【摘 要】
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随着我国林业产业的飞速发展,对林场抚育、采伐等作业的林业机械设备使用数量正在逐年增加,其中就有林业联合采伐机,由于具有采伐树木、造材、归楞和装车等功能,所以该采伐机被广泛应用于各大国内外林场,提高林木的生产率。但在林区作业时,采伐机在恶劣的环境中工作,其关节轴表面常会出现微裂纹、掉块和表面磨损等破坏形式,这严重影响了机械设备的正常使用寿命和安全特性,所以为了满足关节轴部件在恶劣环境下对耐磨性、润滑
【基金项目】
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国家自然科学基金（No 52075559）； 湖南省研究生科技创新项目（CX20210864）；
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随着我国林业产业的飞速发展,对林场抚育、采伐等作业的林业机械设备使用数量正在逐年增加,其中就有林业联合采伐机,由于具有采伐树木、造材、归楞和装车等功能,所以该采伐机被广泛应用于各大国内外林场,提高林木的生产率。但在林区作业时,采伐机在恶劣的环境中工作,其关节轴表面常会出现微裂纹、掉块和表面磨损等破坏形式,这严重影响了机械设备的正常使用寿命和安全特性,所以为了满足关节轴部件在恶劣环境下对耐磨性、润滑性和耐热性等的需求,提出采用激光表面改性技术对关节轴表面的硬度、耐磨性和减摩性进行强化。本文以Ni60和Cu合金粉末为原料,在关节轴（45钢）表面成功制备了 Ni60（N1）、Ni60-5%Cu（N2）和 Ni60-10%Cu（N3）（wt.%）三种不同粉末配比的耐磨自润滑涂层。先对三种Ni60-Cu复合涂层进行硬度测试以及不同温度下的干摩擦实验,并借助XRD、SEM和EDS等表征方法来系统的分析复合涂层的物相与形貌,研究其磨损和强化机理,最后采用ANSYS软件对熔池的温度云图和应力云图进行了模拟与分析,实现了对涂层表面成型形貌和与基体的结合情况的预测。结果表明:三种涂层的宏观形貌较好,表面未出现明显的裂纹等缺陷,主要物相为固溶体:γ-Ni,硬质相:Cr7C3,Fe3C和FeNi3,固体润滑相:Cu和CuNi。三种涂层的显微硬度分别为:789.6 HV0.5、745.8 HV0.5和726.2 HV0.5,涂层整体比45钢基体（302.5 HV0.5）的硬度有大大的提升,其中最高提升了 2.6倍,主要是涂层中的硬质相形成了第二相强化,但随着软金属Cu含量的增加,硬度会出现一个下降的趋势。在室温下,三种Ni60-Cu复合涂层和45钢基体的摩擦系数分别为:0.47、0.44、0.46 和 0.72;磨损率分别为:2.75×10-8,2.34×10-8,8.58×10-8 和 26.62×10-8 mm3/Nm。复合涂层的摩擦系数和磨损率在室温下均远远低于45钢基体,这是由于在硬质相、润滑相和少量氧化物的协同作用下,其耐磨自润滑性能得到大大的提升,磨损机理主要为塑性变形、分层和磨粒磨损,其中N2涂层的摩擦学性能最优。在600℃下,Ni60-Cu复合涂层和45钢基体的摩擦系数分别为:0.29、0.26、0.36 和 0.58;磨损率分别为:12.45×10-8,8.63×10-8,32.53×10-8和 51.78×10-8mm3/Nm。三种涂层的摩擦学性能均比基体优异,这是因为涂层表面润滑膜与连续的氧化层在Si3N4球体和涂层的接触面之间形成了多层膜状滑动摩擦,大大减少了在高温下的磨损和降低了摩擦因数,其中Ni60-5%Cu（N2）涂层的耐磨减摩性能最为突出,在高温下的磨损机理主要为塑性变形、磨粒磨损和氧化磨损。通过ANSYS有限元分析涂层不同功率下的温度云图和应力云图变化,推测出功率为800 W时是实验的最佳功率参数,其与实际实验参数相互符合,并且发现涂层和基体能形成良好的冶金结合,以及涂层形成应力分布的大小未超过强度,内部不会出现裂纹,涂层的质量最佳。综上所述,采用Ni60-5%Cu复合涂层熔覆在关节轴表面能有效提高其耐磨性,同时赋予45钢新的自润滑属性,当关节轴与机臂套筒之间发生摩擦时,无论在室温还是在高温下,都能大大的减少轴表面的损耗,提高其使用寿命,并为在林业联合采伐机的实际应用中提供了理论基础。
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