稀土催滲碳氮硼共滲自磨刃割刀組織與性能研究

宋月鵬，王偉,2，李法德，宋占華

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.泰安市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，山東 泰安 271000）

畜牧業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，其50%以上的產(chǎn)值由飼草轉(zhuǎn)化而來（如美國(guó)達(dá)73%，澳大利亞、新西蘭均在90%以上）。但是，目前國(guó)產(chǎn)飼草料收獲機(jī)械普遍存在可靠性差、無故障作業(yè)時(shí)間短等諸多問題，約80%以上的高端農(nóng)機(jī)裝備需要進(jìn)口，其中一個(gè)重要原因在于關(guān)鍵零部件可靠性差、使用壽命短[1]。割刀是現(xiàn)代飼草料收獲機(jī)械的核心零部件，直接影響到整機(jī)工作可靠性與使用壽命、作業(yè)效率及能耗[2-6]。資料介紹[2-4]，國(guó)產(chǎn)飼草料收獲機(jī)械切刀的使用壽命僅為國(guó)外產(chǎn)品的1/3～1/2，國(guó)外高端飼草料收獲機(jī)械普遍采用自磨銳刀具，但其制備難度大、成本高[3-4]。

化學(xué)熱處理是國(guó)內(nèi)制備自磨銳農(nóng)機(jī)刃具的主要方法之一[3-4,7-9]，通過滲碳、滲硼、滲鉻、碳氮共滲等工藝對(duì)農(nóng)機(jī)刃具進(jìn)行處理[7-9]。如內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)郭林、申慶泰等[8]對(duì)鍘草機(jī)刀片進(jìn)行滲碳處理；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)田波平等[9]采用硼鋁共滲處理收割機(jī)刀片。這些刃具雖取得較好效果，但在制備及使用過程中存在滲層淺，熱處理溫度高，變形較大，硬度梯度大導(dǎo)致硬化層極易剝落等諸多問題，嚴(yán)重影響整機(jī)的工作可靠性及其作業(yè)效果。眾多研究結(jié)果表明[10-20]，稀土元素不僅具有顯著的催滲效果，能降低熱處理溫度，提高滲速，減小零件變形，還可以大幅提高滲層的硬度及耐磨性，Liu 等研究結(jié)果表明[10]，17-4PH 鋼經(jīng)500 ℃×4 h 氣體離子碳氮共滲處理后，與未加稀土元素相比，加稀土元素形成的碳氮共滲層的厚度增加了29%，硬度提高了70～120HV，摩擦速率降低了51%。宋月鵬等前期研究結(jié)果表明[11]，滲劑中的稀土含量對(duì)碳氮硼共滲層深度、硬度及致密度具有顯著影響，經(jīng)過對(duì)固體共滲劑組分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最佳稀土含量為4%～6%。不僅如此，稀土催滲碳氮硼（CNB）共滲工藝還可以形成硬度呈均勻梯度分布的滲層，這對(duì)于飼草料收獲機(jī)械割刀自磨銳特性形成、提高作業(yè)可靠性及效果具有重要意義。

本文采用的割刀基體材料為40CrMoV，尺寸結(jié)構(gòu)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 10938—2008）執(zhí)行，對(duì)割刀后刀面與刀尖處進(jìn)行稀土催滲固體碳氮硼局部共滲處理，通過對(duì)共滲層的顯微組織、成分及硬度分布進(jìn)行檢測(cè)分析，研究稀土催滲碳氮硼共滲割刀工作過程中自磨銳特性的形成原理及其對(duì)作物的低損傷切割機(jī)制，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)

1.1 割刀的稀土催滲固體碳氮硼局部共滲工藝過程

采用固體法稀土催滲碳氮硼共滲工藝，滲劑由滲硼劑（55%）與碳氮共滲劑（45%）混合而成，滲硼劑組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：稀土6%，硼砂25%，鐵合金25%，還原劑15%，余量為添加劑。碳氮共滲劑組分為：尿素25%，無水碳酸鈉8%，稀土5%，無水乙酸鈉8%，余量為添加劑。

割刀刃口角度為30o，除后刀面及刀尖外，其余部位均涂覆防滲涂料。按照文獻(xiàn)[11]給出的熱處理步驟進(jìn)行共滲處理。滲罐材料為316L 不銹鋼，雙層蓋水玻璃泥密封，到溫入爐。共滲工藝為850 ℃×4 h，滲后進(jìn)行空冷處理。從滲罐中取出共滲割刀清理，刃口處在GY-40 型高頻感應(yīng)設(shè)備（山東萊州市新源電子設(shè)備廠）上加熱，設(shè)備的輸出功率是40 kW，震蕩頻率是30～50 kHz，通電加熱5 s 后油淬。

1.2 性能測(cè)試及組織觀察

利用Caikon-4XCE 型金相顯微鏡（上海蔡康光學(xué)儀器有限公司）進(jìn)行顯微組織分析及照相；采用TH51 型顯微硬度計(jì)（北京時(shí)代）進(jìn)行材料的顯微硬度測(cè)試；采用SU7000 型掃描電鏡（SEM，日立高新技術(shù)公司）進(jìn)行組織分析及微區(qū)成分分布檢測(cè)。

1.3 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)在淄博市淄川區(qū)拙政園林基地進(jìn)行，試驗(yàn)用草主要是園林綠化樹培育基地內(nèi)自生雜草，高約為0.5～1.2 m，直徑約為3～5 mm。采用9G-15 偏置式旋轉(zhuǎn)割草機(jī)（石家莊鑫農(nóng)機(jī)械有限公司）進(jìn)行田間試驗(yàn)，該割草機(jī)共有四個(gè)刀盤，每個(gè)刀盤上又各有兩個(gè)刀軸，每個(gè)刀軸上可安裝4 片割刀。將兩組碳氮硼共滲自磨刃刀片（16 片）分別安裝在兩個(gè)刀盤上，將另一組市售割刀（65Mn 鋼，刃口處感應(yīng)淬火，16 片）安裝到另兩個(gè)刀盤上，兩者進(jìn)行相同條件下的現(xiàn)場(chǎng)割草試驗(yàn)。刀盤轉(zhuǎn)速1450 r/min，作業(yè)效率0.4～0.8 公 頃/h，割茬高度50～150 mm。作業(yè)不同時(shí)間后，測(cè)量?jī)煞N割刀的磨損失重速率（g/h），最后對(duì)比不同割刀刃口處磨損宏觀形貌及切割茬口的形貌。

2 結(jié)果及分析

2.1 稀土催滲碳氮硼共滲層的顯微組織及成分分布

圖1 為割刀經(jīng)850 ℃×4 h 稀土催滲碳氮硼共滲處理后，空冷狀態(tài)下的顯微組織形貌。由圖可以看出，共滲割刀的后刀面外層由硼化物層和碳氮共滲層組成，如圖1a 所示。最外層的硼化物較為致密，與內(nèi)層碳氮共滲層界面呈指狀楔入，厚度約為50～70 μm。硼化物具有較高的硬度（Fe2B 為1300～1700HV，F(xiàn)eB為1500～2200HV）和優(yōu)良的耐磨性能。與單一滲硼處理相比，稀土催滲碳氮硼共滲會(huì)形成厚度約為750～1000 μm 的碳氮共滲層，如圖1b 所示，正火或淬火后，該區(qū)的硬度均比基體高，因此硬度梯度變緩，對(duì)外層硬的硼化物層起到良好的支撐作用，可使得割刀作業(yè)過程中，刃口處的硼化物層不易剝落或崩刃。這對(duì)于割刀自磨銳特性的形成，提高工作可靠性及作業(yè)效果是極為有利的。

眾所周知，碳、氮、硼元素對(duì)鋼鐵材料的硬度及淬透性具有顯著的影響，通過SEM 結(jié)合微區(qū)成分進(jìn)行這三種元素的線掃描分析（EDS），結(jié)果如圖2b—d 所示。由檢測(cè)結(jié)果可以看出，硼化物層中，碳元素的含量較低，這與文獻(xiàn)[11,14,18]給出的結(jié)論一致。主要原因是碳元素在硼化物中的溶解度極低，當(dāng)外層硼化物形成致密層而逐漸向內(nèi)層擴(kuò)展時(shí)，表層的碳、氮元素將內(nèi)遷形成所謂的過渡區(qū)，因此在硼化物層中，硼元素含量較高，碳、氮元素含量相對(duì)較低，而從過渡區(qū)、碳氮共滲區(qū)到基體，這兩種元素呈梯度均勻變化分布。

進(jìn)一步對(duì)共滲層中Cr 與Fe 元素分布情況進(jìn)行線掃描分析，結(jié)果如圖2e、f 所示。圖中顯示，這兩種元素在硼化物區(qū)含量較低，在碳氮共滲區(qū)含量逐漸增加，這說明在熱處理過程中，這兩種元素逐漸向基體擴(kuò)散。與基體相比，碳氮共滲區(qū)的C、N、Cr、B 等元素含量較高，顯著提高了該區(qū)的淬透性及馬氏體硬度。

圖2 稀土催滲碳氮硼共滲層成分分布 Fig.2 Component distribution of carbon-nitron-boronized layer with rare elements catalysis

基于稀土催滲碳氮硼共滲層成分分布檢測(cè)結(jié)果，可以得到共滲層形成機(jī)制：固體滲硼劑及碳氮共滲劑在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成活性稀土原子、硼原子、碳原子及氮原子。稀土原子首先吸附在鋼件表面，沿晶界或其他結(jié)構(gòu)缺陷處向基體擴(kuò)散，由于原子半徑較大，引起表面組織及晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重畸變，這為半 徑較小的C、N、B 原子的快速滲入創(chuàng)造了熱力學(xué)條件[11-15,16-20]。當(dāng)表層硼元素達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)形成Fe2B 相并逐漸長(zhǎng)大，一部分Cr 原子溶入Fe2B 相，可以大幅度降低Fe2B 的本質(zhì)脆性[21]。由于C、N 等元素在硼化物中溶解度較小，因此表層的這些元素將逐漸向基體擴(kuò)散，形成碳氮共滲層。這種成分梯度分布對(duì)于提高該區(qū)的硬度及對(duì)表層硼化物支撐是極為有利的。

2.2 稀土催滲碳氮硼共滲層硬度梯度分布及其割刀的自磨銳特性

前已述及，稀土催滲碳氮硼共滲層實(shí)現(xiàn)了成分及組織的梯度分布，圖3 為割刀經(jīng)稀土催滲碳氮硼共滲處理（850 ℃×4 h）后，兩種狀態(tài)（空冷、刃口高頻淬火）下剖面沿厚度方向不同部位的硬度分布，其中，圖3a 中硬度的測(cè)量位置L1 距刀尖處1.0 mm，圖3b中L2 距離刀尖處5.0 mm。

由圖3 可以看出，割刀的后刀面為硼化物層，硬度較高，從后刀面到頂面的硬度逐漸降低，并且梯度變化較為平緩。同時(shí)檢測(cè)結(jié)果表明，刃口處感應(yīng)淬火后，硼化物硬度有所升高，如L1 處，靠近后刀面0.01 mm 處，淬火后硼化物硬度約為1800HV，而共滲后空冷處理的硼化物只有1500HV。硬度升高的原因可能是由于高頻加熱時(shí)，硼化物與Fe 形成了共晶重熔處理，枝狀或鋸齒狀硼化物層形貌變得非常不明顯，與碳氮共滲層結(jié)合牢固，初生的硼化物由雜亂無章的分布變?yōu)樵谠嚇訖M截面上沿長(zhǎng)度方向排列，并增加了其形核率，晶粒得到細(xì)化，表層硼化物不易剝落。圖4a、b 分別為感應(yīng)加熱前后的硼化物組織形貌對(duì)比。

對(duì)硼化物進(jìn)行共晶重熔處理，可以有效提高硼化物層的硬度、耐磨性。劉瑾的研究結(jié)果表明[22]，隨著高頻感應(yīng)加熱電壓強(qiáng)度的增大，共晶體凝固過程中形核率的增加程度、晶粒的平均等效直徑和所占體積分?jǐn)?shù)都呈減小趨勢(shì)，因此導(dǎo)致外層硼化物晶粒細(xì)化、致密度增加，硬度提高。張艷等[23]對(duì)金屬模具表面稀土催化共晶滲硼組織及性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)共晶重 熔處理后，滲硼層硬度及耐磨性能顯著提高。陳樹旺等[24]對(duì)滲硼層進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱共晶重熔處理后，大幅提高了磨損、沖擊和在高溫條件下工模具的壽命。

圖3 稀土催滲碳氮硼共滲割刀剖面的硬度分布 Fig.3 Hardness distribution of carbon-nitron-boronized blade with rare elements catalysis

割刀自磨銳特性形成的基本原理是，工作過程中刃口處的兩個(gè)刃面產(chǎn)生不同的磨損量，使得刃口始終突出于前沿，這樣可較長(zhǎng)時(shí)間保持割刀鋒利的切割性能[2-4]。由此可見，自磨刃是由于刀片工作過程中兩刃面（前刀面、后刀面）磨損程度不同而形成的。就材料設(shè)計(jì)而言，實(shí)現(xiàn)刃面硬度不同，就可以實(shí)現(xiàn)割刀作業(yè)過程中磨損量的差異，進(jìn)而形成自磨銳特性。采用硬度呈梯度均勻分布的新材料制備自磨刃割刀，可以長(zhǎng)時(shí)間保證切割鋒銳性。宋月鵬[25]及Rostek 等[5]采用不同梯度材料制備飼草料收獲機(jī)械刃具零件，取得了較好的使用效果。

對(duì)割刀進(jìn)行稀土催滲碳氮硼共滲處理時(shí)，前刀面（除刀尖處外）及頂面均涂覆防滲涂料，這些部位的表層無硼化物。顯微硬度檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共滲割刀刃口淬火后，刀尖處表層硼化物硬度約為1700HV，內(nèi)層碳氮共滲層硬度約為1000～1400HV，耐磨性好，對(duì)刀尖處硼化物有良好的支撐作用，作業(yè)過程中不易剝落或崩刃。距后刀面1 mm 處的前刀面硬度約為780HV，前刀面上從刀尖到頂面的硬度分布呈梯度均勻變化，因此刀尖部位始終保持鋒銳的切割性能。另一方面，后刀面與割茬或土壤接觸時(shí)，磨損嚴(yán)重，需要具有較高的硬度，由圖3 中L2 測(cè)量位置的硬度梯度分布檢測(cè)結(jié)果可以看出，在割刀厚度方向上，硬度梯度比較平緩，這對(duì)于割刀作業(yè)過程中自磨銳特性的形成具有重要意義。

2.3 田間試驗(yàn)及其結(jié)果分析

圖5a 為兩種割刀（市售割刀、稀土催滲碳氮硼共滲自磨刃割刀）在不同作業(yè)時(shí)間下的失重曲線，圖5b 為相同條件下兩種割刀作業(yè)40 h 后，割刀刃口及后刀面的宏觀形貌比較。

由圖5a 可以看出，相同條件下，兩種割刀作業(yè)初期的磨損失重速率較大，但隨著作業(yè)時(shí)間的延長(zhǎng)，割刀的磨損失重速率逐漸趨向于平穩(wěn)。作業(yè)初期8 h內(nèi)，市售刀片磨損失重速率為1.54 g/h，而碳氮硼共滲割刀的失重速率僅為0.41 g/h。隨著作業(yè)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，兩種割刀的失重速率均緩慢下降，工作40 h后，市售刀片磨損失重速率為0.297 g/h，而碳氮硼共滲割刀的磨損失重速率為0.04 g/h。從割刀作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)可以看出，與國(guó)標(biāo)市售割刀相比，碳氮硼共滲割刀的耐磨性能提高3 倍以上。這充分說明稀土催 滲碳氮硼共滲自磨刃割刀耐磨性、使用壽命大幅度提升，這對(duì)于提高我國(guó)高端農(nóng)機(jī)關(guān)鍵零件制備水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 兩種割刀在不同工作條件下的失重及宏觀磨損狀況 Fig.5 Weight loss and macro wear of two blades in the same cutting conditions: a) weight loss for different cutting time; b) macro wear

進(jìn)一步觀察兩種割刀作業(yè)40 h 后的宏觀形貌（圖5b 所示），可以明顯看出，市售割刀刃口處兩個(gè)刃面形成了較大的圓弧半徑而鈍化，磨損極為嚴(yán)重。主要原因在于，市售割刀的處理工藝是，65Mn鋼板開刃后，刃口處進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火，此時(shí)刃口處前刀面與后刀面硬度相差不大，因此作業(yè)過程中兩刃面磨損速率比較接近，這樣會(huì)造成刃口處曲率半徑逐漸增大而鈍化，作業(yè)過程中對(duì)牧草莖稈撞擊拉拔作用增強(qiáng)，使根部與土壤松動(dòng)而枯萎。同時(shí)，鈍化的割刀對(duì)牧草的切割作用變?nèi)?，使得切口處極為粗糙。圖6a 為市售割刀工作40 h 后，繼續(xù)切割牧草時(shí)形成的割茬切口形貌，這種粗糙的切口使牧草的水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速流失，極難愈合，對(duì)于像苜蓿之類的再生作物的再生過程具有不利影響，再生周期大幅延長(zhǎng)。

而對(duì)于稀土催滲碳氮硼共滲割刀，由于后刀面為高硬硼化物，耐磨性好，沿割刀厚度方向上的前刀面硬度梯度均勻緩慢變化，作業(yè)時(shí)均勻磨損，刃口處曲率半徑變化不大，始終保持鋒銳的切割性能，這種自磨刃割刀對(duì)于牧草的低損傷切割是極為有利的。圖6b 為稀土催滲碳氮硼共滲自磨刃割刀工作40 h 后，繼續(xù)切割牧草時(shí)割茬切口的宏觀形貌，由圖可以看出，切口處比較平齊，莖稈損傷較小，再生芽破損小，非常利于切口的愈合與再生作物的正常生長(zhǎng)。

圖6 兩種割刀作業(yè)40 h 后割茬切口的宏觀形貌比較 Fig.6 Comparison of macro morphologies in cutting edges of two blades after working for 40 hours: a) blade available in the market; b) carbon-nitron-boronized blade with rare elements catalysis

3 結(jié)論

1）40CrMoV 割刀經(jīng)850 ℃×4 h 稀土催滲碳氮硼共滲后，后刀面外層由硼化物層（約50～70 μm）和碳氮共滲層（約750～1000 μm）組成，割刀刃口處高頻油淬后，外層硼化物共晶重熔處理導(dǎo)致硬度有所增加。

2）稀土催滲碳氮硼共滲層實(shí)現(xiàn)了割刀厚度方向上組織、成分及硬度分布的梯度均勻變化，后刀面及刃口處表層硼化物硬度高、耐磨性好，碳氮共滲層對(duì)硼化物有良好的支撐作用，使得割刀作業(yè)過程中可以形成自磨銳特性。

3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，稀土催滲碳氮硼共滲割刀耐磨性是市售割刀的3 倍以上，作業(yè)40 h 后仍然保持鋒銳的切割性能，切口平齊，再生芽破損小，非常利于切口的愈合與再生作物的生長(zhǎng)。

[18] YUAN Xing-dong, XU Bin, CAI Yu-cheng. Study on Cr-rear earth-broronizing of the steel 45 at low temprature[J]. Physics procedia, 2013, 50: 82-87.

[19] 鄭盼, 商劍, 張?jiān)? 稀土添加量對(duì)20CrMnTi 鋼表面碳鈮滲層組織及性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2018, 47(7): 167-172. ZHENG Pan, SHANG Jian, ZHANG Yue. Effects of rare earth content on microstructure and properties of composite carbon-niobiumizing coatings prepared on 20CrMnTi steel[J]. Surface technology, 2018, 47(7): 167-172.

[20] TANG L N, FAN M F. Effects of rare earths addition on the microstructure, wear and corrosion resistances of plasma nitrided 30CrMnSiA steel[J]. Surface and coatings technology, 2012, 206: 2363-2370.

[21] 許斌, 宋月鵬, 馮承明. 降低滲硼層本質(zhì)脆性對(duì)其磨粒磨損特性的影響[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2001, 12(10): 1194-1197. XU Bin, SONG Yue-peng, FENG Cheng-ming. Effect of decreasing the eigen-brittleness of boride layer on its abrasion wear behavior[J]. China mechanical engineering, 2001, 12(10): 1194-1197.

[22] 劉瑾. 脈沖電流對(duì)過共晶Fe-C-B 合金初生硼化物形貌分布的影響[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2013. LIU Jin. Effect of electric pulse on primary boride in hypereutectic Fe-C-B alloy[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2013.

[23] 張艷, 鮑崇高, 侯書增. 金屬模具表面稀土催化共晶滲硼組織及其性能[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 48 (10): 96-100. ZHANG Yan, BAO Chong-gao, HOU Shu-zeng. The metal mold surface and properties of rare earth catalyst eutectic boride[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(10): 96-100

[24] 陳樹旺, 陳衛(wèi)東, 王全勝. 高頻感應(yīng)加熱滲硼及共晶化的工藝和組織研究[J]. 熱處理, 2014, 29(2): 34-40. CHEN Shu-wang, CHEN Wei-dong, WANG Quan-sheng. Process of boronizing followed by eutecticum treating by high-frequency induction heating and case structure[J]. Heat treatment, 2014, 29(2): 34-40.

[25] 宋月鵬, 高雪, 李法德, 等. 超重力熔鑄梯度材料制備飼草料收獲機(jī)械自磨銳切刀[J]. 中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2018, 48(1): 94-100. SONG Yue-peng, GAO Xue, LI Fa-de, et al. Study on self-sharpening cutter for forage harvesting machine with functionally gradient material prepared by combustion synthesis melt-casting under ultra-gravity field[J]. Scientia sinica technologica, 2018, 48(1): 94-100.