高效打蛋破壳刀片渗硼与渗钒处理后微观组织与性能变化

摘要

刀片卷刃和刀片磨损是破壳刀片的两大失效形式,这将决定着破壳器的使用效率.其中延长破壳刀使用寿命的有效解决方式便是提高材料硬度并保持其韧性.为此,该研究采用渗硼和TD渗钒2种工艺对2Cr13不锈钢破壳刀进行处理,以提高刀片的耐磨性,并对处理后的组织结构、机械性能以及摩擦性能进行研究.采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和X射线能谱分析(Energy Dispersive Spectrum,EDS)从截面到涂层的厚度、组织和化学成分进行分析,利用X射线衍射仪(X-ray Diffraction,XRD)从表面对材料的晶体结构进行分析.结果表明,在2Cr13不锈钢破壳刀表面成功实现渗B与渗V处理,并有较好的附着性.处理后涂层厚度分别为14.8与5.2μm,渗钒涂层较薄是由于大原子半径使得扩散迟缓,其中渗B涂层原子百分含量为30％,而渗V涂层含量为12.3％.根据XRD,渗B涂层主要由FeB、Fe2B、Fe3B组成,而渗V层主要由VCx组成,这些硼化物和碳化物是通过扩散与内部原子反应生成的.采用0.49 N载荷对涂层和基体硬度进行测量发现渗B层和渗V层的硬度分别为1554和1037 HV,因此硼化物和碳化物的高硬度使得硬度相对未处理前提升了2～3倍,其中VCx导致渗V层硬度相对较低.为进一步探究机械性能,采用纳米压痕试验对刀片纳米硬度、弹性恢复系数(We)和能量耗散系数(Kd)进行测量,结果发现纳米硬度和显微硬度值接近,渗B层的弹性恢复能力较渗V层强,但是渗V层表现出更好的塑性变形能力.摩擦试验表明渗V层摩擦系数为0.5,相对渗B层的0.68更低,但是在非冲击载荷下渗B层因为硬度高将具有更好的耐磨性.综合厚度和机械性能考虑,渗V层良好的塑性变形能力将在抗刀头卷刃上更有优势,而渗B层因为较高硬度则在稳定负载下具有更好的耐磨性.