農(nóng)機(jī)耕作零部件表面改性技術(shù)研究及展望

　　摘 要：農(nóng)機(jī)耕作零部件因磨損失效，性能受到嚴(yán)重影響，制約著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。表面改性技術(shù)以其工藝靈活、適用性強(qiáng)、操作方便、成本低等優(yōu)勢成為提高農(nóng)機(jī)耕作零部件耐磨性的重要技術(shù)手段。表面改性技術(shù)在農(nóng)機(jī)方面應(yīng)用較多的有熱噴涂、噴焊、堆焊、熔覆及仿生五種技術(shù)手段，不同技術(shù)的優(yōu)劣勢及適用條件各不相同，結(jié)合這五種手段，介紹了表面改性技術(shù)在提高農(nóng)機(jī)耕作零部件耐磨性、改善表面性能方面的研究概況，并對其應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢提出展望。

　　關(guān) 鍵 詞：農(nóng)機(jī)耕作零部件;表面改性;磨損失效;耐磨性

　　苑仁月，白雪衛(wèi)，李浩喆，孫世杰，翟艷坤;真空;中圖分類號：TG176 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

　　近年來，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化高速發(fā)展，其水平影響著整體農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。農(nóng)機(jī)耕作零部件在農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展過程中起著決定性作用，關(guān)鍵零部件的質(zhì)量直接影響整機(jī)的可靠性和使用壽命。然而由于農(nóng)機(jī)耕作部件的工作環(huán)境較差，土壤中砂石、作物根莖等對工作部件產(chǎn)生較大的磨損和腐蝕，而且我國農(nóng)機(jī)零部件的合格率僅有 60%左右，嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提升[1-2]。農(nóng)機(jī)耕作部件易磨損是世界各國共同面對的亟待解決的難題，科研人員需結(jié)合本國農(nóng)耕實(shí)際情況，發(fā)展最適合作業(yè)的農(nóng)機(jī)耕作部件。

　　近年來，中美貿(mào)易摩擦?xí)r有發(fā)生，顯著體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)關(guān)鍵零部件的惜售和禁運(yùn)等方面，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，必須在農(nóng)機(jī)修復(fù)行業(yè)加深研究，以 此更好 更快地帶動農(nóng) 機(jī) 關(guān) 鍵零部件的發(fā)展。

　　目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過提高農(nóng)機(jī)耕作部件本身材料的性能或利用表面工程技術(shù)在部件表面制備高性能合金涂層等方法來提高其耐磨性。利用表面改性技術(shù)對農(nóng)機(jī)耕作零部件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，對提高零部件耐磨性、延長使用壽命、節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源和農(nóng)機(jī)作業(yè)成本等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

　　1 農(nóng)機(jī)耕作零部件磨損失效機(jī)理

　　農(nóng)機(jī)耕作部件的主要失效形式有三種，分別為磨料磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損，其中磨料磨損占 50%以上[2，5-6]。疲勞磨損和腐蝕磨損屬于人為可控因素，例如：農(nóng)機(jī)每連續(xù)工作一天可更換耕作部件，幾套零部件輪番使用，可減少因疲勞使用而產(chǎn)生磨損;對于腐蝕磨損，化肥生產(chǎn)公司一直致力于研究低污染、低腐蝕型化肥，既響應(yīng)國家環(huán)保號召，又降低因腐蝕帶來的磨損失效。

　　農(nóng)機(jī)耕作部件的磨料磨損類型主要是低應(yīng)力劃傷式磨料磨損，土壤中的磨料主要是高硬度(700~1100HV)的石英砂和長石，磨料所受應(yīng)力小于部件材料表面的破碎強(qiáng)度，部件表面受到磨料的微切削產(chǎn)生犁溝，磨粒刺入部件表面，劃動時(shí)將部件表面材料沿運(yùn)動軌跡的前方和兩側(cè)堆起，產(chǎn)生塑性損傷[7-11]。農(nóng)機(jī)耕作部件在很堅(jiān)實(shí)或含有較多石塊的土壤中作業(yè)時(shí)，則可能發(fā)生高應(yīng)力碾碎式磨料磨損，沖撞中所受應(yīng)力可以使砂粒、石塊等破碎，破碎產(chǎn)生的尖銳的碎屑棱角又會對部件造成鑿屑式磨料磨損，在部件表面留下較大的傷痕，甚至崩裂[12 ]。

　　2 表面改性技術(shù)提高農(nóng)機(jī)耕作零部件耐磨性

　　表面改性技術(shù)應(yīng)用范圍廣，如農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、化工、航空、采礦等，該技術(shù)具體分類情況如表 1 所示。

　　表面處理技術(shù)中的等離子堆焊和等離子熔覆有較多的相似點(diǎn)，均屬于堆焊技術(shù)，兩者最大的區(qū)別是堆焊可用焊條或自熔性粉末作為熔化材料，而熔覆只能利用自熔性合金粉末。堆焊或熔覆是在基材表面制備合金涂層，基材的稀釋較小而熔覆速度較高，可用于零部件的制造和修復(fù)，而噴焊主要用于基體較薄或不適合堆焊和熔覆的環(huán)境中，處理后材料表面呈鏡面。噴焊與噴涂也有較大的區(qū)別，其中，涂層與工作層結(jié)合方式不同，噴涂材料不同，受熱情況不同，且承受載荷的能力也不同。在這幾種可應(yīng)用于農(nóng)機(jī)耕作部件上的表面改性技術(shù)中，仿生技術(shù)的主要作用除提高耐磨性外還包括減阻、提高效率。表面改性技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用正處于高速發(fā)展階段，目前應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面的主要有熱噴涂、噴焊、堆焊、熔覆、仿生等，這五種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表 2 所示。

　　2.1 熱噴涂技術(shù)

　　熱噴涂技術(shù)是采用某種熱源對噴涂材料進(jìn)行加熱，熔融、半熔融狀態(tài)的粒子以一定的速度噴射至 預(yù)處 理的基 體 表 面形 成 涂 層的 一 種 技術(shù) [13]，在航空、醫(yī)療、采礦等行業(yè)都有較廣的應(yīng)用，主要作用為防腐和修復(fù)。然而在噴涂過程中，熱影響區(qū)較大，壁體較薄或體積較小的模具容易產(chǎn)生變形，因此該技術(shù)適合較大型模具[14 ]。噴涂設(shè)備成本相對較低，操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益良好[15]。

　　Kobayashi 等[16]利用熱噴涂技術(shù)制備FeCrBSiMo 非晶涂層，涂層孔隙率為 2%~3%，顯微硬度在 1000~1100 HV0.1 之間。朱靈曉[17]利用熱噴涂技術(shù)在農(nóng)業(yè)刀具上噴涂鎳基涂層，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，鎳基涂層與原有刀具表面相比，磨損量降低 6.9%，顯微硬度增加近 4.2%，鎳基涂層的耐磨性大幅提升，材料表面磨痕如圖1 所示。趙建杰[18]在旋耕刀表面噴涂硬質(zhì)涂層，涂層 致 密 度高，顯微硬度提高近 50%，磨損增速減緩。

　　熱噴涂技術(shù)使涂層與基體形成機(jī)械結(jié)合，并沒有改變基體材料的化學(xué)特性，具有操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備輕便、工件變形小等優(yōu)點(diǎn)，但其涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度不大，處理后的機(jī)具涂層在工作過程中易脫落，且由于農(nóng)機(jī)耕作部件的失效多為磨損，腐蝕造成的失效有限，所以該技術(shù)在農(nóng)機(jī)上應(yīng)用不多。

　　2.2 噴焊技術(shù)

　　噴焊是將經(jīng)預(yù)熱的自熔性合金粉末涂層加熱至顆粒熔化，造渣上浮到涂層表面，生成的強(qiáng)化相彌散在涂層中，使顆粒間和基體表面達(dá)到良好結(jié)合[19]。噴焊技術(shù)制備的涂層具有與基體結(jié)合緊密、涂層致密且氣孔少的特點(diǎn)，與其他幾種技術(shù)相比，噴焊技術(shù)具有強(qiáng)化層組織致密、與母材結(jié)合強(qiáng)度高、稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)[20]，多應(yīng)用于表面硬度高、幾何形狀簡單的大型部件，在工件表面強(qiáng)化上運(yùn)用較廣。但該技術(shù)容易造成堆焊層表面粗糙不平、塌陷及咬邊等現(xiàn)象，操作人員在噴焊過程中需較高的技術(shù)性，以上缺陷制約了噴焊技術(shù)的發(fā)展[21]。

　　噴焊技術(shù)主要應(yīng)用于受熱應(yīng)力和磨損作用而損壞的零件，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的郝建軍團(tuán)隊(duì)[22-24] 利用噴焊技術(shù)在深松鏟、滅茬刀、鞭式刀具上制備耐磨涂層，取得一定的研究成果，其中深松鏟尖噴焊試驗(yàn)前后的表面形貌對比如圖 2 所示。張旭等[25]利用火焰噴焊技術(shù)在滅茬刀上制備了 Fe6 涂層，并與原 65Mn 滅茬刀進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，火焰噴焊技術(shù)處理的涂層硬度約為基體的 2 倍，涂層摩擦系數(shù)為基體材料的 2/3，滅茬刀在硬度和耐磨性等方面的性能顯著提升，可有效延長其使用壽命。

　　2.3 表面堆焊技術(shù)

　　表面堆焊技術(shù)是利用熱源將堆焊材料熔化，通過焊接的方法使堆焊材料在工件表面形成耐磨、耐蝕涂層的工藝方法，其包含修復(fù)與表面強(qiáng)化兩大功能，且具有價(jià)格低廉、生產(chǎn)周期短、便于維修和熱處理缺陷少等優(yōu)點(diǎn)[26-27]。

　　2.3.1 等離子堆焊技術(shù)

　　張校珩[28]在割草機(jī)刀片表面堆焊一定的鐵基合金粉末，合金粉末經(jīng)處理后在涂層中形成硬質(zhì)相(Cr7C3，[Cr，F(xiàn)e] 7C3、Mo2C 等)，這些硬質(zhì)相起到了提高硬度的作用，與市面上廣泛使用的刀片相比硬度提高了約 1.5 倍，與基體相比硬度提高了約 2.5 倍，有效提升了割草機(jī)刀片的耐磨性能。胡軍等[29]對深松鏟尖進(jìn)行試驗(yàn)研究，與張校珩團(tuán)隊(duì)雖說作用農(nóng)機(jī)具不同，但都是利用堆焊技術(shù)制備鐵基合金粉末，深松鏟表面涂層生成新的結(jié)晶相碳鉻鐵、碳化鉻和硅三鐵，與原深松鏟對比，其表面平均洛氏硬度可達(dá) 57.8HRC，硬度提高 5~10 倍，耐磨性提高約 1.7 倍。

　　2.3.2 等離子熔覆技術(shù)

　　等離子熔覆技術(shù)屬于堆焊技術(shù)的一種，是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種金屬表面處理技術(shù)。目前，等離子熔覆技術(shù)于農(nóng)業(yè)器具制造和修復(fù)方面的應(yīng)用處于高速發(fā)展階段，多個(gè)領(lǐng)域都在進(jìn)行相關(guān)方向的研究。

　　惠瀧等[30] 利用等離子熔覆技術(shù)在 Q235 鋼基體表面制備了鐵基復(fù)合涂層，涂層組織由 ZrB2、 α-Fe、ZrC、Fe2B 和 Fe3C 組成，涂層的顯微硬度可達(dá)基體的 7.3 倍，耐磨性最高可達(dá)基體的 5.45 倍，抗沖擊斷裂性能顯著提升。韓照坤等[31]利用等離子熔覆技術(shù)在深松鏟上做了大量研究，通過在合金粉末中添加不同含量的 WC 粉末進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)選取最佳含量，將熔覆后的鎳基復(fù)合涂層與傳統(tǒng)焊條工藝處理的深松鏟作對比，熔覆后的涂層硬度提升約 4 倍，耐磨性提高約 2 倍，使用壽命得到了顯著延長。

　　2.4 熔覆技術(shù)

　　表面熔覆技術(shù)通過高能束將熔覆材料熔化后快速凝固，使熔覆材料與基體形成冶金結(jié)合，制備出稀釋率極低的表面熔覆層[32-36]，熔覆技術(shù)原理圖如圖 3 所示。利用熔覆技術(shù)生產(chǎn)出的農(nóng)機(jī)耕作零部件既具有較好的韌性，同時(shí)又具備所需求的高耐磨性[37]。

　　我國農(nóng)機(jī)具材料大多為 65Mn 和 Q235 鋼，各研究單位用此作為基材，在表面熔覆鐵基合金耐磨涂層，試驗(yàn)后表面涂層硬度及耐磨性得到顯著提高[38-39]。對于農(nóng)機(jī)具性能的研究，國外利用熔覆技術(shù)提高其耐磨性取得顯著的效果[40 ]，但隨著農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家機(jī)械化水平的提升，現(xiàn)階段熔覆技術(shù)有所應(yīng)用但較少。

　　熔覆技術(shù)于 20 世紀(jì) 70 年代提出，80 年代得以興起，現(xiàn)階段在我國處于高速發(fā)展時(shí)期，這得益于其在基體原有材料的基礎(chǔ)上僅對表面進(jìn)行處理，且具有涂層晶粒細(xì)小、組織致密、無顯微氣孔的優(yōu)點(diǎn)。但進(jìn)行熔覆時(shí)在基板上會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致工件變形乃至開裂現(xiàn)象的發(fā)生，如圖 4、圖 5 所示。

　　2.4.1 激光熔覆技術(shù)

　　激光熔覆技術(shù)功率密度大、工件變形小、作業(yè)精度高，可有效減少傳統(tǒng)方法造成的工件變形、開裂等問題[41-42]。目前我國激光加工技術(shù)在土壤耕作部件中的適用范圍不廣，主要是成本較高和試驗(yàn)環(huán)境要求苛刻等因素造成的[43-45]。

　　鐵基合金涂層是運(yùn)用在農(nóng)機(jī)具上最為常見的一種材料，在基材表面利用激光熔覆技術(shù)制備涂層，將涂層與原表面進(jìn)行試驗(yàn)對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熔覆層平均硬度為基體材料的 2~3 倍，摩擦系數(shù)明顯降低，各方面性能明顯優(yōu)于原表面[46-47]。葉鵬云[48]利用激光熔覆技術(shù)在割草機(jī)刀片表面制備 Ni35B、TiC、WC 的鎳基合金涂層，試驗(yàn)結(jié)果表明，熔覆后刀片表面的平均顯微硬度約為基體的 2.6 倍;TiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%時(shí)，經(jīng)一小時(shí)的磨損試驗(yàn)，損失量僅為 0.4mg，是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%TiC 的 1/2 和 10%TiC 的 1/6。經(jīng)上述試驗(yàn)論證可知，將激光熔覆技術(shù)運(yùn)用在農(nóng)機(jī)耕作部件表面，熔覆后合金涂層極大地提升了農(nóng)機(jī)具工作效率，延長了其使用壽命。

　　2.5 仿生技術(shù)

　　通過觀察模仿自然界生物的各種行為、結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同要求有針對性的改變現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，以此提高機(jī)械各方面的性能，提升工作效率。

　　仿生技術(shù)在表面改性技術(shù)中發(fā)展勢頭迅猛，自然界中各種生物經(jīng)過多年的繁衍生息，各器官為適應(yīng)環(huán)境而發(fā)生變異，例如：熊在前進(jìn)過程中，熊爪前進(jìn)的方式與開溝器極為相似，通過放大觀察熊爪表面溝壑發(fā)明仿生開溝器，使開溝器達(dá)到高效減阻的特性[49-50];通過觀察、模仿蚯蚓、鼴鼠等土壤生物的表面結(jié)構(gòu)特性來制備新型仿生農(nóng)機(jī)耕作部件，達(dá)到耐磨、減阻和提高效率等特性。仿生技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)機(jī)耕作零部件多是為了達(dá)到降低阻力、減小能耗和提高工作效率等功效[51-54]。

　　王金武等[55]發(fā)現(xiàn)狗獾在前進(jìn)過程中與松土鏟運(yùn)動方式極為相似，以狗獾爪趾錐形的尖部為仿生原型，利用離散元法建立了仿真模型，設(shè)計(jì)了胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)的仿生減阻鏟尖，經(jīng)田間對比試驗(yàn)可知，松土鏟前進(jìn)阻力、胡蘿卜拔取力和漏拔率三個(gè)方面都有很大程度的降低，極大地提高了胡蘿卜聯(lián)合收割機(jī)的工作效率。王少偉等[56]通過分析鼴鼠不同爪趾的形貌與功能得出前爪第 3 趾為最主要的挖掘趾的結(jié)論。通過仿生表面具有凸棱、凸起、凹溝等特征的鼴鼠前爪第 3 趾設(shè)計(jì)齒形開溝刀，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，仿生齒形開溝刀比普通齒形開溝刀的開溝功率平均降低 10.399%，達(dá)到了很好的減阻特性。李曉鵬等[57]對螻蛄前爪側(cè)面有一定弧度的輪廓進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了可減阻近 35%的仿生挖掘鏟片，提高了挖掘鏟片的挖掘性能。蔣銳等[58]在傳統(tǒng)滅茬刀的正切刃添加仿蟋蟀切齒葉的仿生鋸齒，達(dá)到了減阻和降低扭矩的效果，L 型滅茬刀結(jié)構(gòu)示意圖如圖 7 所示。邱兆美等[59 ]結(jié)合蚯蚓體表存在波紋狀幾何非光滑表面的形態(tài)特征，設(shè)計(jì)了新的橫向波紋仿生深松鏟，達(dá)到了降低深松阻力、減少能耗等效果。

　　3 總結(jié)及展望

　　隨著農(nóng)機(jī)化進(jìn)程的發(fā)展，農(nóng)機(jī)耕作部件的耐磨性能研究也成為制約高度機(jī)械化的一個(gè)重要因素。21 世紀(jì)的西方發(fā)達(dá)國家已基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高度機(jī)械化，農(nóng)機(jī)易磨損零部件多通過改變部件結(jié)構(gòu)、材料等提高磨損特性，既避免了利用表面強(qiáng)化技術(shù)處理農(nóng)機(jī)零部件會損耗更多的人力、物力，也提高了農(nóng)耕作業(yè)的效率。我國土地耕種除黑龍江、新疆等為大片作業(yè)面積外，其余地區(qū)多為小塊不連續(xù)土地，高度農(nóng)業(yè)機(jī)械化并不適用于我國大部分農(nóng)村地區(qū)，且我國農(nóng)村勞動力價(jià)格較為低廉，更換機(jī)具等作業(yè)并不會造成人力浪費(fèi)。利用熱噴涂、熔覆、噴焊、堆焊和仿生等五種表面改性技術(shù)提高農(nóng)機(jī)耕作部件性能相比于國外來說更適合我國的農(nóng)耕現(xiàn)狀。

　　現(xiàn)有應(yīng)用于農(nóng)機(jī)耕作部件的表面改性技術(shù)依然存在較多不足之處，例如：應(yīng)用材料價(jià)格昂貴、處理后材料原有性能改變、技術(shù)處于研究階段，應(yīng)用實(shí)際較少等。針對現(xiàn)有農(nóng)機(jī)耕作部件存在的問題提出幾點(diǎn)展望：

　　(1)新型農(nóng)機(jī)耕作部件材料的研發(fā)。為提高農(nóng)機(jī)耕作部件的耐磨性、可靠性和穩(wěn)定性，最直接的方法為采用更高性能的新材料。在農(nóng)機(jī)耕作部件的選材方面，國外已采用高性能的合金材料，而我國在制造高性能合金材料時(shí)還存在無法保證材料熱處理后的結(jié)構(gòu)精度等問題，且考慮到農(nóng)業(yè)機(jī)械的成本，較少采用高成本的新材料。但可在現(xiàn)有低成本材料的基礎(chǔ)上添加少量的高性能合金，如 Ti、Cr、WC 等，成本增加不高，卻能成倍提高零部件壽命，減少 資源、能源 和人工 的消耗。

　　(2)改善農(nóng)機(jī)耕作部件的結(jié)構(gòu)。通過利用結(jié)構(gòu)仿生等方法進(jìn)行新型農(nóng)機(jī)耕作部件結(jié)構(gòu)的研發(fā)，替代以往舊式部件。研發(fā)過程中將在以往結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改善而不是完全摒棄，既可保留原有優(yōu)點(diǎn)，又可將缺陷修繕，不做大幅的改動，可實(shí)施空間大，更易得到農(nóng)機(jī)企業(yè)和農(nóng)戶的青睞。

　　(3)不同表面改性技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。不局限于使用一種表面改性技術(shù)，可在同一農(nóng)機(jī)耕作部件的易磨損表面多種技術(shù)同時(shí)運(yùn)用，有達(dá)到多重效果的可能性。但此方法在實(shí)施過程中需進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，以達(dá)到最理想的效果。

　　(4)選區(qū)應(yīng)用表面改性技術(shù)。農(nóng)機(jī)耕作部件并不是所有接觸面都易磨損，利用 EDEM 等軟件進(jìn)行模擬得出不同部位的磨損情況，分別利用表面改性技術(shù)進(jìn)行選區(qū)處理，如：深松鏟尖從鏟尖向后易磨損程度呈下降趨勢，在鏟尖位置運(yùn)用抗磨損性能最高的熔覆材料，依次向后，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效的目的。