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《表面处理提高旋耕刀耐磨性现状》

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摘要旋耕刀作为农机耕作的主要触土部件,其常用材料为65Mn或60Si2Mn;磨损是导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标.综述了在旋耕刀基体上进行表面强化的几种表面处理工艺,如表面堆焊、热喷涂表面处理、表面熔覆涂层和表面化学热处理;电子束、激光、离子束等表面强化和高能离子强化注入等表面改性则是新兴的几种表面强化技术.最后提出应进一步对现有的表面处理工艺进行改进和优化,探索成本更低和自动化水平更高的工艺.

关键词表面处理;旋耕刀;耐磨性

中图分类号TG174文献标识码A文章编号0517-6611（2020）01-0027-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.007

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

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

JIANG Sansheng1,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 wordsSurface treatment;Rotary blade;Wear resistance

随着农业机械化和自动化的飞速发展,我国农村耕地基本上采用旋耕机进行刨土作业.由于耕作土壤环境的不同,旋耕机的样式各异,其所配置的刀片材料、结构形状和热处理工艺等各不相同,因此造成旋耕刀片的各种性能存在差异.长期以来,提高效率、降低功耗是旋耕機刀片研究的主要目标[1-2].旋耕机刀片经常在含有农药、化肥等潮湿且具有腐蚀性的环境中作业,并与土壤中的砂砾、碎石或作物残茬等进行摩擦,并伴随振动和冲击等,而磨损是导致旋耕刀失效的主要因素之一[3-5].据统计,普通旋耕刀在黏性土壤中作业寿命为（2.0～3.5）×105 m2/片,在砂土中作业寿命仅为（3.3～5.5）×104 m2/片,而磨钝后的耕作刀会导致牵引阻力增大、油耗增加,导致旋耕机的工作效率降低,提高作业成本[6].因此,采用表面强化手段来提高耕作触土部件的耐磨性能对于提高旋耕机的工作效率具有重要的研究意义.

目前,以耕作刀常用材料为基体（按GB/T 5669—2008规定,旋耕刀的常用材料为65Mn或60Si2Mn）,采用各种表面工程（如表面处理工艺、表面仿生等）对旋耕刀进行强化,能够达到提高耐磨性、降低油耗和作业成本的良好效果[7-8].表面处理工艺主要包括表面堆焊、表面热喷涂、表面熔覆涂层和表面化学热处理等[9-10],主要用于提高材料的耐高温、防腐蚀、耐磨损和抗疲劳等特性,从而提高零件的可靠性和使用寿命,具有很高的应用价值.文章总结了提高旋耕刀耐磨性能的几种表面处理工艺.

1表面处理工艺

1.1表面堆焊

表面堆焊是为了增大或恢复零部件尺寸或使焊件表面获得具有特殊性能的合金层而进行的一种焊接工艺,是应用比较广泛的一种表面强化技术.常用的堆焊方法包括手工电弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊、埋弧自动堆焊、气体保护堆焊、等离子弧堆焊、振动电弧堆焊、激光堆焊等.在堆焊金属中采用碳化物作为硬质相可以提高堆焊金属的耐磨性[11],常用的碳化物元素有Cr和W[12],但Cr、W等元素为中强碳化物元素,在形成碳化物时,对基体有较强的固溶强化作用,容易造成基体脆化,降低其焊缝的抗裂性.因此,开发高性能的堆焊合金抗磨材料,对减少停机和维修、提高效益等具有重大意义,已成为当前的研究热点[13-15].

翟鹏飞等[16]以FW-1102高铬、高硼系合金铸铁为堆焊材料,对旋耕刀常用材料60Si2Mn进行堆焊耐磨铸铁处理,结果表明用电弧在60Si2Mn钢表面堆焊合金铸铁,可以获得与基体呈冶金结合的堆焊层,且堆焊层组织致命性好,强韧性高,耐磨性好.

Benegra等[17]在不锈钢表面分别进行等离子堆焊和超音速火焰喷涂处理,并对这2种涂层进行磨损试验比较,结果表明等离子堆焊镍铝涂层的耐磨性优于超音速火焰喷涂涂层,且等离子堆焊涂层在热处理过程中没有出现表面氧化,主要原因是镍铝化合物是一种抗高温环境材料.

邢泽炳等[18]以旋耕刀常用的基体材料65Mn钢为研究对象,使用氩弧堆焊技术熔敷由WC、TiC和Co组成的硬质合金粉末,在材料表面形成电弧熔敷层,结果表明电弧熔敷硬质合金可在65Mn钢表面形成与基体结合紧密的耐磨涂层,当涂层中Co、TiC和WC含量分别为45%、20%和35%时,硬质合金涂层表面的平均磨损量仅为未处理65Mn旋耕刀的27%.电弧熔敷可显著提高表层显微硬度,改善表面耐磨性能,提高耕作部件的使用寿命.

董升涛等[19]利用等离子弧堆焊技术在土地耕作部件深松铲尖（材料为蠕墨铸铁）的基体上制得铁基-碳化钨复合涂层材料,结果表明堆焊层中无裂纹、气孔等缺陷;涂层组织包括树枝晶和枝晶间多元共晶组织;在相同的试验条件下,堆焊涂层的耐磨性明显高于普通深松铲尖,且深松铲尖的耐磨性随着碳化钨质量分数的增加而增强;当碳化钨含量在40%时,堆焊层的硬度和耐磨性能最强.

1.2热喷涂表面处理

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,并以一定速度喷射且沉积到经过预处理的基体表面,从而形成涂层的一种表面强化方法.热喷涂技术根据加热喷涂材料的热源种类,可以分为火焰类、电弧类、电热法和激光法4种类型.经热喷涂技术处理后的材料能获得良好的耐磨和耐腐蚀性能[20-24],对延长耕作刀具的使用寿命具有一定的探索价值.

Karoonboonyanan等[25]、Niranatlumpong等[26]对比了在旋耕刀基体上进行超音速火焰喷涂（HVOF）制备WC-Co涂层和等离子喷涂制备AL2O3/Ti2O3涂层的耐磨性能,结果表明2种喷涂技术较常规热处理方法均能有效改善材料的耐磨性;在砂土磨损试验中,WC-Co涂层的耐磨性更好,刀具经热喷涂WC-Co涂层后的磨损率仅为淬火钢的38%.

李晖等[27]为提高旋耕刀的耐磨性并延长其使用寿命,利用高速电弧喷涂技术在旋耕刀材料60Si2Mn钢表面制备NiAl黏结层与Ni-Al2O3、Cr2O3、SiC、Cr、Ti和Fe构成的耐磨涂层.经试验分析,耐磨涂层多相组成,组织均匀致密,表面硬度达1 037 HV0.2,比传统淬火、中温回火的表面硬度提高36%,表层硬度最高达1 202 HV0.2.摩擦磨损试验表明,耐磨涂层与传统淬火、中温回火相比,体积磨损量下降60%,摩擦因数降低44%,电弧喷涂涂层有效地降低了摩擦和磨损,改善了材料的耐磨性.

1.3表面熔覆涂層

表面熔覆技术是通过选择不同涂层材料及工艺,在基体表面制备出一种耐磨损、耐腐蚀、抗高温和热障等多功能涂层的新工艺,是提高材料表面性能的重要手段之一[28-29].目前,不少学者致力于研究各种熔覆技术用于提高农机刃具的综合性能和延长使用寿命.

田永财等[30]为了提高旋耕刀耐磨性,利用激光堆焊熔覆技术在旋耕刀表面制备铁基涂层,结果表明熔覆层显微硬度最高可达820 HV1（kg/hm2）,为基体的3倍左右,耐磨性能明显优于基体.田间试验表明,经熔覆处理后的旋耕刀耐磨性能明显优于传统热处理的旋耕刀.

屈平等[31]为了提高旋耕刀等农机触土刀具表面强度,以铝热剂的放热反应提供内在热源、等离子弧作为外在热源,采用反应等离子熔覆技术在Q235钢表面原位合成了Al2O3-Ti（C,N）复合材料涂层,结果表明涂层与基体呈冶金结合,硬质相Al2O3、Ti（C,N）与黏结相Fe-Ni之间形成空间网状骨架结构;涂层硬度最高可达HV0.52160,平均硬度HV0.51870,约为基体Q235钢的7.7倍;涂层摩擦系数约为0.372,其磨损量约为65Mn钢及Q235钢的1/7和1/17.

李杰银等[32]针对开沟刀因磨损导致使用寿命低等问题,采用反应氮弧熔覆技术,在基体材料为65Mn的开沟刀工作表面熔覆一层高耐磨性的熔覆层.通过台架磨损试验对比研究,熔覆层耐磨性较常规淬火回火处理的65Mn钢有明显提高,前者的耐磨性比后者增大了近3倍.

1.4表面化学热处理

化学热处理是利用化学反应,有时兼用物理方法来改变钢材表层化学成分及组织结构,以得到比基体材料具有更好的技术经济效益的金属热处理工艺.根据渗入元素的不同,可以将其分为渗碳、渗氮、渗铬、碳氮共渗等多种工艺类型.目前,已有部分学者将表面化学热处理用于提高大耕深旋耕刀耐磨性能的研究中.

赵玉凤等[33]针对大耕深旋耕刀提出的表硬心韧要求,将表面渗铬处理引入旋耕刀制造中,优化了旋耕刀用65Mn钢的渗铬工艺参数,考察了最优工艺参数下渗铬层的摩擦磨损性能,并与旋耕刀现有热处理工艺（淬火+低温回火处理）进行了比较,研究表明在一定试验条件下,65Mn钢表面渗铬处理的最优工艺为950 ℃×9 h;经渗铬处理后,65Mn钢表面形成厚度达14.7 μm、硬度达1 786.8 HV0.1的连续且致密的渗铬层,其耐磨性较65Mn钢淬火+低温回火处理提高了近1倍.

张占领[34]针对大耕深旋耕复式作业旋耕刀表硬心韧的使用要求,将碳氮共渗工艺引入到旋耕刀制造中.考察了碳氮共渗对旋耕刀用材料65Mn钢组织、硬度、冲击韧度和摩摖磨损性能的影响,结果表明碳氮共渗工艺处理能够显著提高65Mn钢的硬度、冲击韧度和耐磨性等力学性能.

袁晓明等[35]针对大耕深（耕深大于20 cm）旋耕刀表硬心韧的性能要求,提出对旋耕刀“表面渗铬-淬火-中温回火处理”的制造新工艺,考察了采用该工艺所制旋耕刀的室温干摩擦磨损行为,并与传统制造工艺（整体淬火-低温回火）进行了对比,结果表明采用渗铬热处理工艺制造的旋耕刀具有典型的表硬心韧组织结构,其表层为高硬度的渗铬层,心部为高抗弯强度和韧性的回火屈氏体;在相同试验条件下,经渗铬热处理后试样的摩擦系数降低,相对磨损率仅为经传统工艺处理后试样的0.408.

1.5其他

近年来,相较于表面堆焊、表面熔覆涂层等典型表面处理技术,以激光、电子束、离子束等为代表的新型表面强化技术和以金属表面高能离子强化注入技术为代表的表面改性技术,不断受到学者们的关注和研究[36-37].

陈亚茹等[38]为了提高农机主要磨损部件旋耕刀的耐磨性,延长其使用寿命,采用强流脉冲电子束表面改性技术处理旋耕刀常用材料60Si2Mn钢的表面,并在土槽台架模拟工况试验,结果表明电子束表面改性技术可以有效提高旋耕刀的耐磨性,对侧刃内侧处理要优于对侧刃外侧的处理;加速电压为30、27 kV时,旋耕刀表面耐磨性较优,前者的磨损量较小.

邢泽炳等[39]以65Mn为研究对象,采用离子渗金属获得碳化钨耐磨层的表面处理工艺,结合使用磨粒磨损试验机对渗层的耐磨性能进行了试验研究,结果表明通过离子渗金属获得的碳化钨层的显微硬度可达 1 085 HV0.2,厚度可达400 μm,显著改善65Mn钢表面耐磨性能和使用寿命.

2小结和展望

在我国,表面处理技术处于国际先进水平,为国内的科技进步和经济发展做出了重要的贡献.将表面处理技术应用于旋耕刀等农机刃具的制备可以有效地改善旋耕刀的耐磨性能.在旋耕刀等农机刃具的基体材质上堆焊、熔覆或热喷涂一层耐磨材料,不仅可以提高其首次使用的工作周期,还能对已经磨损失效的部件进行修复处理,提升产品的综合寿命.相比较堆焊、熔覆或热喷涂等传统表面处理技术,电子束等表面强化技术和高能离子注渗等表面改性技术的成本较高,不适宜大规模推广使用.

目前,表面热喷涂、表面熔覆和表面改性处理等工艺大部分还处于试验研究阶段,在实际生产中应用较少,但随着技术的进一步完善和生产成本的下降,将上述工艺用于提高旋耕刀等农机刃具的耐磨性将具有广阔的发展前景.除了大力推广表面处理技术在旋耕刀等农机刃具上的应用和理论研究外,还应进一步对现有的表面处理工艺进行改进和优化,探索成本更低和自动化水平更高的工艺.最后,还应最大限度地降低采用表面处理技术制备旋耕刀等农机刃具时造成的环境污染.

48卷1期蒋三生等表面处理提高旋耕刀耐磨性研究现状

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