農(nóng)機(jī)觸土工作部件犁鏵耐磨性能研究現(xiàn)狀

蔣運(yùn)梅，張福躍，肖 洋，趙 耀，周 念，2

(1.貴州理工學(xué)院材料與能源工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003； 2.貴州理工學(xué)院分析測(cè)試中心，貴州 貴陽 550003)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具的發(fā)明、改進(jìn)、發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步有著緊密的聯(lián)系，犁鏵作為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的典型觸土部件，在耕作過程中與土壤接觸造成早期失效與報(bào)廢，嚴(yán)重縮短了其使用壽命[1-3]。犁鏵等農(nóng)機(jī)觸土部件的失效形式包括磨損失效、彎曲變形及斷裂失效、腐蝕失效和疲勞損壞，其中尤以磨損失效最為突出[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有造成犁鏵觸土部件失效的因素中，由磨損造成的失效占80%，因耐磨性不足而引起的失效占50%以上，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大[4-6]。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械向大型化、復(fù)合化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)化機(jī)械設(shè)備觸土部件必需具備優(yōu)異的綜合性能，研制高硬度、耐磨性能優(yōu)異的犁鏵觸土部件已成為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域研究的重要課題[7]。目前，國(guó)內(nèi)外提高犁鏵等農(nóng)機(jī)觸土部件耐磨性的方法主要有合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、開發(fā)新型耐磨材料和表面強(qiáng)化處理[8]。因此，本文將從觸土部件磨損機(jī)制、耐磨材料研發(fā)、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面技術(shù)處理三個(gè)方面簡(jiǎn)要概述國(guó)內(nèi)外有關(guān)犁鏵等觸土部件耐磨性的研究報(bào)道，總結(jié)其耐磨性研究進(jìn)展，以期為觸土部件有關(guān)領(lǐng)域的工程研究和技術(shù)發(fā)展提供一定的理論支撐和參考信息。

1 犁鏵等觸土部件磨損機(jī)制及影響因素

在犁鏵等部件與土壤接觸過程中，其磨損形式主要包括磨料磨損、疲勞磨損、粘著磨損、沖擊磨損和腐蝕磨損[1]。其中，磨粒磨損是服役過程中的主要磨損形式，磨料磨損指物體表面與硬質(zhì)顆粒或硬質(zhì)凸出物相互摩擦引起部件表面材料脫落、擦傷或者變形斷裂的現(xiàn)象[9]。磨粒磨損一般情況下分為兩體磨料磨損和三體磨料磨損。兩體磨損指土壤表面或表面鑲嵌的顆粒與部件相互接觸并發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，硬度較高的一方對(duì)硬度較低的一方產(chǎn)生的磨損；三體磨損指土壤與部件之間存在的自由磨粒，其在觸土部件表面滑動(dòng)或者滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磨損。犁鏵觸土部件與土壤等物料的接觸磨損是兩體磨損[5，9]。在耕作過程中，犁鏵材料及加工工藝、犁鏵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土壤特性和耕作參數(shù)均對(duì)犁鏵觸土部件的磨損產(chǎn)生顯著的影響。

2 犁鏵耐磨材料研究現(xiàn)狀

由于材料的磨損系數(shù)、硬度和韌性等不同，不同材料制備的犁鏵與土壤接觸作用時(shí)，耐磨性能也不盡相同。即使同一種材料在不同加工工藝狀態(tài)下，其硬度和強(qiáng)度也會(huì)有差別，從而表現(xiàn)出不同的耐磨性能。為了提高犁鏵等觸土部件的耐磨性能，減少磨損量，科研人員一直致力于提高觸土部件的強(qiáng)度、硬度和韌性，以實(shí)現(xiàn)其耐磨性能的最優(yōu)化。錢定華和李文亮[10-11]采用鑄鐵加工的犁鏵具有優(yōu)良的耐磨性能。但隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)犁鏵的硬度、強(qiáng)度等提出了更高的要求，生產(chǎn)犁鏵所采用的鋼鐵材料也由鑄鐵材料向合金鋼材料發(fā)展，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外常用鑄鐵、65Mn彈簧鋼、60Si2Mn鋼、55號(hào)鋼和T9鋼作為犁鏵制造材料[12]，通過采用合理的熱處理工藝，可有效提高其應(yīng)變硬化指數(shù)，使部件表面在作業(yè)過程中形成硬化層，有效提高耐磨性。何大剛[13]從材料的硬度和金相組織方面對(duì)65Mn鋼、65SiMnRe鋼、85TiRe鋼進(jìn)行了磨損規(guī)律的研究，為犁鏵材料的選擇提供了一定參考。隨后，黃鋼[14]測(cè)試了不同犁鏵制備材料的性能，研究結(jié)果表明，65鋼具有較高的硬度和良好的沖擊韌性，適合應(yīng)用于摩擦作用大、沖擊力較大沙質(zhì)土壤和粘混土壤；經(jīng)過調(diào)質(zhì)后的45鋼耐磨性差但沖擊韌性好，適合于摩擦作用小、沖擊力大的粘性板結(jié)土壤；T12鋼具有高的硬度和良好的耐磨性，但沖擊韌性差，適應(yīng)于摩擦作用大、沖擊力小的沙質(zhì)土壤。為不同物理特性土壤的犁鏵選用提供了可靠的參考。在材料熱處理方面，李金展等[15]研究了熱處理工藝對(duì)65Mn犁鏵顯微組織和力學(xué)性能的影響，研究表明，淬火前的顯微組織是珠光體+鐵素體，采用870 ℃×20 min，180 ℃硝鹽等溫淬火和180 ℃×90 min回火工藝進(jìn)行熱處理，獲得了針狀馬氏體+板條狀馬氏體組織，犁鏵具有最小的變形量、最高的沖擊韌性和良好的耐磨性，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，更能符合實(shí)際的作業(yè)環(huán)境。為了解決高錳鋼材質(zhì)犁鏵耐磨性不足問題，張圳炫等[16-17]研究了中高碳貝氏體鋼材質(zhì)犁鏵耐磨性，研究表明，中高碳貝氏體鋼材質(zhì)犁鏵的使用壽命為高錳鋼材質(zhì)犁鏵的3倍。除了傳統(tǒng)合金作為犁鏵耐磨材料外，一些高熵合金具有更高的材料硬度，表現(xiàn)出良好的耐磨性能。如Al2CrFeCoxCuNiTi的耐磨性能是Q235鋼3倍以上[18]，Al3CrFeCoNiCu的耐磨性能約為軸承鋼的4倍[19]?？梢姡哽睾辖鹁哂凶鳛槟湍ゲ牧系臐撛趦r(jià)值，它可被用作生產(chǎn)高溫渦輪葉片、高溫模具和切削工具的硬質(zhì)涂層甚至第四代核反應(yīng)堆部件的替代材料。因此，將高熵合金應(yīng)用于犁鏵等農(nóng)具觸土部件的制造，發(fā)揮高熵合金的優(yōu)異性能，對(duì)犁鏵等觸土部件的發(fā)展具有推動(dòng)作用。

3 犁鏵表面仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

基于仿生學(xué)原理，農(nóng)業(yè)研究者在犁鏵仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面展開了大量的研究。王少偉等[20]根據(jù)鼴鼠爪趾形狀進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其研究表明，仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化與表面熱處理能夠提高齒形開溝犁刀的減阻耐磨性能。吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用仿生學(xué)原理，通過適當(dāng)改進(jìn)犁鏵表面的幾何形狀、觸土方式等措施，降低了其表面的阻力，提高了耐磨性[21-24]。聶國(guó)峰等[25]采用激光3D打印分別制備了凹坑型、凸包型和鱗片型仿生熔覆層的犁鏵，該熔覆層具有良好的抗沖擊磨粒磨損性能，極大地提高了犁鏵的耐磨性與耐腐蝕性能，使得犁鏵具有使用壽命長(zhǎng)、摩擦系數(shù)小、耕作阻力小等優(yōu)點(diǎn)。張智泓等[26]公開了一種以砂魚蜥為原型仿生犁鏵的制備方法，犁鏵表面具有呈線性均勻分布排列的微刺鱗片結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)犁鏵相比，其耐磨性提高，阻力降低，機(jī)組油耗降低。劉敬等[27]以鯊魚盾鱗表面非光滑形態(tài)為參考模型，通過激光熔覆分別在45鋼基本表面制備了起伏型和平面型仿生非光滑試樣，并進(jìn)行了磨料磨損實(shí)驗(yàn)和磨痕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)平面型涂層具有更加優(yōu)異的耐磨性，并提出非光滑形態(tài)幾何硬化率不小于50%是判斷涂層耐磨性的基本判據(jù)。錢良存等[28]研究了利用激光刻蝕處理將荷葉表面微觀形貌仿生于犁鏵鋼表面，提高了犁鏵鋼的耐磨性和減粘阻性，研究結(jié)果為激光微造型表面仿生多層次提取表面形貌信息和提高表面粗糙度工藝提供了一定的參考。

我國(guó)觸土部件的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取得了一系列創(chuàng)新性成果。但是隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化向著高精度方向的發(fā)展，僅單純依靠對(duì)土壤動(dòng)物器官分析和簡(jiǎn)單模仿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，在未來的研究工作中，需要針對(duì)觸土部件的服役環(huán)境進(jìn)行生物原型的選擇和分析，以提高仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。同時(shí)，對(duì)土壤動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行深層次的分析，研究其運(yùn)動(dòng)對(duì)耐磨等特性的影響規(guī)律，進(jìn)一步提高犁鏵等觸土部件的綜合性能。

4 犁鏵表面改性技術(shù)研究現(xiàn)狀

表面改性技術(shù)可以有效提高犁鏵的耐磨性、硬度、抗疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性等性能，使犁鏵等觸土材料具備優(yōu)異的綜合性能。目前在農(nóng)機(jī)行業(yè)得到推廣應(yīng)用的改性技術(shù)主要有表面熱噴涂、表面激光強(qiáng)化、表面高能離子注滲、表面熔覆涂層和表面堆焊處理等。刑澤炳等[29]采用鎢離子注入技術(shù)對(duì)犁鏵鋼進(jìn)行了高能離子注滲處理，研究結(jié)果表明，65Mn鋼表面形成了約400 μm厚的細(xì)小WC滲層，該顆粒層均化分布于基體表面，由于獲得了高硬度的WC硬質(zhì)層，使其硬度達(dá)到了1 085 HV0.2，是未處理65Mn鋼的2.4倍，在相同載荷磨損條件下，經(jīng)過注滲處理的犁鏵累積磨損量降低了75%～80%。胡宇等[30]對(duì)45號(hào)鋼進(jìn)行了激光表面強(qiáng)化處理，使原奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)激光功率為1.6 kW，掃描速度為600 mm/min時(shí)，45鋼表面可獲得洛氏硬度為50.4的優(yōu)異耐磨涂層，可有效提高45鋼的耐磨性能。Yazici等[31]對(duì)30MB5犁鏵進(jìn)行了碳氮共滲處理，通過銷盤磨損試驗(yàn)和田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)熱處理的犁鏵相比，耕作相同面積農(nóng)田時(shí)，碳氮共滲處理后的犁鏵體積磨損量減少了24.67%，重量磨損量降低了14.65%，顯著提高了耐磨性能。

隨著表面工程技術(shù)的不斷發(fā)展，表面熔覆技術(shù)作為一種新型的表面工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。郝建軍等[32]以火焰為熱源，采用預(yù)制法在65Mn鋼表面制備了鎳基/鑄造碳化鎢合金熔覆層，分析了熔覆層的顯微組織、耐磨機(jī)理和熔覆層用于犁鏵制造及再制造的可行性，結(jié)果表明：熔覆層組織致密，表面平整，基體與熔覆層間實(shí)現(xiàn)了良好的結(jié)合，熔覆層組織中同時(shí)存在亞共晶組織、共晶組織和過共晶組織，使涂層具有高耐磨性；田間試驗(yàn)分析表明，該熔覆層可應(yīng)用于犁鏵的制造和再制造生產(chǎn)過程中。隨后，趙建國(guó)等[33]運(yùn)用氮弧熔覆技術(shù)成功地將TiCN/Fe金屬陶瓷復(fù)合涂層制備于Q235鋼表面，磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，熔覆速度較小時(shí)形成了TiCN含量低、硬度值低的涂層，隨著熔覆速度增大，涂層硬度值增大，但涂層表面成形變差。在合適的工藝參數(shù)下，制備了性能優(yōu)異的涂層，其磨損量減少了50%，說明TiCN/Fe涂層具有良好的耐磨性能。Nalbant等[34]通過物理氣相沉積TiN、電沉積硬Ni和電鍍硬Cr涂層制備了硬質(zhì)涂層，田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每微米硬Ni涂層和硬Cr涂層可翻耕的農(nóng)田分別為217 m和319 m，而TiN涂層可達(dá)到736 m，TiN涂層具有最佳的耐磨性能。Karoonboonyanan等[35]利用等離子堆焊和高速火焰噴涂，在旋耕刀表面成功制備了WC/Co和Al2O3-TiO2/NiAl涂層，與普通旋耕刀質(zhì)量對(duì)比，Al2O3-TiO2/NiAl涂層旋耕刀提高4.65%，WC/Co涂層旋耕刀降低97.67%。

可見，以上表面處理方法均能在一定程度上提高犁鏵觸土部件的硬度，有效提高了耐磨性能，延長(zhǎng)了其使用壽命。

5 對(duì)我國(guó)農(nóng)機(jī)觸土部件發(fā)展的建議

隨著科技的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要功能更多、效率更高、生產(chǎn)成本更低的機(jī)械，而犁鏵等農(nóng)機(jī)觸土部件在保證和提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備性能方面起到了至關(guān)重要的作用。研究者從耐磨材料研發(fā)、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面強(qiáng)化處理等方面，對(duì)觸土部件性能進(jìn)行了大量的研究，有效提高觸土部件的耐磨性，提升了部件的作業(yè)效率和使用壽命，滿足了農(nóng)業(yè)對(duì)觸土部件的基本需求。但是，犁鏵等觸土部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化并沒有完全滿足農(nóng)機(jī)發(fā)展的需求，尤其是我國(guó)存在著多作物、多領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，觸土部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化更是面臨著更大的挑戰(zhàn)，因此，對(duì)我國(guó)農(nóng)機(jī)觸土部件的發(fā)展提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)研發(fā)新型高耐磨材料。針對(duì)不同的作業(yè)環(huán)境，開發(fā)適合的新型耐磨材料，并應(yīng)用有效的表面改性技術(shù)改善其性能，提高耕作的質(zhì)量和效率。

(2)在犁鏵仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，對(duì)觸土部件的服役環(huán)境和動(dòng)物原型進(jìn)行綜合分析，系統(tǒng)研究減阻耐磨等特性的作用機(jī)理，進(jìn)一步提高犁鏵等觸土部件的綜合性能。

(3)新型熔覆材料研發(fā)與應(yīng)用。性能優(yōu)異的熔覆材料是提高犁鏵等觸土部件性能的關(guān)鍵，但大多數(shù)熔覆材料價(jià)格相對(duì)昂貴，一些性能更為優(yōu)異的陶瓷材料極少應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。加強(qiáng)新型熔覆材料的設(shè)計(jì)，既可降低成本，又能進(jìn)一步提高熔覆層的質(zhì)量，滿足農(nóng)機(jī)觸土部件在作業(yè)環(huán)境下的性能需求。

6 結(jié)語

近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷發(fā)展，犁鏵等觸土部件耐磨性研究取得了很多有益的研究成果，但是在犁鏵觸土部件的實(shí)際作業(yè)中，磨損仍然是犁鏵失效的主要形式。為了減少犁鏵的磨損失效，提高犁鏵的耐磨性是其必然途徑，新型犁鏵制備材料的研發(fā)、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料表面改性仍然是提高犁鏵等觸土部件耐磨性能的有效措施。在未來多學(xué)科交叉融合下，對(duì)提高犁鏵耐磨性的研究必將更加廣泛和深入，屆時(shí)將會(huì)研發(fā)出更多綜合性能優(yōu)異的犁鏵觸土部件，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。