表面處理提高旋耕刀耐磨性研究現(xiàn)狀

蔣三生 張新

摘要?旋耕刀作為農(nóng)機耕作的主要觸土部件，其常用材料為65Mn或60Si2Mn;磨損是導致其工作失效的主要原因，提高耐磨性是旋耕刀研究的主要目標。綜述了在旋耕刀基體上進行表面強化的幾種表面處理工藝，如表面堆焊、熱噴涂表面處理、表面熔覆涂層和表面化學熱處理;電子束、激光、離子束等表面強化和高能離子強化注入等表面改性則是新興的幾種表面強化技術(shù)。最后提出應進一步對現(xiàn)有的表面處理工藝進行改進和優(yōu)化，探索成本更低和自動化水平更高的工藝。

關(guān)鍵詞?表面處理;旋耕刀;耐磨性

中圖分類號?TG?174文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）01-0027-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.007

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Status on Surface Treatment to Improve Wear Resistance of Rotary Blade

JIANG San?sheng1，ZHANG Xin2

（1.Qinghe Campus， Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102208;2.Emergency Research Institute， Xinxing Cathay International， Beijing 100070）

Abstract

As the main soil touching part of farming machinery， the commonly used materials for rotary blades are 65Mn or 60Si2Mn. The main reason for the failure of rotary blades is wear， and the main research objectives of rotary blades are improving the wear resistance. Several surface treatment techniques and its research status for surface reinforcement on the base of rotary blade were reviewed. Surface surfacing， surface thermal spraying， surface cladding coating and surface chemical heat treatment are several typical surface treatment techniques. Surface reinforcements such as electron beam， laser beam， ion beam and surface modification such as high energy ion reinforcement injection are emerging surface reinforcement techniques.Finally， it was suggested that the existing surface treatment process should be further improved and optimized to explore the process with lower cost and higher automation level.

Key words?Surface treatment;Rotary blade;Wear resistance

隨著農(nóng)業(yè)機械化和自動化的飛速發(fā)展，我國農(nóng)村耕地基本上采用旋耕機進行刨土作業(yè)。由于耕作土壤環(huán)境的不同，旋耕機的樣式各異，其所配置的刀片材料、結(jié)構(gòu)形狀和熱處理工藝等各不相同，因此造成旋耕刀片的各種性能存在差異。長期以來，提高效率、降低功耗是旋耕機刀片研究的主要目標[1-2]。旋耕機刀片經(jīng)常在含有農(nóng)藥、化肥等潮濕且具有腐蝕性的環(huán)境中作業(yè)，并與土壤中的砂礫、碎石或作物殘茬等進行摩擦，并伴隨振動和沖擊等，而磨損是導致旋耕刀失效的主要因素之一[3-5]。據(jù)統(tǒng)計，普通旋耕刀在黏性土壤中作業(yè)壽命為（2.0～3.5）×105 m2/片，在砂土中作業(yè)壽命僅為（3.3～5.5）×104 m2/片，而磨鈍后的耕作刀會導致牽引阻力增大、油耗增加，導致旋耕機的工作效率降低，提高作業(yè)成本[6]。因此，采用表面強化手段來提高耕作觸土部件的耐磨性能對于提高旋耕機的工作效率具有重要的研究意義。

目前，以耕作刀常用材料為基體（按GB/T 5669—2008規(guī)定，旋耕刀的常用材料為65Mn或60Si2Mn），采用各種表面工程（如表面處理工藝、表面仿生等）對旋耕刀進行強化，能夠達到提高耐磨性、降低油耗和作業(yè)成本的良好效果[7-8]。表面處理工藝主要包括表面堆焊、表面熱噴涂、表面熔覆涂層和表面化學熱處理等[9-10]，主要用于提高材料的耐高溫、防腐蝕、耐磨損和抗疲勞等特性，從而提高零件的可靠性和使用壽命，具有很高的應用價值。文章總結(jié)了提高旋耕刀耐磨性能的幾種表面處理工藝。

1?表面處理工藝

1.1?表面堆焊

表面堆焊是為了增大或恢復零部件尺寸或使焊件表面獲得具有特殊性能的合金層而進行的一種焊接工藝，是應用比較廣泛的一種表面強化技術(shù)。常用的堆焊方法包括手工電弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊、埋弧自動堆焊、氣體保護堆焊、等離子弧堆焊、振動電弧堆焊、激光堆焊等。在堆焊金屬中采用碳化物作為硬質(zhì)相可以提高堆焊金屬的耐磨性[11]，常用的碳化物元素有Cr和W[12]，但Cr、W等元素為中強碳化物元素，在形成碳化物時，對基體有較強的固溶強化作用，容易造成基體脆化，降低其焊縫的抗裂性。因此，開發(fā)高性能的堆焊合金抗磨材料，對減少停機和維修、提高效益等具有重大意義，已成為當前的研究熱點[13-15]。

翟鵬飛等[16]以FW-1102高鉻、高硼系合金鑄鐵為堆焊材料，對旋耕刀常用材料60Si2Mn進行堆焊耐磨鑄鐵處理，結(jié)果表明用電弧在60Si2Mn鋼表面堆焊合金鑄鐵，可以獲得與基體呈冶金結(jié)合的堆焊層，且堆焊層組織致命性好，強韌性高，耐磨性好。

Benegra等[17]在不銹鋼表面分別進行等離子堆焊和超音速火焰噴涂處理，并對這2種涂層進行磨損試驗比較，結(jié)果表明等離子堆焊鎳鋁涂層的耐磨性優(yōu)于超音速火焰噴涂涂層，且等離子堆焊涂層在熱處理過程中沒有出現(xiàn)表面氧化，主要原因是鎳鋁化合物是一種抗高溫環(huán)境材料。

邢澤炳等[18]以旋耕刀常用的基體材料65Mn鋼為研究對象，使用氬弧堆焊技術(shù)熔敷由WC、TiC和Co組成的硬質(zhì)合金粉末，在材料表面形成電弧熔敷層，結(jié)果表明電弧熔敷硬質(zhì)合金可在65Mn鋼表面形成與基體結(jié)合緊密的耐磨涂層，當涂層中Co、TiC和WC含量分別為45%、20%和35%時，硬質(zhì)合金涂層表面的平均磨損量僅為未處理65Mn旋耕刀的27%。電弧熔敷可顯著提高表層顯微硬度，改善表面耐磨性能，提高耕作部件的使用壽命。

董升濤等[19]利用等離子弧堆焊技術(shù)在土地耕作部件深松鏟尖（材料為蠕墨鑄鐵）的基體上制得鐵基-碳化鎢復合涂層材料，結(jié)果表明堆焊層中無裂紋、氣孔等缺陷;涂層組織包括樹枝晶和枝晶間多元共晶組織;在相同的試驗條件下，堆焊涂層的耐磨性明顯高于普通深松鏟尖，且深松鏟尖的耐磨性隨著碳化鎢質(zhì)量分數(shù)的增加而增強;當碳化鎢含量在40%時，堆焊層的硬度和耐磨性能最強。

1.2?熱噴涂表面處理

熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并以一定速度噴射且沉積到經(jīng)過預處理的基體表面，從而形成涂層的一種表面強化方法。熱噴涂技術(shù)根據(jù)加熱噴涂材料的熱源種類，可以分為火焰類、電弧類、電熱法和激光法4種類型。經(jīng)熱噴涂技術(shù)處理后的材料能獲得良好的耐磨和耐腐蝕性能[20-24]，對延長耕作刀具的使用壽命具有一定的探索價值。

Karoonboonyanan等[25]、Niranatlumpong等[26]對比了在旋耕刀基體上進行超音速火焰噴涂（HVOF）制備WC-Co涂層和等離子噴涂制備AL2O3/Ti2O3涂層的耐磨性能，結(jié)果表明2種噴涂技術(shù)較常規(guī)熱處理方法均能有效改善材料的耐磨性;在砂土磨損試驗中，WC-Co涂層的耐磨性更好，刀具經(jīng)熱噴涂WC-Co涂層后的磨損率僅為淬火鋼的38%。

李暉等[27]為提高旋耕刀的耐磨性并延長其使用壽命，利用高速電弧噴涂技術(shù)在旋耕刀材料60Si2Mn鋼表面制備NiAl黏結(jié)層與Ni-Al2O3、Cr2O3、SiC、Cr、Ti和Fe構(gòu)成的耐磨涂層。經(jīng)試驗分析，耐磨涂層多相組成，組織均勻致密，表面硬度達1 037 HV0.2，比傳統(tǒng)淬火、中溫回火的表面硬度提高36%，表層硬度最高達1 202 HV0.2。摩擦磨損試驗表明，耐磨涂層與傳統(tǒng)淬火、中溫回火相比，體積磨損量下降60%，摩擦因數(shù)降低44%，電弧噴涂涂層有效地降低了摩擦和磨損，改善了材料的耐磨性。

1.3?表面熔覆涂層

表面熔覆技術(shù)是通過選擇不同涂層材料及工藝，在基體表面制備出一種耐磨損、耐腐蝕、抗高溫和熱障等多功能涂層的新工藝，是提高材料表面性能的重要手段之一[28-29]。目前，不少學者致力于研究各種熔覆技術(shù)用于提高農(nóng)機刃具的綜合性能和延長使用壽命。

田永財?shù)萚30]為了提高旋耕刀耐磨性，利用激光堆焊熔覆技術(shù)在旋耕刀表面制備鐵基涂層，結(jié)果表明熔覆層顯微硬度最高可達820 HV1（kg/hm2），為基體的3倍左右，耐磨性能明顯優(yōu)于基體。田間試驗表明，經(jīng)熔覆處理后的旋耕刀耐磨性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熱處理的旋耕刀。

屈平等[31]為了提高旋耕刀等農(nóng)機觸土刀具表面強度，以鋁熱劑的放熱反應提供內(nèi)在熱源、等離子弧作為外在熱源，采用反應等離子熔覆技術(shù)在Q235鋼表面原位合成了Al2O3-Ti（C，N）復合材料涂層，結(jié)果表明涂層與基體呈冶金結(jié)合，硬質(zhì)相Al2O3、Ti（C，N）與黏結(jié)相Fe-Ni之間形成空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu);涂層硬度最高可達HV0.52160，平均硬度HV0.51870，約為基體Q235鋼的7.7倍;涂層摩擦系數(shù)約為0.372，其磨損量約為65Mn鋼及Q235鋼的1/7和1/17。

李杰銀等[32]針對開溝刀因磨損導致使用壽命低等問題，采用反應氮弧熔覆技術(shù)，在基體材料為65Mn的開溝刀工作表面熔覆一層高耐磨性的熔覆層。通過臺架磨損試驗對比研究，熔覆層耐磨性較常規(guī)淬火回火處理的65Mn鋼有明顯提高，前者的耐磨性比后者增大了近3倍。

1.4?表面化學熱處理

化學熱處理是利用化學反應，有時兼用物理方法來改變鋼材表層化學成分及組織結(jié)構(gòu)，以得到比基體材料具有更好的技術(shù)經(jīng)濟效益的金屬熱處理工藝。根據(jù)滲入元素的不同，可以將其分為滲碳、滲氮、滲鉻、碳氮共滲等多種工藝類型。目前，已有部分學者將表面化學熱處理用于提高大耕深旋耕刀耐磨性能的研究中。

趙玉鳳等[33]針對大耕深旋耕刀提出的表硬心韌要求，將表面滲鉻處理引入旋耕刀制造中，優(yōu)化了旋耕刀用65Mn鋼的滲鉻工藝參數(shù)，考察了最優(yōu)工藝參數(shù)下滲鉻層的摩擦磨損性能，并與旋耕刀現(xiàn)有熱處理工藝（淬火+低溫回火處理）進行了比較，研究表明在一定試驗條件下，65Mn鋼表面滲鉻處理的最優(yōu)工藝為950 ℃×9 h;經(jīng)滲鉻處理后，65Mn鋼表面形成厚度達14.7 μm、硬度達1 786.8 HV0.1的連續(xù)且致密的滲鉻層，其耐磨性較65Mn鋼淬火+低溫回火處理提高了近1倍。

張占領(lǐng)[34]針對大耕深旋耕復式作業(yè)旋耕刀表硬心韌的使用要求，將碳氮共滲工藝引入到旋耕刀制造中?？疾炝颂嫉矟B對旋耕刀用材料65Mn鋼組織、硬度、沖擊韌度和摩摖磨損性能的影響，結(jié)果表明碳氮共滲工藝處理能夠顯著提高65Mn鋼的硬度、沖擊韌度和耐磨性等力學性能。

袁曉明等[35]針對大耕深（耕深大于20 cm）旋耕刀表硬心韌的性能要求，提出對旋耕刀“表面滲鉻-淬火-中溫回火處理”的制造新工藝，考察了采用該工藝所制旋耕刀的室溫干摩擦磨損行為，并與傳統(tǒng)制造工藝（整體淬火-低溫回火）進行了對比，結(jié)果表明采用滲鉻熱處理工藝制造的旋耕刀具有典型的表硬心韌組織結(jié)構(gòu)，其表層為高硬度的滲鉻層，心部為高抗彎強度和韌性的回火屈氏體;在相同試驗條件下，經(jīng)滲鉻熱處理后試樣的摩擦系數(shù)降低，相對磨損率僅為經(jīng)傳統(tǒng)工藝處理后試樣的0.408。

1.5?其他

近年來，相較于表面堆焊、表面熔覆涂層等典型表面處理技術(shù)，以激光、電子束、離子束等為代表的新型表面強化技術(shù)和以金屬表面高能離子強化注入技術(shù)為代表的表面改性技術(shù)，不斷受到學者們的關(guān)注和研究[36-37]。

陳亞茹等[38]為了提高農(nóng)機主要磨損部件旋耕刀的耐磨性，延長其使用壽命，采用強流脈沖電子束表面改性技術(shù)處理旋耕刀常用材料60Si2Mn鋼的表面，并在土槽臺架模擬工況試驗，結(jié)果表明電子束表面改性技術(shù)可以有效提高旋耕刀的耐磨性，對側(cè)刃內(nèi)側(cè)處理要優(yōu)于對側(cè)刃外側(cè)的處理;加速電壓為30、27 kV時，旋耕刀表面耐磨性較優(yōu)，前者的磨損量較小。

邢澤炳等[39]以65Mn為研究對象，采用離子滲金屬獲得碳化鎢耐磨層的表面處理工藝，結(jié)合使用磨粒磨損試驗機對滲層的耐磨性能進行了試驗研究，結(jié)果表明通過離子滲金屬獲得的碳化鎢層的顯微硬度可達 1 085 HV0.2，厚度可達400 μm，顯著改善65Mn鋼表面耐磨性能和使用壽命。

2?小結(jié)和展望

在我國，表面處理技術(shù)處于國際先進水平，為國內(nèi)的科技進步和經(jīng)濟發(fā)展做出了重要的貢獻。將表面處理技術(shù)應用于旋耕刀等農(nóng)機刃具的制備可以有效地改善旋耕刀的耐磨性能。在旋耕刀等農(nóng)機刃具的基體材質(zhì)上堆焊、熔覆或熱噴涂一層耐磨材料，不僅可以提高其首次使用的工作周期，還能對已經(jīng)磨損失效的部件進行修復處理，提升產(chǎn)品的綜合壽命。相比較堆焊、熔覆或熱噴涂等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)，電子束等表面強化技術(shù)和高能離子注滲等表面改性技術(shù)的成本較高，不適宜大規(guī)模推廣使用。

目前，表面熱噴涂、表面熔覆和表面改性處理等工藝大部分還處于試驗研究階段，在實際生產(chǎn)中應用較少，但隨著技術(shù)的進一步完善和生產(chǎn)成本的下降，將上述工藝用于提高旋耕刀等農(nóng)機刃具的耐磨性將具有廣闊的發(fā)展前景。除了大力推廣表面處理技術(shù)在旋耕刀等農(nóng)機刃具上的應用和理論研究外，還應進一步對現(xiàn)有的表面處理工藝進行改進和優(yōu)化，探索成本更低和自動化水平更高的工藝。最后，還應最大限度地降低采用表面處理技術(shù)制備旋耕刀等農(nóng)機刃具時造成的環(huán)境污染。

48卷1期?蔣三生等?表面處理提高旋耕刀耐磨性研究現(xiàn)狀

參考文獻

[1] 劉永清，桑正中.潛土逆轉(zhuǎn)旋耕刀數(shù)學模型及參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2000，16（4）：88-91.

[2] 張居敏.降低旋耕機能耗的措施性研究[J].中國農(nóng)機化，2005（3）：66-68.

[3] 周光永，莫亞武，陳文凱.旋耕機刀片的耐磨性研究[J].農(nóng)機化研究，2015（12）：66-69.

[4] 吳志立，趙建杰，吳明亮，等.農(nóng)機土壤工作部件耐磨強化研究進展[J].中國農(nóng)機化學報，2016，37（8）：256-264.

[5] MATIN M A，F(xiàn)IELKE J M，DESBIOLLES J M A.Torque and energy characteristics for strip?tillage cultivation when cutting furrows using three designs of rotary blade[J].Biosystems engineering，2015，129：329-340.

[6] 郝建軍，馬躍進，李建昌，等.氬弧熔覆原位合成Ni基耐磨層在犁鏵上的應用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（12）：117-120.

[7] 許斌，馮承明，宋月鵬，等.常規(guī)處理65Mn鋼與45鋼硼化物層的磨粒磨損性能研究[J].熱加工工藝，1997（4）：19-20.

[8] 許斌，馮承明，宋月鵬.硼鉻稀土共滲對提高鋼的耐磨粒磨損性能的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，1998，14（3）：163-167.

[9] 宋月鵬，王偉，高東升，等.基于表面工程技術(shù)制備農(nóng)機刃具的研究現(xiàn)狀[J].中國農(nóng)機化學報，2018，39（1）：27-31.

[10] 李慶達，郭建永，胡軍，等.土壤耕作部件耐磨減阻處理的研究現(xiàn)狀[J].表面技術(shù)，2017，46（2）：119-126.

[11] MENON R.Recent advances in cored wire for hardfacing[J].Welding journal，2002，82（11）：53-58.

[12]李午申，張炳范，徐凱齡，等.免預熱耐磨堆焊焊條的研究[J].焊接學報，1997，18（2）：1-5.

[13] 龔建勛，肖逸鋒，張清輝，等.Fe-Cr-V耐磨堆焊合金[J].焊接學報，2008，29（7）：73-76.

[14] TSENG K H，CHUANG K J.Application of iron?based powders in tungsten inert gas welding for 17Cr?10Ni?2Mo alloys[J].Powder technology，2012，228：36-46.

[15] 龔建勛，張清輝，肖逸鋒，等.Cr-Mn-W-Mo-V耐磨堆焊合金的時效硬化研究[J].金屬熱處理，2008，33（2）：19-23.

[16] 翟鵬飛，邢澤炳，張曉剛.耕作部件表面堆焊合金鑄鐵及其性能研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50（12）：1-3.

[17] BENEGRA M，SANTANA A L B，MARANHO O，et al.Effect of heat treatment on wear resistance of nickel aluminide coatings depositedby HVOF and PTA[J].Journal of thermal spray technology，2015，24：1111-1114.

[18] 邢澤炳，衛(wèi)英慧，翟鵬飛.65Mn鋼表面熔敷硬質(zhì)合金及其耐磨性能[J].材料熱處理學報，2015，36（3）：189-193.

[19] 董升濤，胡軍，李慶達.深松鏟尖等離子堆焊涂層組織結(jié)構(gòu)及性能研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報，2016，28（4）：85-88.

[20] 吳慶丹，肖金坤，張嘎，等.熱噴涂金屬基防滑耐磨涂層的研究進展[J].表面技術(shù)，2018，47（4）：251-259.

[21] 張偉，郭永明，陳永雄.熱噴涂技術(shù)在產(chǎn)品再制造領(lǐng)域的應用及發(fā)展趨勢[J].中國表面工程，2011，24（6）：1-10.

[22] 孫祖信，郭澤亮，陳凱鋒.飛行甲板防滑涂料的研究進展[J].上海涂料，2011，49（7）：28-30.

[23] 蘇景新，路鵬程，王志平.Ni-Al防滑涂層性能[J].焊接學報，2013，34（3）：65-68.

[24] 鄭勁東.國外艦載飛機甲板用防滑涂層的研究與進展[J].艦船科學技術(shù)，2003，25（5）：87-89.

[25] KAROONBOONYANAN S，SALOKHE V M，NIRANATLUMPONG P.Wear resistance of thermally sprayed rotary tiller blades [J].Wear，2007，263：604-608.

[26] NIRANATLUMPONG P，SUKHONKET C，NAKNGOENTHONG J.Wear resistant surface treatment of pulverizer blades[J].Wear，2013，302：878-881.

[27] 李暉，陳亞茹，鄧書彬，等.60Si2Mn鋼高速電弧噴涂耐磨涂層的摩擦磨損性能[J].中國表面工程，2015，28（4）：77-83.

[28] 黃瑞芬，羅建民，王春琴.激光熔覆技術(shù)的應用及其發(fā)展[J].兵器材料科學與工程，2005，28（4）：57-59.

[29] 丁元柱，趙國剛，王振廷.氬弧熔敷原位合成ZrC顆粒增強金屬基復合涂層組織及耐磨性能[J].中國表面工程，2009，22（3）：54-57.

[30] 田永財，王宏立.旋耕刀表面激光熔覆鐵基涂層的組織性狀及耐磨性[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2016，44（11）：359-362.

[31] 屈平，馬躍進，李建昌，等.鋁熱劑法原位合成農(nóng)機刀具Al2O3-Ti（C，N）復合涂層組織結(jié)構(gòu)及性能[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（6）：65-72.

[32] 李杰銀，劉俊峰，李建平，等.開溝刀耐磨損性實驗研究[J].農(nóng)機化研究，2013（3）：196-199.

[33] 趙玉鳳，王宏宇，王榮，等.旋耕刀用65Mn鋼表面滲鉻工藝優(yōu)化及其耐磨性研究[J].農(nóng)機化研究，2012，34（10）：156-160.

[34] 張占領(lǐng).碳氮共滲旋耕刀用65Mn鋼的組織和性能研究[J].鑄造技術(shù)，2017，38（8）：1852-1853，1865.

[35] 袁曉明，王宏宇，趙玉鳳，等.大耕深旋耕刀的制造工藝及其耐磨性[J].揚州大學學報（自然科學版），2012，15（1）：33-37.

[36] 陳卓君，張祖立.激光硬化9SiCr表面土壤磨損研究[J].摩擦學學報，2011，31（1）：84-87.

[37] 趙天林，趙鋼.高能離子注滲WC的實用效果及耐磨性分析[J].中國表面工程，2003（5）：36-38.

[38] 陳亞茹，李暉.旋耕刀表面強流脈沖電子束改性后的耐磨性研究[J].材料保護，2017，50（8）：84-88.

[39] 邢澤炳，衛(wèi)英慧.65Mn 鋼離子滲碳化鎢的耐磨性能[J].材料熱處理學報，2013，34（S2）：201-204.