CN115747602B - 一种高耐磨耕种机械触土刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高耐磨工作层的农机触土刀具及其增材制造方法。本发明中入土刀具由两种材料组成，刀体非工作层为合金钢，刀刃工作层为金刚石复合材料。制备方法为：将合金钢粉末与混合均匀的金刚石复合材料粉末置入激光粉床熔融设备，采用多材料铺/送粉方法分别在同层上分别成形刀刃和刀体，再逐层叠加，最终获得一体化成形的异质材料入土部件。本发明所设计和制备的农机触土刀具，刀刃为高硬高耐磨金刚石复合材料，较传统方法采用喷涂、熔覆、堆焊等在刀刃处沉积耐磨涂层的技术方法，既实现了部件的近净成形，大幅节约成本，同时避免了涂层在入土作业过程中易出现的磨耗、剥落、钝化，提高了触土部件自锐性及其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械领域，具体是一种高耐磨耕种机械触土刀具及其增材制造一体化成形制备方法。
背景技术
耕种机械是影响我国18亿亩耕地耕种作业质量与效益的关键机械装备，其配套的触土部件是为农作物播种和生长构建良好土壤环境的易损关键零部件，其性能直接影响耕种机械整机质量及其作业效果、效率、功耗等，从而影响耕种机械化程度和水平、粮食产量、农业生产碳排放等。触土部件在作业过程中频繁承受来自土壤、沙砾、硬石、植物根茎的摩擦、冲击、挤压等复杂作用，常因磨损快、钝化、崩刃等问题而失效，导致无法满足作业要求。据统计，我国每年因农机入土部件失效造成的钢材损耗高达200多万吨，经济损失多达150亿元。
目前，典型农机触土部件，如圆盘切刀、犁铧、耙齿等，其提高耐磨性的最有效的方法是采用表面涂层技术，通过激光熔覆、热喷涂、堆焊等工艺将耐磨材料镀覆在触土刀具的刀刃处，从而形成高硬、耐磨的工作层。如中国专利CN113832464A：一种改善旋耕刀表面强度和耐磨性的处理工艺方法，CN112159938B：一种高耐磨性的田间触土农具的制备方法，分别采用喷涂和熔覆的涂层技术获得了表面强化的触土部件。但是表面涂层技术在改善触土部件耐磨性的同时，也存在一些不可避免的问题。(一)由于涂层有一定厚度限制，在入土作业过程中涂层会不断磨耗而导致基体露出，尤其在硬质土壤作业过程中涂层的失效情况更为严重。(二)由于基体与涂层异质材料间存在一定的不相容性，涂层在作业过程中也会出现剥落、崩刃的问题。(三)表面镀覆过程为二次加工，增加了工艺复杂性和制造成本，不适用于附加值较低的农业部件。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种高耐磨耕种机械触土刀具及其制备方法，该类触土刀具刀刃部位均为超硬高耐磨金刚石复合材料，同时采用多材料增材制造技术一次性成形，克服了传统涂层技术带来的涂层磨耗、脱落，并简化了制备工艺，降低了成本。具体技术方案如下：
本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，所述触土刀具部件由刀刃和刀体组成，刀刃为金刚石复合材料，刀体为合金钢；所述刀刃刃宽为50mm-200mm；所述刀具通过多材料增材制造一体化成形。
作为优选，所述合金钢选自65Mn合金钢、60Si2Mn、Q275、316L不锈钢、35钢中的至少一种。
本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，所述刀刃中结合剂为多主元合金，成分为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为11at％-15at％；金刚石体积比6.25％～25％，金刚石颗粒平均粒径为40～70μm。
作为优选，本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，刀刃中金刚石体积比12.5％～25％。
本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，所述刀具中刀刃硬度为58-69HRC，冲击韧性为1.5-3J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为0.71-1.87mg。经优化后，所述刀具中刀刃硬度为61-69HRC，冲击韧性为1.8-3J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为0.71-1.45mg。
本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件的准备方法，包括下述步骤：
步骤1，混料
按金刚石复合材料的成分配比，将多主元合金结合剂预合金粉末与金刚石颗粒在三维混料机中混合均匀；
步骤2，刀具成形
(1)将触土刀具中的刀体模型和刀刃模型输入激光粉床熔融设备，并将金刚石复合材料粉末与合金钢粉末分别置入放入送粉器和铺粉缸中，将成形室抽真空，然后通入流动氩气，氩气流量为1.2～1.5L/min；
(2)采用铺粉方法将合金钢粉末铺展，铺粉厚度100-150μm，调用刀体模型后激光扫描成形单层刀体；单层合金钢刀体成形时，控制激光能量密度54.2-127.0J/mm3；
(3)采用吸粉器将单层刀体成形层的刀刃侧未熔粉末吸除，采用送粉器将金刚石复合材料粉末送至刀刃部位，送粉层厚150-250μm，调用刀刃模型后激光扫描成形单层刀刃；单层刀刃成形激光能量密度84.7-175.6J/mm3；
两个模型界面处重叠搭接0.6mm-1.5mm；成形时，搭接处激光能量密度84.7-175.6J/mm3；
(4)通过以上过程，完成触土刀具部件单层的成形；循环(2)-(3)过程，多层叠加最终成形触土刀具部件。
本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件的准备方法，两个模型界面处重叠搭接0.5mm-1.5mm。两个模型界面处重叠搭接距离过小或者不重叠会导致界面处出现孔隙、未熔合等缺陷；重叠搭接距离过大会导致过度重熔产生热裂纹。
当刀体为316L不锈钢，刀刃为金刚石复合材料。复合材料由以下成分组成：金属结合剂为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为15at％；金刚石体积比25％，金刚石颗粒平均粒径为70μm；在打印刀刃时，在参数范围内选择较小的能量密度(如142-145J/mm3)，选择两个模型界面处重叠搭接的量控制在0.95-1.05mm时，可以提升产品的韧性。如果为了提升产品的耐磨性，在打印刀刃时，在参数范围内选择较大的能量密度(如175-176J/mm3)，选择两个模型界面处重叠搭接的量控制在1.45-1.5mm时，可以提升产品的耐磨性。
在工业上应用时，步骤1中，混料时，按金刚石复合材料的成分配比，将多主元合金结合剂预合金粉末与金刚石颗粒在三维慢速混料机中混合4小时，混合均匀后的金刚石复合材料粉末与合金钢粉末在恒温干燥箱中120℃烘干6小时；得到备用料。
在工业上应用时，步骤2中，刀具成形时，将触土刀具中的刀体模型和刀刃模型输入激光粉床熔融设备，并将金刚石复合材料粉末与合金钢粉末分别置入放入送粉器和铺粉缸中，将成形室抽至真空度0.09MPa后通入流动氩气，氩气流量为1.5L/min。
本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件的准备方法，合金钢刀体成形工艺参数为激光功率200-300W，扫描速度800-1000mm/s。
在工业上应用时，当刀体的材质为65Mn合金钢时，成形参数为激光功率200～250W，扫描速度900-1000mm/s，激光能量密度为54.2J/mm3～87.5J/mm3。
在工业上应用时，当刀体的材质为316L不锈钢时，成形参数为激光功率280～300W，扫描速度800～850mm/s，激光能量密度为100J/mm3～110J/mm3。铺粉厚度为120～150μm。
作为优选，本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件的准备方法，复合材料成形工艺参数为激光功率250～350W，扫描速度600～800mm/s。
作为优选，本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具部件的准备方法，成形复合材料刀刃激光能量密度为成形合金钢刀体激光能量密度的1.3-1.6倍。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明提出的采用多材料增材制造方法制备的农业耕种机械触土刀具，与现有采用表面涂层技术获得的刀刃表面厚度仅为微米级的涂层相比，其刀刃处全部由超硬高耐磨的金刚石复合材料构成，不存在涂层磨耗的问题；且在入土作业过程中，刀刃中的金刚石颗粒会逐渐出刃，产生自锐现象，进一步提高刀具使用性能。
(2)与现有涂层技术中涂层与基体异质材料易发生的界面结合失效的问题，本发明采用激光粉床熔融增材制造方法，在粉末态对刀体和刀刃所采用的两种材料进行熔融，在选择适当的功率、速度和界面重叠量的基础上不仅可以保证了刀刃和刀体间的强冶金结合还能避免热裂纹的产生，这为得到优质的产物提供了必要条件。
(3)传统涂层技术需要在已成形的刀具上进行镀覆，属于二次加工，同时需要对预镀覆表面进行除油、除锈、抛光等前处理，增加了工艺的复杂性和制造成本，本发明采用多材料增材制造技术一次性成形触土刀具，具有结构-功能一体化的显著优势。
(4)本发明在材料和工艺的配合下，所得产品的性能远远优于同类产品。
附图说明
附图1为触土刀具犁铧的结构示意图；
附图2为触土刀具犁齿的结构示意图；
附图3为触土刀具圆盘切刀的结构示意图.
图中1为刀刃；2为刀体。
具体实施方式
本发明一种高耐磨耕种机械触土刀具及其制备方法，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步介绍和说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
一种触土刀具犁铧，刀体为65Mn合金钢，刀刃为金刚石复合材料。复合材料由以下成分组成：金属结合剂为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为11at％；金刚石体积比12.5％，金刚石颗粒平均粒径为40μm。
将金刚石粉末和CoCrNiFe-Alx粉末在三维慢速混料机中混合4小时获得复合材料混合粉末，与65Mn预合金粉末放入恒温干燥箱中120℃烘干6小时。
上述触土刀具犁铧的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将犁铧中的刀体模型和刀刃模型输入激光粉床熔融设备，并将金刚石复合材料粉末与合金钢粉末分别置入放入送粉器和铺粉缸中，将成形室抽至真空度0.09MPa后通入流动氩气，氩气流量为1.5L/min。
步骤二，采用铺粉方法将合金钢粉末铺展，铺粉厚度100μm，调用刀体模型后激光扫描成形单层刀体，成形参数为激光功率200W，扫描速度1000mm/s，激光能量密度为54.2J/mm3。
步骤三，采用吸粉器将单层刀体成形层的刀刃侧未熔合金钢粉末吸除，采用送粉器将金刚石复合材料粉末送至刀刃部位，送粉层厚150μm，调用刀刃模型后激光扫描成形单层刀刃，两个模型界面处重叠搭接0.6mm，成形参数为激光功率250W，扫描速度800mm/s，激光能量密度为84.7J/mm3，为刀体成形能量密度的1.5倍左右。
步骤四，循环步骤三、四，最终成形触土刀具犁铧，刀刃刃宽70mm。
所述犁铧中刀刃硬度为61HRC，冲击韧性为2.3J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为1.45mg。
实施例2
一种触土刀具破茬刀，刀体为65Mn钢，刀刃为金刚石复合材料。复合材料由以下成分组成：金属结合剂为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为13at％；金刚石体积比6.25％，金刚石颗粒平均粒径为50μm。
将金刚石粉末和CoCrNiFe-Alx粉末在三维慢速混料机中混合4小时获得复合材料混合粉末，与65Mn预合金粉末放入恒温干燥箱中120℃烘干6小时。
上述触土刀具破茬刀的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将破茬刀中的刀体模型和刀刃模型输入激光粉床熔融设备，并将金刚石复合材料粉末与合金钢粉末分别置入放入送粉器和铺粉缸中，将成形室抽至真空度0.09MPa后通入流动氩气，氩气流量为1.5L/min。
步骤二，采用铺粉方法将合金钢粉末铺展，铺粉厚度120μm，调用刀体模型后激光扫描成形单层刀体，成形参数为激光功率250W，扫描速度900mm/s，激光能量密度为87.5J/mm3。
步骤三，采用吸粉器将单层刀体成形层的刀刃侧未熔合金钢粉末吸除，采用送粉器将金刚石复合材料粉末送至刀刃部位，送粉层厚200μm，调用刀刃模型后激光扫描成形单层刀刃，两个模型界面处重叠搭接0.75mm，成形参数为激光功率300W，扫描速度700mm/s，激光能量密度为112.9J/mm3，为刀体成形能量密度的1.3倍左右。
步骤四，循环步骤三、四，最终成形触土刀具破茬刀，刀刃刃宽50mm。
所述破茬刀中刀刃硬度为58HRC，冲击韧性为3J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为1.87mg。
实施例3
一种触土刀具犁齿，刀体为316L不锈钢，刀刃为金刚石复合材料。复合材料由以下成分组成：金属结合剂为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为15at％；金刚石体积比25％，金刚石颗粒平均粒径为70μm。
将金刚石粉末和CoCrNiFe-Alx粉末在三维慢速混料机中混合4小时获得复合材料混合粉末，与316L不锈钢预合金粉末放入恒温干燥箱中120℃烘干6小时。
上述触土刀具犁齿的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将犁齿中的齿体模型和齿尖模型输入激光粉床熔融设备，并将金刚石复合材料粉末与不锈钢粉末分别置入放入送粉器和铺粉缸中，将成形室抽至真空度0.09MPa后通入流动氩气，氩气流量为1.5L/min。
步骤二，采用铺粉方法将不锈钢粉末铺展，铺粉厚度120μm，调用齿体模型后激光扫描成形单层齿体，成形参数为激光功率300W，扫描速度800mm/s，激光能量密度为101.5J/mm3。
步骤三，采用吸粉器将单层刀体成形层的齿尖侧未熔不锈钢粉末吸除，采用送粉器将金刚石复合材料粉末送至齿尖部位，送粉层厚250μm，调用齿尖模型后激光扫描成形单层齿尖，两个模型界面处重叠搭接1.00mm，成形参数为激光功率300W，扫描速度600mm/s，激光能量密度为143.8J/mm3，为齿体成形能量密度的1.4倍左右。
步骤四，循环步骤三、四，最终成形触土刀具犁齿，齿尖刃宽200mm。
所述犁齿中齿尖硬度为65HRC，冲击韧性为1.8J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为0.89mg。
实施例4
一种触土刀具犁铧，刀体为316L不锈钢，刀刃为金刚石复合材料。复合材料由以下成分组成：金属结合剂为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为15at％；金刚石体积比25％，金刚石颗粒平均粒径为70μm。
将金刚石粉末和CoCrNiFe-Alx粉末在三维慢速混料机中混合4小时获得复合材料混合粉末，与316L不锈钢预合金粉末放入恒温干燥箱中120℃烘干6小时。
上述触土刀具犁铧的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将犁铧中的刀体模型和刀刃模型输入激光粉床熔融设备，并将金刚石复合材料粉末与不锈钢粉末分别置入放入送粉器和铺粉缸中，将成形室抽至真空度0.09MPa后通入流动氩气，氩气流量为1.5L/min。
步骤二，采用铺粉方法将不锈钢粉末铺展，铺粉厚度150μm，调用刀体模型后激光扫描成形单层刀体，成形参数为激光功率300W，扫描速度850mm/s，激光能量密度为109.7J/mm3。
步骤三，采用吸粉器将单层刀体成形层的刀体侧未熔不锈钢粉末吸除，采用送粉器将金刚石复合材料粉末送至刀刃部位，送粉层厚230μm，调用刀刃模型后激光扫描成形单层刀刃，两个模型界面处重叠搭接1.5mm，成形参数为激光功率350W，扫描速度600mm/s，激光能量密度为175.6J/mm3，为刀体成形能量密度的1.6倍左右。
步骤四，循环步骤三、四，最终成形触土刀具犁铧，刀刃刃宽100mm。
所述犁铧中刀刃硬度为69HRC，冲击韧性为1.5J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为0.71mg。
对比例1
其他条件和实施例1一致，不同之处在于：犁铧中刀体和刀刃均采用65Mn合金钢；所得犁铧中刀刃硬度为32HRC，冲击韧性为58J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为3.46mg。
对比例2
其他条件和实施例4一致，不同之处在于：两个模型界面处重叠搭接0.1mm；刀体/刀刃界面处出现未熔合孔隙，宽度约8～20μm，未形成冶金结合。
对比例3
其他条件和实施例4一致，不同之处在于：两个模型界面处重叠搭接2.5mm；刀体/刀刃界面处出现多条长度为60～100μm的热裂纹。
对比例4
其他条件和实施例4一致，不同之处在于：步骤三中，成形参数为激光功率400W，扫描速度250mm/s，激光能量密度为246.5J/mm3，过高能量密度使金刚石磨粒分解，未在刀刃中观察到金刚石磨粒。所得犁铧中刀刃硬度为45HRC，冲击韧性为0.98J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为2.14mg。
除上述尝试外，探索时，还尝试了将金刚石体积比提升至30％的尝试，其成本明显增加，而且冲击韧性下降。
Claims (5)
1.一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，其特征在于：所述触土刀具部件由刀刃和刀体组成，刀刃为金刚石复合材料，刀体为合金钢；所述刀刃刃宽为50mm-200mm；所述刀具通过多材料增材制造一体化成形； 所述刀刃中结合剂为多主元合金，成分为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为11at%-15at%；金刚石颗粒平均粒径为40~70μm；刀刃中金刚石体积百分比为12.5%~25%；
所述的触土刀具，其制备方法包括下述步骤：
步骤1，混料
按金刚石复合材料的成分配比，将多主元合金结合剂预合金粉末与金刚石颗粒在三维混料机中混合均匀；
步骤2，刀具成形
（1）将触土刀具中的刀体模型和刀刃模型输入激光粉床熔融设备，并将金刚石复合材料粉末与合金钢粉末分别置入放入送粉器和铺粉缸中，将成形室抽真空，然后通入流动保护气体，保护气体流量为1.2~1.5L/min；
（2）采用铺粉方法将合金钢粉末铺展，铺粉厚度100-150μm，调用刀体模型后激光扫描成形单层刀体；单层合金钢刀体成形时，控制激光能量密度54.2-127.0 J/mm3；
（3）采用吸粉器将单层刀体成形层的刀刃侧未熔粉末吸除，采用送粉器将金刚石复合材料粉末送至刀刃部位，送粉层厚150-250μm，调用刀刃模型后激光扫描成形单层刀刃；单层刀刃成形激光能量密度84.7-175.6 J/mm3；复合材料刀刃成形工艺参数为，激光功率250-350W，扫描速度600-800mm/s； 两个模型界面处重叠搭接0.6mm-1.5mm；成形时，搭接处激光能量密度84.7-175.6 J/mm3；
（4）通过以上过程，完成触土刀具部件单层的成形；循环（2）-（3）过程，多层叠加最终成形触土刀具部件。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，其特征在于：所述刀具中刀刃硬度为58-69HRC，冲击韧性为1.5-3 J/cm2，Si3N4对偶摩擦载荷50N、时间20min时，摩擦质量损失为0.71-1.87mg。
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，其特征在于：当刀体为316L不锈钢，刀刃为金刚石复合材料；复合材料由以下成分组成：金属结合剂为CoCrNiFe-Alx，其中Co、Cr、Ni、Fe为等原子比，Al元素含量为15at%；金刚石体积百分比为25%，金刚石颗粒平均粒径为70μm；在打印刀刃时，激光能量密度为142-145J/mm3、两个模型界面处重叠搭接的量控制在0.95-1.05mm；或在打印刀刃时，激光能量密度为175-176J/mm3、两个模型界面处重叠搭接的量控制在1.45-1. 5mm。
4.根据权利要求1所述的一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，其特征在于：合金钢刀体成形工艺参数为，激光功率200-300W，扫描速度800-1000mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种高耐磨耕种机械触土刀具部件，其特征在于：成形复合材料刀刃激光能量密度为成形合金钢刀体激光能量密度的1.3-1.6倍。
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