiAlCoCrFeTiMn和NiTaNbHfZrV。

进一步优化，所述步骤二中形状记忆合金片包括为锰基合金，包括以下重量百分比的化学组分：Al 17%、Cr11%、Ni 9%、Fe 43%、Si 8%、Zr 1.5%、V 1.2%、Nb 1.3%，其余为Mn。

进一步优化，所述步骤二中硬质合金片为Cr3C2+WC+Co与NbC、TaC的混合物。

进一步优化，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金的制备方法为：以钴铬或钽铌合金为阴极，纯镍板为阳极，在高压二氧化碳流体环境，其温度为322.6K，压力为11.5MPa，将65g/L的尺寸为72nm的纳米金刚石颗粒悬浮在硫酸镍为主盐的电解液中，施加4A/dm2的电流密度进行电沉积，即获得含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金。

进一步优化所述步骤三中热处理炉的炉温最高设置为1650℃，加热时间为8h，具体温度曲线为：280℃/1h + 490℃/2h + 650℃/30min +1650℃/4.5 h，取出后室温冷却。

经型号为HV1000显微硬度计、HT-600型摩擦磨损试验机、QSH-1400高温电阻炉检测表明，强化涂层的显微硬度为2371HV，是基体材料6.7倍；同样的磨损条件下基体和本发明实施例的磨损失重分别为5.93克和1.29克，耐磨性比基体材料提高了4.6倍；高温抗氧化性提高了5.1倍。

实施例4

选取市面上销售的试验样品1、试验样品2和试验样品3三种以及实施例1-3中的基体，其基体材料均为Q235钢的总共六种农机传动构件，分别进行纯基体和在基体表面施有本发明中制备的强化涂层后的显微硬度的测量和韧性判定，结果如表1和表2所示：

表1 某农机传动构件改性层的显微硬度平均值/HV

表2 某农机传动构件改性层的断裂韧性判据

如表1和表2所示，所述表面施用本发明制备的改性涂层后，其六种农业传动构件的显微硬度均提高了6.7倍以上，裂纹密度均在5005以下，以此可见，本发明制备的强化涂层能有效提高农业传动构件的硬度和韧性性能。

以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、工作过程、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、对农机传统构件表面进行表面打磨、抛光、酒精清洗洁净化处理，备用；

步骤二、以农机传统构件为阴极、分别将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金复合片、形状记忆合金片、硬质合金片为阳极，利用电火花沉积设备，依次将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、形状记忆合金片、硬质合金片沉积在已处理过的农机传统构件表面，形成了与农机传统构件原子结合的电火花沉积层；

2.如权利要求1所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片、形状记忆合金片、硬质合金片制备方法为：用球磨机将含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金粉、形状记忆合金粉、硬质合金粉分别研磨至直径13~15微米、17~22微米、90~96纳米的细粉，利用有机粘结剂对细粉进行充分、完全搅拌，形成均匀的糊状膏，借助压机将糊状膏压制到1~3mm的复合片并剪裁为所需形状。

3.如权利要求2所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述研磨方法如下：首先将机械破碎的粉末粒度为20μm的高熵合金粉、硬质合金粉、形状记忆合金粉，然后分别置入球磨罐内，抽真空后充入3.5MPa氮气进行球磨；设置球磨转速1300~1450转/分钟，球磨时间60~67小时；球料重量比21.5:1。

4.如权利要求2所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述有机粘剂由聚丙烯酸酯、聚丁烯、乙二醇、乙醇、丙酮按照3-5:1-3:4-6:1-2:3-5的比列混合制备。

5.如权利要求1所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金片为Ni9Co31Cr30B15Fe7Si6.5Nd1.5、NiAlCoCrFeTiMn、NiTaNbHfZrV中的一种或两种。

6.如权利要求1所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述步骤二中形状记忆合金片为锰基合金，包括以下质量百分比的化学组分：Al 13~17%、Cr2~11%、Ni 3~9、Fe 43~49、Si 5~8、Zr1~1.5、V0.8~1.2、Nb 0.5~1.3，其余为Mn。

7.如权利要求1所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述步骤二中硬质合金片为Cr₃C₂+WC+Co与ZrC、TiC、NbC、TaC中的一种或两种的混合物。

8.如权利要求1所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述步骤二中电火花沉积的条件为：功率1500~1900W，频率1300~1800 Hz，电压80~140V，沉积速率1.2~1.5 min/cm²，保护气体氩气的流量为7~10L/min。

9.如权利要求1所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述步骤二中含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金的制备方法为：以钴铬或钽铌合金为阴极，纯镍板为阳极，在高压二氧化碳流体环境，将45~65g/L的纳米金刚石颗粒悬浮在硫酸镍为主盐的电解液中，施加一定的电流密度进行电沉积，即获得含有纳米金刚石颗粒的镍基高熵合金。

10.如权利要求1所述的一种增强农机传动构件表面性能的方法，其特征在于，所述步骤三中热处理炉的炉温最高设置为比镍基高熵合金的熔化温度高至少60℃，加热时间为8~10h，具体温度曲线为：280℃/1h + 490℃/2h + 650℃/30min +（1050~1250）℃/4.5 h，取出后室温冷却。