農機深松鏟材料的研究現狀及進展

王曉莉 王旭明 牛翰卿 溫寶峰 王旭

摘要：深松鏟是深松機的核心部件，其性能代表著深松技術水平。綜述了目前國內外深松鏟材料的研究現狀，介紹了制備深松鏟所采用的主要材料及其耐磨技術研究情況，以期為深松鏟材料的發展及應用提供可借鑒的思路和參考。

關鍵詞：深松鏟； 耐磨性； 硬度

中圖分類號：TG141文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.001

Present Research Situation and Progress of Materials in Agricultural Machinery Subsoiler

Wang Xiaoli1，2 ，Wang Xuming1，2 ，Niu Hanqing2，3 ，Wen Baofeng2，4， Wang Xu1，2

（1. Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China；2. Gansu Province Engineering Technology Research Center of High-end Castings and Forgings， Lanzhou 730314， China； 3. Lanzhou LS Casting and Forging Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China；4. Lanzhou LS Testing Technology Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China）

Abstract：Subsoiler is the key component of the subsoiling machine， its performances represents the subsoiling technology level.The research status of subsoiler materials in China and abroad was reviewed， the main materials used in subsoiler and the abrasion resistance research of materials was introduced in this paper， in order to provide some references and ideas for research and development of the materials used in subsoiler.

Keywords：subsoiler；abrasion resistance； hardness

基金項目：甘肅省科技計劃資助項目（2015GS05896）

作者簡介：王曉莉（1986-），女，甘肅張掖人，碩士研究生，工程師。

隨著世界各國生態環境的惡化和人們生態環境意識的加強，保護性耕作技術作為一項新型耕作技術應運而生，且愈來愈受到重視[1]。深松作業是保護性耕作的一種重要模式，可以保護土壤，實現農業可持續發展。在20世紀30年代初，西方發達國家就開始了對深松耕作技術的研究，并且開始使用和推廣這項保護性耕作技術，取得了較好的成果[2-4]。我國近幾年來也在大力推廣深松技術的應用。

深松鏟是深松機的核心部件，其性能代表著深松技術水平，其工作條件相對比較惡劣，在較硬物料磨損的情況下還承受一定的沖擊力，因此，深松鏟需要較高的硬度、沖擊韌性和耐磨性[5]。國外對深松鏟材料和制備技術都做了大量研究，取得了較好的效果[6]，我國對相關材料及制備技術研究起步較晚，目前由于成本高，使用壽命短等問題，限制了其應用。

本文綜述了目前國內外深松鏟材料的研究現狀，介紹了制備深松鏟所采用的主要材料及其耐磨技術研究情況，以期為深松鏟材料的發展及應用提供可借鑒的思路和參考。

1國內外研究現狀

近幾年來，農機整地深松技術由于深松機械的普及逐漸出現，深松的實現主要依賴于深松機械的應用[7]。近三十年來由于長期沿用的以小型機械滅茬或旋耕為主耕作方式代替深翻，導致犁底層越來越厚，土壤板結。深松機械可以打破犁底層，保護土壤，適用于較硬的土地。深松機械的廣泛使用要求其關鍵零部件深松鏟材料必須要有較高的硬度、耐磨性和良好的沖擊韌性。

我國針對深松鏟的研究，最初只是通過對磨損機理和失效形式進行分析，對其類型和結構進行改進[8]。深松鏟等農機觸土關鍵部件的耐磨性研究于20世紀80年代初才開始，通過對其使用材料和制備技術的研究，一些新材料和制備新方法、新工藝不斷涌現。我國深松鏟材料主要采用的是65Mn鋼，傳統方法一般采用對觸土部件磨損表面進行特殊熱處理，或者在觸土部件表面采用熔覆及涂層技術，這些方法都在一定程度上提高了材料的耐磨性[9]，但是使用這些技術勢必會增加成本和制造難度。目前我國深松鏟存在的問題主要是壽命短、磨損失效快，無法充分滿足使用要求。

為了適應保護性耕作的需要，國外研究人員通過熱處理、冷加工改變表面特性、發展高強耐磨材料和表面涂層來提高耕作工具的耐磨性[10]。Foley等人[11]報道氧化鋁陶瓷可以很大程度地減少觸土部件的磨料磨損。Quirke等人[12]研究了熱處理硼鋼、中碳鋼、高碳鋼在實際工作中和實驗條件下的耐磨性。Ali等人[13]研究了在低合金鋼表面涂敷熱塑性塑料的耐磨性。目前，國外大部分農用耕作工具都是采用高碳鋼或低合金鋼制造[14]，以耐磨低合金鋼為主，研究者從材料成分及熱處理工藝進行研究，研究出了制備簡單、成本低且具有優異性能的低合金耐磨鋼，廣泛地應用于不同類型深松機的深松鏟制造。

2國內外常用材料

2.1碳素結構鋼

2.1.165Mn

JB/T 9788-1999深松鏟和深松鏟鏟柄中規定深松鏟采用GB/T 711規定的65Mn鋼制造，化學成分見表1。

65Mn是制作各種板彈簧、絲彈簧的材料之一，多用于汽車、火車等交通運輸工具中[15]，其力學性能見表2。＼[4]。

凌鋼等學者[16-17]對65Mn鋼進行激光表面強化處理，發現與常規淬火、回火處理相比，耐磨性能顯著提高，顯示了良好的應用前景。

65Mn鋼經常規淬火處理后的硬度為HRC55～60，但馬氏體脆性大，必須經回火處理才能使用。為了滿足農機部件高韌性的需要，一般在280～340 ℃回火，回火后的硬度可以達到HRC40～45。激光表面處理淬硬層的顯微硬度可以達到HRC66～69，與常規淬火、回火處理相比，激光表面處理后耐磨粒磨損能力可以提高1～2倍[17]。黃永俊[18]以65Mn鋼作為農機刀具材料，對其淬火并中溫回火熱處理后，再進行激光強化，表面獲得高硬度的淬硬層，心部基體具有一定的硬度和韌性，表面洛氏硬度可以達到HRC63～65。郝建軍[19]在65Mn鋼制作的根茬還田刀具易磨損部位噴焊了NiWC合金抗磨涂層，磨損試驗表明，噴焊NiWC合金滅茬刀的相對耐磨系數比65Mn鋼淬火回火處理的有較大程度的提高。

2.1.2Q235

高原等人[20]在Q235鋼表面滲入鎢、鉬、釔和碳，表面合金化，并輔以特殊的淬火和回火工藝以強化表面合金層的性能，測試結果表明，材料顯示出良好的耐磨性能。張松等人[21]采用激光合金法在Q235鋼表面制備FeCoCrAlCu高熵合金涂層，結果表明，FeCoCrAlCu/Q235激光高熵合金化層的硬度約為Q235鋼基材的3倍。郝建軍等[19]在農機刀具上采用預置法在Q235鋼基體上制備了Ni60A合金熔覆層，磨損試驗表明，熔覆層耐磨性比常規淬火回火處理的65Mn鋼有所提高。

2.260Si2Mn

60Si2Mn彈簧鋼是我國應用較為普遍的硅錳系合金彈簧材料，廣泛用于制造汽車、拖拉機和鐵路車輛上的螺旋彈簧、板彈簧及其他高應力下工作的重要彈簧[22]，60Si2Mn鋼經常規淬火處理后的硬度為HRC40～45之間。何乃如等[23]利用CO2氣體激光器對60Si2Mn樣件進行了激光表面淬火處理，并進行了以苜蓿草粉為磨料的磨料磨損試驗，結果表明，60Si2Mn鋼經激光表面淬火后，耐磨性提高了84.2%。

2.3耐磨低合金鋼

在耐磨鋼鑄件中，低合金鑄鋼的重要性日益增大。通常低合金耐磨鑄鋼以高強韌性、高硬韌性著稱。其強度和硬度高于耐磨錳鋼而在非大沖擊磨損工況可替代錳鋼；其塑、韌性高于耐磨鑄鐵，且在一定沖擊載荷的磨損工況下，使用壽命高于耐磨鑄鐵[24]。

目前，我國各類礦山用襯板、錘頭、鏟斗齒等易損件一般都采用高錳鋼制造[27]。在低沖擊負荷工況條件下，高錳鋼不能發生加工硬化而表現出較差的耐磨性。高鉻鋼又極易在濕磨的介質下發生腐蝕，使其耐磨性下降，而且韌性也不高。故這兩種耐磨鋼在農業機械上的使用受到了一定的限制。低合金耐磨鋼用Cr、Mn、Nb、Ni和Si等合金進行合金化，通過馬氏體、貝氏體相變強化及析出相強化等手段來提高耐磨性，其耐磨性高而且韌性也好[25-28]，綜合力學性較好。

Song Xuding[29]等人對低合金耐磨鋼進行熱處理工藝研究，發現在900～920 ℃淬火，350～370 ℃回火后，硬度可以達到60HRC，沖擊韌性為18 J/cm2，抗拉強度1600 MPa。邢振國[30]等人選用30CrMo和 50CrMo低合金鋼制備深松鏟，其成分和性能如表3和表4所示，金相組織如圖1所示。從金相照片中看出，30CrMo回火后仍保持低碳馬氏體的形態，由于成分中S、P含量低，夾雜物含量低，所以沖擊韌性較高。50CrMo調質后為細晶索氏體，晶粒細，硬度高，韌性好，所以綜合性能相對較好。但這二種鋼成本相對較高，實際應用受到一定的限制。

西班牙BELLOTA公司采用中碳低鉻合金鋼制備出了耐磨性較高的深松鏟，成本低且具有較長的使用壽命，經熱處理后，其硬度可達到50HRC以上，顯微組織如圖2所示，從金相照片中可以看出，回火馬氏體均勻分布。

U Er[31]等人以SAE 950C（1.58%Mn，0.31%Si，0.17%C）低合金鋼作為犁鏵的基礎材料，進行滲硼和滲碳后的耐磨性研究，結果表明，未經處理的表面硬度只有140～168HV0.05，而滲碳后可以達到633～794 HV0.05，滲硼后表面硬度可以達到1268 HV0.05以上，耐磨性有較大程度的提高。

2.430MnB5

SSAB公司Domex系列的22MnB5、30MnB5、38MnB5、27MnCrB5 和33MnCrB5，早期主要作為耐磨材料應用在鐵鍬、鋸條以及農業機械等領域[32-33]。Muammer等[10]在30MnB5鋼表面利用電解法電鍍厚度為20 μm的硬鉻鍍層，化學方向制備20 μm厚的鎳，物理沉積法制備4 μm厚的TiN層來增加犁刃表面的耐磨性能，結果表明，硬質TiN樣件的耐磨性明顯高于其他兩種樣件，硬度可以達到827HV。30MnB5的化學成分如表5所示。

2.519436和12050

19436鋼是一種高合金工具鋼，具有較好的淬透性和耐磨性，常用在切割工具上。12050鋼是一種中碳鋼，主要應用在高強載荷的機械中[34]。這兩種鋼經一定的熱處理后具有較好的硬度和沖擊韌性匹配性，Radek Bedná等[34]對19436鋼和12050鋼的熱處理工藝進行了一定的研究，其選用的化學成分如表6所示，對其進行淬火并回火后性能如表7所示，金相組織如圖3所示。從金相照片中看出，19436鋼經300 ℃回火后，有較多一次碳化物析出，而經600 ℃回火后，碳化物彌散地分布在馬氏體相上，碳化物彌散的分布會導致材料的耐磨性降低。12050鋼經300 ℃回火后，組織主要為珠光體和殘余鐵素體，因此，此材料的硬度會明顯較低，而沖擊韌性相對較好。

GJS 700-2是一種等溫淬火的球墨鑄鐵，這種材料適用于鑄造壁厚在5～75 mm的鑄件，具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，用于制作高強度動態機械載荷部件。Radek Bedná[34]等對其進行一定方式的熱處理后，具有良好的力學性能，化學成分和力學性能如表8、表9所示。從目前應用情況來看，球墨鑄鐵材料在深松鏟或農業耕作觸土部件方面應用較少。

3結語

深松技術已在我國大力推廣，深松機械及其關鍵零部件的需求也會越來越大。通過綜述了目前國內外深松鏟材料的研究現狀、制備深松鏟所采用的主要材料及其耐磨技術研究情況，從實際應用來看，深松鏟材料選用低合金耐磨鋼最合適，深松鏟采用低合金耐磨鋼制造不僅成本低，而且低合金鋼的力學性能，特別是硬度和韌度，可以在很大的范圍內調整，可根據不同的使用條件，將強度、沖擊吸收能量和耐磨性能綜合考慮和匹配。只要不因脆性而引起斷裂，其耐磨性隨硬度提高而增強。

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