旋耕刀Fe/WC/CeO₂等离子堆焊层制备及其组织性能的学习体会

农业触土部件的失效分析与技术需求

本文发表于《农业工程学报》2021年第37卷第24期，由国家重点研发计划资助。旋耕刀作为农业机械中最常用的触土部件之一，在耕作过程中同时承受土壤磨粒磨损、冲击载荷和化学腐蚀的综合作用。传统65Mn弹簧钢旋耕刀虽然成本低廉，但耐磨性和冲击韧性不足，使用寿命短、更换频繁，严重影响农机作业效率。

本文采用等离子堆焊技术在Q235钢基材上制备Fe/WC/CeO₂金属陶瓷复合涂层，通过正交试验优化了堆焊工艺参数，并系统研究了CeO₂添加对涂层组织和性能的影响。这一研究方向对于提升农机零部件的使用寿命和作业可靠性具有重要的工程意义。

正交试验与工艺参数优化

本文以堆焊电流、堆焊速度、送粉速率、堆焊距离为试验因素，以磨损量为评价指标，通过正交试验优化了工艺参数。最优工艺参数为：堆焊电流50 A，堆焊距离5 mm，堆焊速度15 cm/min，送粉速率25 g/min。

等离子弧堆焊的热输入相对较低，熔深较浅，稀释率通常控制在5%～15%之间。较低的稀释率有利于保持堆焊层的合金成分和硬度，这对于金属陶瓷复合涂层的制备尤为重要。堆焊距离5 mm是一个关键参数，距离过近则粉末利用率低、飞溅大，距离过远则粉末熔合不良、涂层致密度下降。

CeO₂的作用机理与性能提升

本文最突出的贡献在于揭示了CeO₂添加对Fe/WC堆焊层的改性作用。与纯Fe/WC堆焊层相比，Fe/WC/CeO₂堆焊层平均显微硬度提高22%，冲击韧性提高29%。这一性能提升的机理可以从以下几个方面理解：

CeO₂作为稀土氧化物，在等离子弧的高温作用下部分溶解于熔池中，通过以下途径改善堆焊层性能：第一，CeO₂的加入细化了熔池中的碳化物颗粒，使WC和M₇C₃等硬质相的分布更加均匀，避免了大颗粒碳化物的聚集；第二，Ce元素具有净化晶界的作用，能够降低晶界能，抑制晶界处脆性相的析出，从而提高冲击韧性；第三，CeO₂的加入改善了熔池的流动性和润湿性，减少了气孔和裂纹等缺陷，提高了涂层的致密度。

堆焊层的物相组成包括γ-Fe、Fe-Cr-Ni固溶体、WC、M₇C₃、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、W₂C等，形成了多相复合强化体系。WC作为硬质相提供主要的耐磨贡献，M₇C₃和Cr₇C₃等过渡金属碳化物则起到弥散强化和阻碍位错运动的作用，γ-Fe基体则提供塑性和韧性。

耐磨性能的多维度验证

本文采用了三种不同层级的耐磨性能验证方法：实验室摩擦磨损试验、土槽试验和田间试验，形成了从微观到宏观的完整评价体系。

与65Mn旋耕刀相比，Fe/WC/CeO₂堆焊层旋耕刀的磨损量在土槽试验中降低71%，田间试验中降低65%。与Fe/WC堆焊层旋耕刀相比，磨损量在土槽试验中降低17%，田间试验中降低15%。这一结果表明，CeO₂的添加在实验室和实际工况下均能带来显著的耐磨性能提升，且提升幅度在两种试验条件下较为一致，说明CeO₂的改性效果具有良好的工况适应性。

工程应用前景与个人思考

从工程应用角度，本文的研究成果对农机零部件的表面强化具有重要的推广价值。旋耕刀之外，犁铧、深松铲、耙齿等农业触土部件同样面临严重的磨粒磨损问题，Fe/WC/CeO₂等离子堆焊技术可以推广应用于这些部件的表面强化。

我的思考是：第一，等离子堆焊的层厚通常较薄（0.5～2 mm），对于磨损量较大的零部件，可能需要多层堆焊或与其他强化工艺联合使用；第二，CeO₂的添加量需要优化，过量添加可能导致Ce₂O₃等不稳定相的形成，反而降低性能；第三，堆焊层的耐蚀性也有提升，这对于在酸性土壤或潮湿环境中作业的农机部件尤为重要。

总体而言，本文通过系统的正交试验和微观分析，揭示了CeO₂对Fe/WC堆焊层的改性机理，为农业触土部件的表面强化提供了可靠的技术方案，其研究成果具有广泛的推广应用前景。