基于JMatPro的深松鏟尖耐磨材料的設計與試驗

沙 龍，胡 軍，劉昶希，車寧飛，李慶紅

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省保護性耕作工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

農(nóng)業(yè)機械的使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到重要作用，保護性耕作作為新興的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，成為農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的新趨勢，但同時，如何提高其觸土部件的耐磨性能是一個亟待解決的問題。磨損普遍存在于機械產(chǎn)品中，每年因磨損在農(nóng)機領域造成的損失巨大，國內(nèi)外專家對如何提高金屬材料的耐磨性方面做了大量研究[1]。

本文以深松鏟尖為研究對象，使用JMatPro軟件輔助設計一種新成分耐磨鑄鋼，進行性能模擬計算，并將其與農(nóng)場最常用的三種深松鏟的成分(高錳鋼65Mn，低合金鋼45鋼，球墨鑄鐵QT600-3)進行對比研究，使用顯微硬度計、萬能磨損試驗臺等設備，通過硬度檢測與耐磨性等方面進行分析，探究了不同的材質對深松鏟尖耐磨性能的影響。

1 成分設計

綜合考慮合金元素在鋼中的作用，以低合金耐磨鑄鋼ZG40CrMnSiMo鋼為基體，在其化學成分上進行固有元素的增減和新元素的增加[2]，用JMatPro軟件對新成分的熱力學性能和機械性能模擬計算，選取最佳成分[3]。最終在ZG40CrMnSiMo鋼的化學成分中提高碳(C)元素含量來提高鋼的屈服強度、抗拉強度和硬度[4]，增添釩(V)元素與碳(C)形成碳化物、細化晶粒，增強鋼的耐磨性的同時減弱碳(C)元素降低韌性的影響[5]，以期能得到具有綜合優(yōu)良性能的新材料。ZG40CrMnSiMo鋼化學成分見表1，自設試驗鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo的化學成分見表2。將自設試驗鋼的化學成分輸入JMatPro軟件的得出相組成圖見圖1。

表1 ZG40CrMnSiMo鋼的化學成分 單位：wt%

表2 新成分試驗鋼的化學成分 單位：wt%

圖1 自設試驗鋼相組成圖

由圖1可知自設試驗鋼的液相線溫度為1 431.97 ℃，固相線溫度為1 280.00 ℃，此時奧氏體相含量達到最大值99.31%，A1溫度為759.95 ℃，A3溫度為882.25 ℃。在室溫下自設試驗鋼的平衡組織為87.05%F+9.03%Fe3C+2.84%M7C3+0.88%M(C，N)+0.148%M2P。

2 耐磨性試驗

2.1 試驗材料

該研究主要是設計研制適合農(nóng)機觸土部件使用的新成分低合金耐磨鑄鋼，耐磨性是重要指標，適用性是綜合因素。除考慮自設試驗鋼的性能外，還應考慮自設試驗鋼是否擁有實際應用價值。故選擇農(nóng)場常用于深松鏟尖的三種鋼材加入研究對比。所選三種材料分別是高錳鋼65Mn，球墨鑄鐵QT600-3，低合金鋼45鋼。該研究中使用的自設試驗鋼深松鏟尖由合作單位沈陽工業(yè)大學制作，深松鏟尖的制作采用澆鑄法，工藝流程為：配料→熔煉→澆鑄→脫?！ッ翱凇Ｈ蹮捲O備選用30 kg中頻感應爐，熔煉溫度1 500 ℃，使用硅鐵作為變質劑，脫氧后出爐采用砂型鑄造法進行澆鑄，澆注溫度為1 450～1 480 ℃。澆鑄完成后對其進行熱處理，處理方法為淬火+回火。將鑄件放入預熱至750 ℃的箱式電阻爐中，加熱至880 ℃，保溫2 h后取出，進行油淬，然后放入預熱至230 ℃的箱式電阻爐中保溫40 min，冷卻至室溫。三種對比鋼材的深松鏟尖取用從農(nóng)場得來的成品鏟尖。因實驗室試驗所用的設備限制，需先將試驗材料處理成合適形狀以便使用，故將設計的自設試驗鋼經(jīng)過熱處理后用金相切割機切成40 mm×20 mm×10 mm的試塊，三種對比鋼材的深松鏟尖也進行同樣處理，每種成分的鋼材制備若干以備試驗。

2.2 硬度檢測試驗

使用顯微維氏硬度計對四種鋼材試塊進行硬度測試，在試樣上隨機取 10 個點測量其硬度，通過計算機匯總，所得結果為自設試驗鋼、65Mn鋼、45鋼、球墨鑄鐵QT600-3四種材料的平均硬度分別為697.31HV、432.46HV、212.34HV、213.6HV。自設試驗鋼的硬度要高于其他三種材料。

2.3 摩擦磨損試驗分析

在本次的試驗研究中，采用萬能磨損試驗機為主要工作機械進行磨損試驗，探究四種試驗材料的耐磨性能。在磨損試驗進行時，選用了直徑為 6 mm 的氧化鋯磨球，磨損半徑為 6 mm，試驗時機器的轉速設置為80 r·min-1，磨損壓力為 50 N，試驗時間為 7 200 s。在該試驗中，有一個不可忽視的重要因素，即試驗誤差。出于對試驗所得數(shù)據(jù)的準確性考慮，將每一組都準備了三塊相同的試樣，分三組進行試驗[6]。在試驗前，先用精密電子天平對試樣進行質量的測量,對各組試件稱量三次取平均值，稱重后記錄其重量為m0。在完成本次試驗之后，使用無水乙醇浸泡磨損的試驗樣本，并使用超聲波清洗機將該試樣外層殘余的雜質洗凈，使用干燥設備烘干，稱重后記錄其重量為m1。并依據(jù)此計算磨損失重Δm。磨損失重數(shù)值如表3所示。

表3 摩擦磨損試驗失重值 單位：mg

Δm=m0-m1

(1)

由表3可知，在相同試驗條件下四種試驗材料磨損失重結果為，45鋼 >球墨鑄鐵QT600-3> 65Mn鋼>自設試驗鋼 ，即四種材料中自設試驗鋼耐磨性最好。 自設試驗鋼磨損失重為65Mn鋼的79%，為球墨鑄鐵QT600-3的58%，為45鋼的53%，即四種材料中，自設試驗鋼耐磨性最好。

2.4 摩擦系數(shù)分析

摩擦系數(shù)是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。摩擦系數(shù)由表面粗糙度決定，摩擦系數(shù)越小越不容易產(chǎn)生磨損，相應的耐磨性越好。通過物體運動的性質分析得出，其可分為兩類，即動摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)?；瑒幽Σ亮Φ漠a(chǎn)生原因是兩物體相互接觸發(fā)生相對滑動。在 500 N 的壓力作用下，摩擦 3 600 s，得到圖2，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，開始時摩擦系數(shù)迅速上漲，在300～900 s之間四種材料的摩擦系數(shù)處于波動階段，然后摩擦系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)。四種材料的摩擦系數(shù)平均值，自設試驗鋼為0.51，65Mn鋼為0.53，45鋼為0.62，球墨鑄鐵QT600-3為0.58，只從摩擦系數(shù)考慮四種材料的耐磨性，自設試驗鋼>65Mn鋼>球墨鑄鐵QT600-3>45鋼，與磨損失重基本吻合。

1.45鋼；2.球墨鑄鐵；3.65Mn；4.自設試驗鋼

2.5 田間試驗

深松鏟尖田間試驗的主要目的是驗證不同材料在與土地發(fā)生摩擦的工作條件下的作業(yè)效果，分析其磨損規(guī)律，驗證自設試驗鋼的實用性能。選用了包含自設試驗鋼在內(nèi)的四種材料制作深松鏟尖，分別為自設試驗鋼深松鏟尖、65Mn鋼深松鏟尖、45鋼深松鏟尖、球墨鑄鐵QT600-3深松鏟尖，其主要區(qū)別在于深松鏟尖材料不同。

試驗前，對四種深松鏟尖進行質量稱量，安裝深松鏟尖并做好標記，進入試驗地點進行深松磨損試驗，耕深300 mm。作業(yè)完成后清理深松鏟，對標記點進行記錄，對深松產(chǎn)質量進行稱量記錄。深松鏟的基本參數(shù)見表4所示。

表4 不同成分深松鏟田間試驗參數(shù)

由上表可知，在相同的耕作條件下，經(jīng)過109 h的耕作，自設試驗鋼深松鏟尖的磨損失重為65Mn鋼的89%，為球墨鑄鐵QT600-3的71%，為45鋼的70%，即自設試驗鋼耐磨性>65Mn鋼耐磨性>球墨鑄鐵QT600-3耐磨性>45鋼耐磨性，與之前的模擬分析結果和實驗室試驗結果互相印證。在4種成分的深松鏟尖中，自設試驗鋼的耐磨性最好，其耐磨性大于耐磨鋼65Mn和其余兩種材料，實用性得到驗證。

3 結論

實驗室檢測試驗與田間試驗結果表明，自設試驗鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo與65Mn鋼、球墨鑄鐵QT600-3、45鋼三種對比材料相比硬度最高，磨損失重最少，耐磨性最佳，證明自設試驗鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo耐磨性高于三種對比材料，可以應用于農(nóng)機觸土部件(如深松鏟尖)等易磨損部件。