國產(chǎn)和西班牙產(chǎn)破茬刀摩擦磨損性能對比研究

王宏立

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

國產(chǎn)和西班牙產(chǎn)破茬刀摩擦磨損性能對比研究

王宏立

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

以國產(chǎn)和西班牙產(chǎn)破茬刀為研究對象，采用試驗(yàn)方法對比考察了兩種破茬刀的化學(xué)成分、微觀組織和硬度，并利用球-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對其摩擦磨損性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：兩種破茬刀成分相近，西班牙刀材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)硼鋼，韌性好，國產(chǎn)刀材質(zhì)為中碳優(yōu)質(zhì)錳鋼。西班牙刀顯微組織為針狀馬氏體，組織更加細(xì)密，洛氏硬度值為50 HRC，是國產(chǎn)刀的1.1倍。在干摩擦條件下，西班牙刀表面摩擦系數(shù)較小，為0.48～0.52；相同條件下，國產(chǎn)刀表面的磨損量是西班牙刀的2.5倍，西班牙刀具有更好的耐磨性。兩種破茬刀的磨損機(jī)制均為磨粒磨損。

破茬刀；材質(zhì)；摩擦磨損；磨損機(jī)制

免耕播種是保護(hù)性耕作的重要環(huán)節(jié)，免耕播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)的關(guān)鍵機(jī)具［1］。免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)，破茬刀要在未翻耕地上直接切斷秸稈、根茬，需要其具有良好的入土切斷性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者對破茬刀的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，取得了較好的破茬效果［2-7］。破茬刀為易磨損件，工作環(huán)境較為惡劣，消耗量大，除了保證良好的切茬性能外，還要求有良好的耐磨性能和工作壽命。播種時(shí)破茬刀的失效，會(huì)增加停機(jī)換刀維修時(shí)間，耽誤農(nóng)時(shí)，影響農(nóng)機(jī)工作效率。另一方面，良好的耐磨性能，可減少農(nóng)機(jī)配件的更換數(shù)量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。目前，國內(nèi)學(xué)者對農(nóng)機(jī)觸土部件耐磨性進(jìn)行了相關(guān)研究，徐國義等研制了鑄態(tài)貝氏體鋼耙片，其相對耐磨系數(shù)為1.29，耐磨性能明顯優(yōu)于65Mn鋼耙片［8］。郝建軍等在中碳鋼板上熔覆上Ni基涂層，制成犁鏵，其耐磨性增加，壽命提高近3倍［9］。張旭等在滅茬刀上噴焊Fe6涂層，使其硬度、耐磨性顯著提高，使用壽命有效延長［10］。蘇彬彬等對國產(chǎn)犁鏵、開溝圓盤、旋耕刀的材質(zhì)及熱處理工藝進(jìn)行了研究，其耐磨性普遍較差，使用壽命較短［11］。對破茬刀材質(zhì)及耐磨性能的研究，少見報(bào)道。通過試驗(yàn)方法，對比考察了國產(chǎn)和西班牙產(chǎn)破茬刀的化學(xué)成分、組織形貌及硬度，并重點(diǎn)研究了其摩擦磨損性能，以期找到國產(chǎn)刀與進(jìn)口刀的性能差距，確定適宜的加工工藝，提高國產(chǎn)刀的工作壽命，為農(nóng)機(jī)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)革新提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

國產(chǎn)破茬刀（黑龍江融拓北方機(jī)械制造有限公司）和西班牙產(chǎn)破茬刀（西班牙BELLOTA農(nóng)機(jī)具有限公司）。

圖1 國產(chǎn)和西班牙產(chǎn)破茬刀Fig.1Chinese and Spanish disc coulters

1.2 主要儀器設(shè)備

GWS10-125角磨機(jī)，ZX6350D鉆銑床，DK7725A數(shù)控電火花線切割機(jī)床，HR-150A型洛氏硬度計(jì)，蔡司光學(xué)金相顯微鏡，POD-1球盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，AL204電子天平，S-3500N掃描電子顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)方法

用角磨機(jī)分別打磨兩種破茬刀局部表面，去除表層漆皮。將破茬刀固定在鉆銑床上，用Φ3 mm麻花鉆分別在去除漆皮表面鉆孔，收集細(xì)碎的金屬切屑，按照GB/T4354-2008標(biāo)準(zhǔn)分析其化學(xué)成分含量。

用數(shù)控電火花線切割機(jī)床分別在兩種破茬刀邊緣平整處各割下3塊20 mm×20 mm見方金屬，砂紙打磨去掉表面漆層，用丙酮和無水乙醇清洗表面，以去除雜質(zhì)及油污，吹干待用。試樣分成3組，每組兩種破茬刀試塊各一。

第一組試樣在洛氏硬度計(jì)上測試硬度，每個(gè)試塊測量3點(diǎn)，取其平均值作為最終硬度值。第二組試樣制成金相顯微試塊，打磨拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡下觀察顯微組織。第三組試樣在球-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)在室溫、干摩擦條件下進(jìn)行。加載荷10 N，球摩擦副為GCr15鋼球，試驗(yàn)時(shí)間60 min。摩擦系數(shù)由計(jì)算機(jī)自帶軟件測得。摩擦磨損試驗(yàn)前后，分別使用電子天平稱量試塊質(zhì)量，計(jì)算磨損損失重量。然后用掃描電鏡對試件表面磨損形貌進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

表1為兩種破茬刀化學(xué)成分分析結(jié)果，從表中可以看出：兩種破茬刀成分相近，含量不同。主要化學(xué)元素為C、Mn、Si、Cr，還含有少量Ni、Al、B、Cu，雜質(zhì)元素P、S含量更少（≤0.035）。西班牙產(chǎn)破茬刀為優(yōu)質(zhì)硼鋼，牌號：28MnB5，B元素含量適中，可顯著提高破茬刀的韌性，使用過程中不易崩刃。國產(chǎn)破茬刀屬中碳優(yōu)質(zhì)錳鋼，牌號：35Mn，含Cr量低，淬透性差，硬質(zhì)相少，硬度和耐磨性相對較差。國產(chǎn)刀含C、B量略高，脆性大，韌性不及西班牙貝洛塔刀。

表1 破茬刀化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1Chemical composition of disc coulter（mass fraction%）

2.2 金相顯微組織

圖2、圖3為兩種破茬刀金相顯微組織照片，可以看出：西班牙破茬刀顯微組織中含有黑色針狀的馬氏體，馬氏體數(shù)量多且較均勻，因此硬度高。熱處理工藝應(yīng)是淬火后再進(jìn)行低溫回火，得到較多的回火馬氏體。低溫回火降低了殘余應(yīng)力和脆性，硬度、強(qiáng)度、耐磨性均較好，回火進(jìn)一步提高了韌性，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。國產(chǎn)刀為組織為回火托氏體，白色為鐵素體，黑色為滲碳體，淬火后進(jìn)行中溫回火，硬度稍差。

圖2 西班牙刀顯微組織（×500）Fig.2Microstructure of the Spainish disc coulter

圖3 國產(chǎn)刀顯微組織（×500）Fig.3Microstructure of the Chinese disc coulter

2.3 硬度分析

表2為兩種破茬刀硬度測試結(jié)果，可以看出：同一破茬刀3次測量硬度值差異不大，組織成分較均勻。西班牙破茬刀硬度高，洛氏硬度值為50 HRC，是國產(chǎn)破茬刀硬度的1.1倍，因此耐磨性能好，使用時(shí)壽命長。硬度差別主要是其成分、顯微組織不同所致。

表2 破茬刀洛氏硬度測量結(jié)果（HRC）Table 2Rockwell hardness measurement results of the disc coulter（HRC）

2.4 摩擦磨損性能

2.4.1 摩擦性能

圖4為兩種破茬刀試樣表面摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，兩種破茬刀摩擦曲線變化規(guī)律相同。在試驗(yàn)開始時(shí)，試樣表面有微觀凸點(diǎn)，接觸面積小，摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。試驗(yàn)進(jìn)行500 s后，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)波動(dòng)較小。兩條曲線對比可見，穩(wěn)定階段，國產(chǎn)破茬刀摩擦系數(shù)稍大，在0.50～ 0.57之間，西班牙破茬刀摩擦系數(shù)較小，在0.48～0.52之間，比國產(chǎn)刀摩擦系數(shù)平均降低了7%左右，即西班牙破茬刀表面磨損較國產(chǎn)破茬刀表面磨損輕微。

2.4.2 磨損性能

磨損量是評定材料耐磨性、研究磨損機(jī)理的一個(gè)重要指標(biāo)。兩種破茬刀磨損失重對比如圖5所示。由圖可知，西班牙刀磨損失重較少，國產(chǎn)刀失重較多，大約是西班牙刀的2.5倍，進(jìn)口刀耐磨性好。

圖4 破茬刀摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線Fig.4Variation curve of the friction coefficient of disc coulter with time

2.4.3 磨損機(jī)制

圖6、圖7為兩種破茬刀試樣在不同放大倍數(shù)下的摩擦表面形貌圖。放大180倍的顯微照片可見，兩種試樣的磨損表面順著滑動(dòng)方向均有犁溝劃痕，并鑲嵌有磨粒，國產(chǎn)刀的犁溝較西班牙刀片的更顯著、更深。放大2 000倍顯微照片可見表面有蝕坑和撕裂，國產(chǎn)刀蝕坑更深，耐磨性差。兩試樣的磨損機(jī)制相同，均為磨粒磨損。

圖5 破茬刀磨損量對比Fig.5Comparison on weight loss of disc coulter

試樣組織中存在大量的碳化物，其硬度較高。表面被摩擦以后，部分碳化物脫落形成磨粒，脫落的表面形成凹坑，成為蝕坑，蝕坑邊緣形成撕裂。這些磨粒在摩擦表面之間，磨粒劃過后使試樣表面產(chǎn)生塑性變形，形成犁溝和犁皺，材料隨后受到對磨件的擠壓，將犁皺壓平。如此反復(fù)地進(jìn)行塑性變形、擠壓，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)裂紋并引起剝落，即產(chǎn)生磨粒磨損。磨粒的存在會(huì)加劇磨損，導(dǎo)致材料的耐磨性能下降。

圖6 國產(chǎn)破茬刀磨損表面形貌Fig.6Wear patterns of Chinese disc coulter

圖7 西班牙刀片磨損表面形貌Fig.7Wear patterns of Spainish disc coulter

3 結(jié)論

（1）國產(chǎn)破茬刀和西班牙破茬刀成分相近，主要元素為C、Mn、Si、Cr。西班牙刀為優(yōu)質(zhì)硼鋼，國產(chǎn)刀為中碳優(yōu)質(zhì)錳鋼。國產(chǎn)刀含Cr量低，含C、B量略高，硬度及韌性不如西班牙刀。

（2）西班牙破茬刀顯微組織為回火馬氏體，組織細(xì)小均勻，洛氏硬度值為50 HRC，是國產(chǎn)破茬刀的1.1倍，綜合力學(xué)性能好。國產(chǎn)刀組織為回火托氏體，硬度稍差。

（3）與國產(chǎn)破茬刀相比，西班牙破茬刀的摩擦系數(shù)和磨損量較低，摩擦系數(shù)在0.48～0.52之間，比國產(chǎn)刀低7%。國產(chǎn)刀磨損量大約是西班牙刀的2.5倍。西班牙刀表現(xiàn)出更好的耐磨性。

（4）兩種破茬刀的磨損機(jī)制均為磨粒磨損，磨損表面順著滑動(dòng)方向均有犁溝劃痕，并鑲嵌有磨粒。國產(chǎn)刀的犁溝較西班牙刀片的更深、更顯著。

［1］李海亮，胡軍，李玉清，等.2BMZ-13型氣吸式免耕精量播種機(jī)機(jī)架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)-基于TRIZ理論［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，27（4）：92-95.

［2］林靜，李博，李寶筏，等.阿基米德螺線型缺口圓盤破茬刀參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（6）：118-124.

［3］趙旭，張祖立，唐萍，等.被動(dòng)式傾斜波紋圓盤破茬刀工作性能試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（1）：64-67.

［4］王慶杰，李洪文，何進(jìn)，等.螺旋刀型壟臺(tái)清理裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（6）：109-113.

［5］馬洪亮，高煥文，魏淑艷.驅(qū)動(dòng)缺口圓盤玉米秸稈根茬切斷裝置的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（5）：86-89.

［6］王慶杰，李洪文，何進(jìn)，等.凹形圓盤式玉米壟作免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（7）：117-122.

［7］李衛(wèi)，李問盈，孫先鵬.幾種圓盤驅(qū)動(dòng)破茬開溝性能的土槽試驗(yàn)比較［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008，30（8）：127-129.

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［10］張旭，馬躍進(jìn)，趙建國，等.滅茬刀火焰噴焊Fe6涂層組織及耐磨性能［J］.表面技術(shù)，2015，44（10）：40-45.

［11］蘇彬彬，徐楊，簡建明.農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨件發(fā)展及研究現(xiàn)狀［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2013，34（5）：53-57.

Comparative Study on Friction and Wear Behaviors of Chinese and Spainish Disc Coulter

Wang Hongli
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Experimental method was used to compare chemical component，microstructure and hardness between Chinese and Spanish disc coulters，and ball-on-disc wear and fiction test was employed to study friction and wear property.The results showed that the two kinds of disc coulters had similar ingredients，Spainish disc coulter material had high quality boron steel，Chinese disc coulter material had medium carbon high quality manganese steel.With regard to Spanish disc coulter，its microstructure which was acicular martensite had a fine texture，the Rockwell hardness number was 50 HRC，which was 1.1 times of Chinese disc coulter.In condition of dry friction，the skin-friction coefficient of Spanish disc coulter was lower，which was 0.48～0.52；in the same condition，the attrition quantity of Chinese disc coulter was 2.5 times of Spanish disc coulter.Hence，the Spanish disc coulter had a better abrasion performance.The wear mechanism of two disc coulters was abrasive wear.

disc coulter；material；friction and wear；wear mechanism

TH117.1

A

1002-2090（2016）04-0093-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.021

2015-10-15

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E201132）；大慶市科技計(jì)劃項(xiàng)目（szdfy-2015-27）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（XDB2011-06）；黑龍江省農(nóng)墾總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（HNK10A-09-02-04）；黑龍江省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（12511359）。

王宏立（1971-），男，副教授，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)從事農(nóng)機(jī)材料強(qiáng)化方面的教學(xué)與研究工作。