淺談熱噴涂硬質(zhì)涂層的旋耕刀具磨損性能分析

敬謙

（隴東學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的重視程度日益提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的智能化及自動(dòng)化水平不斷提升，并且取得了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化、智能化方面的研究成果，但是當(dāng)前應(yīng)用的農(nóng)業(yè)機(jī)械最主要的問題是整機(jī)的作業(yè)質(zhì)量不理想，一些關(guān)鍵的耐磨零件的質(zhì)量水平低，很難達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，這嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展。一直以來，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械零配件的合格率較低，合格率通常為60%～70%左右，農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨配件如旋耕刀的合格率在抽查中僅為58.3%，這些關(guān)鍵零部件的總體質(zhì)量不理想，這降低了整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用效果。在“十二五”期間，耐磨性零部件是制約農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主要因素之一。此外，在調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，由于耐磨件如收割機(jī)刀片、旋耕刀等失效造成的農(nóng)業(yè)機(jī)械故障占比在50%以上，因此，提高旋耕刀具的耐磨性顯得尤為重要，這對(duì)于提高我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械水平具有非常重要的意義。本文主要分析熱噴涂硬質(zhì)涂層的旋耕刀具磨損性能。

1 旋耕刀片的磨損機(jī)理

旋耕機(jī)的主要作用是平地、碎土、松土。旋耕機(jī)工作過程中，拖拉機(jī)輸出動(dòng)力之后傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳輸至驅(qū)動(dòng)刀輥實(shí)現(xiàn)旋耕刀的旋轉(zhuǎn)，旋耕刀的工作界面是土壤，通過不斷旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)實(shí)現(xiàn)土壤切削，切下的土壤向后拋至擋土罩，土壤泥塊碰碎之后落到地面，利用平土拖板實(shí)現(xiàn)地面的削平。由于土壤中存在礦物質(zhì)和有機(jī)物，其中有機(jī)物主要是農(nóng)作物的根莖、有機(jī)肥等，礦物質(zhì)主要是砂粒。旋耕刀主要是對(duì)土壤中的礦物質(zhì)、有機(jī)物的切削。根據(jù)相關(guān)的研究成果可知，旋耕刀的工作溫度不高，與材料的融化溫度相比存在顯著的差異，所以說旋耕刀的磨損不是簡(jiǎn)單的材料的磨損，應(yīng)是旋耕過程中土壤中的礦物質(zhì)、有機(jī)物對(duì)刀片的沖擊和腐蝕的綜合作用結(jié)果，破壞了旋耕刀的韌性和表面強(qiáng)度。刀刃在運(yùn)動(dòng)中與磨料沖擊時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，如果沖擊力接近或高于刀刃的部位強(qiáng)度，則多次沖擊之后就可能造成刀具磨損。旋耕機(jī)的耕犁作用先使刀刃的材料產(chǎn)生彈性、塑性變形，到達(dá)一定強(qiáng)度之后出現(xiàn)脆性斷裂。土壤磨料顆粒通過對(duì)刀片的累積沖擊，在刀片表面產(chǎn)生微切削作用，隨機(jī)沖擊次數(shù)的增多造成刀片的應(yīng)力疲勞斷裂，最終造成旋耕刀具磨損。通過以上分析可知，旋耕刀具磨損是微切削、應(yīng)力疲勞斷裂、脆性斷裂三方面共同作用的結(jié)果。

2 旋耕刀具磨損研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)械中的耐磨件主要包括收割機(jī)刀片、旋耕刀、犁鏵等，相關(guān)的研究表明我國(guó)旋耕刀的使用壽命大約為80h。在相同的使用條件下，旋耕刀的使用壽命主要由機(jī)械加工工藝、改性工藝、制造材料等決定。為了提高旋耕刀的耐磨性能和使用壽命，國(guó)內(nèi)的學(xué)者很早就推進(jìn)相關(guān)的研究。現(xiàn)階段，旋耕刀在制作中采用的材料為65Mn 或60Si2Mn，制作工藝嚴(yán)格執(zhí)行GB/T5669-2008 中的標(biāo)準(zhǔn)，采用各種工藝對(duì)對(duì)旋耕刀表面進(jìn)行強(qiáng)化以提高旋耕刀的耐磨性。旋耕刀的表面處理工藝主要包括表面化學(xué)熱處理、表面熱噴涂、表面熔覆涂層、表面堆焊等。本文主要論述表面熱噴涂、表面熔覆涂層的研究現(xiàn)狀。

熱噴涂表面處理主要是利用熱源對(duì)噴涂材料進(jìn)行加熱，使噴涂材料加熱至熔化或者半熔化狀態(tài)，將噴涂材料沉積至預(yù)處理之后的基體表面，在基體表面形成涂層起到表面強(qiáng)化的作用。熱噴涂中應(yīng)用的熱源主要為火焰類、電弧類、電熱法和激光法4 種類型，經(jīng)過熱噴涂處理之后提高旋耕刀的使用壽命。如Niranatlumpong 等在旋耕刀表面利用超音速火焰噴涂了AL2O3/Ti2O3 涂層，結(jié)果表明旋耕刀在砂土磨損中耐磨性顯著提高。李暉等利用高速電弧噴涂技術(shù)在旋耕刀表面噴涂了NiAl 黏結(jié)層與Fe、Cr、Cr2O3、Ni-Al2O3、SiC等構(gòu)成的耐磨涂層，實(shí)驗(yàn)表明，旋耕刀的表面硬度提高了36%，摩擦因素降低了44%。

表面熔覆涂層也是通過不同的涂層工藝和涂層材料，提高基體表面的耐磨損和抗高溫性能，這是一種新工藝。如田永財(cái)?shù)壤眉す舛押溉鄹布夹g(shù)在旋耕刀表面制備了鐵基涂層，結(jié)果表明，旋耕刀的耐磨性能比基體明顯提高。屈平等利用外在熱源，在旋耕刀表面涂覆了Al2O3-Ti(C，N)復(fù)合材料，提高了刀具的耐磨性，涂層硬度最高達(dá)到了HV0.52160，磨損量約為65Mn 鋼的1/7。

3 熱噴涂硬質(zhì)涂層的旋耕刀具磨損性能分析

綜上所述，我國(guó)的很多學(xué)者對(duì)旋耕刀的耐磨性能研究，都表明了表面熱噴涂、表面熔覆涂層的應(yīng)用有效性。為了進(jìn)一步提高旋耕刀具的磨損性能，本文研究了熱噴涂碳化鎢硬質(zhì)涂層，利用超音速火焰實(shí)現(xiàn)碳化鎢硬質(zhì)涂層在旋耕刀表面的噴涂，對(duì)噴涂之后的旋耕刀進(jìn)行磨損性能分析。

3.1 超音速火焰噴涂碳化鎢涂層工藝主步驟

（1）準(zhǔn)備工作。噴涂過程中采用的噴涂系統(tǒng)為美科LF–HVOF 超音速火焰噴涂系統(tǒng)，噴涂過程中確保碳化鎢粉末粒充分熔融化，設(shè)置好噴涂距離、送粉量等參數(shù)，同時(shí)控制噴涂橫向步進(jìn)量。

噴涂主要包括噴涂前的準(zhǔn)備工作、基體表面預(yù)處理、超音速火焰噴涂3 個(gè)步驟。準(zhǔn)備工作主要在噴涂之前了解旋耕刀具的形態(tài)特征、確定碳化鎢涂層的厚度、碳化鎢的粉末粒度、噴槍與碳化鎢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。之后，對(duì)旋耕刀具進(jìn)行預(yù)處理，旋耕刀表面需要進(jìn)行清洗和噴砂處理。

（2）碳化鎢涂層噴涂。碳化鎢涂層噴涂采用超音速火焰噴涂系統(tǒng)，設(shè)置噴涂參數(shù)煤油流量為240cm3/min，氧氣流量為876NLPM，噴涂角度為90°，噴涂距離為350mm，噴槍移動(dòng)塑料為0.2m/s，橫向步進(jìn)量為5.0mm，啟動(dòng)噴涂系統(tǒng)，完成旋耕刀具的碳化鎢（WC-12Ni）涂層噴涂。

（3）磨損實(shí)驗(yàn)。涂層為WC-12Ni，噴涂完成之后旋耕刀具擦洗干凈，同時(shí)在精密電子天平上稱取原始質(zhì)量，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)，采用的試驗(yàn)機(jī)為MLS-225 型磨損試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置工作參數(shù)，沖擊速度1.8m/s，沖擊功率1.25kW。設(shè)置泥漿砂水比3:1，載荷為70N，設(shè)置完成之后進(jìn)行試件磨損實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行10h 之后，取下旋耕刀具試樣，進(jìn)行稱量，得到工作前后的旋耕刀質(zhì)量差，評(píng)價(jià)旋耕刀的材料損失情況，評(píng)價(jià)旋耕刀的磨損性能。在相同的實(shí)驗(yàn)條講下，設(shè)置未進(jìn)行涂層的旋耕刀為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在泥漿砂水比3:1，載荷為70N 時(shí)，未進(jìn)行涂層的旋耕刀、噴涂完成之后旋耕刀磨損失重分別為1021mg、53mg，由此可知，噴涂WC-12Ni 之后的旋耕刀具的產(chǎn)生的磨損較小，可以延長(zhǎng)旋耕刀的使用壽命，從而降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本。

4 結(jié)語

旋耕刀在農(nóng)業(yè)機(jī)械中具有非常重要的作用，但是當(dāng)前應(yīng)用的旋耕刀使用壽命短、適應(yīng)性差，這已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提升的主要因素，因此，在這種情況下，迫切需要加強(qiáng)對(duì)于旋耕刀具的研究，通過應(yīng)用新材料、新工藝不斷提高旋耕刀的使用壽命，以滿足不同的土壤類型的旋耕要求。本文利用美科LF-HVOF 超音速火焰噴涂系統(tǒng)在旋耕刀表面噴涂了WC-12Ni 硬質(zhì)涂層，并進(jìn)行了磨損實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，噴涂WC-12Ni 之后的旋耕刀具的產(chǎn)生的磨損較小，可以延長(zhǎng)旋耕刀的使用壽命。

對(duì)于提高旋耕刀具的磨損使用壽命提出以下建議：一是，加大對(duì)旋耕刀的磨損性能機(jī)理研究，確定在不同的土壤條件下，旋耕刀的磨損失效機(jī)理，做好旋耕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇工作；二是，加強(qiáng)對(duì)于耐磨材料的研究和新型農(nóng)機(jī)材料的研發(fā)和推廣，同時(shí)不斷改進(jìn)表面工程技術(shù)和熱處理工藝，盡量研發(fā)成本低、應(yīng)用簡(jiǎn)單的旋耕刀具表面處理工藝。三是，改進(jìn)旋耕刀具的受力情況，比如在旋耕刀設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿生學(xué)，降低在土壤中承受的阻力，仿生學(xué)的應(yīng)用將成為未來旋耕刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。四是，加強(qiáng)旋耕刀具表面涂層技術(shù)的研究，穩(wěn)定旋耕刀的涂層工藝參數(shù)，以提高其耐磨損性能。