農耕機械觸土部分磨損及表面改性研究現狀

夏國峰 楊學鋒 萬壯 劉文波 李丹

摘要：土壤是農耕機械主要的加工對象，農耕機械中的觸土部件在與土壤接觸作用的過程中會受到來自于土壤顆粒的磨損失效，這是造成其產生失效的主要原因。現有的提高觸土部件耐磨性能的方式包括選擇耐磨材料、改進加工工藝、涂層和表面處理等，近幾年隨著生物仿生學的發展，仿生農耕觸土部件的設計成為了新的發展趨勢和手段。本研究從觸土部件的磨損機制、產生磨損的因素及現有的提高農耕機械觸土部分耐磨性能的表面改性方法等幾個方面進行了綜合論述，以期能對我國農耕機械觸土部件設計的優化和發展提供理論參考。

關鍵詞：農耕機械;觸土部件;磨損;表面改性;仿生

中圖分類號： S222文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0046-06

收稿日期：2018-12-21

基金項目：國家自然科學基金（編號：51575234、51872122）;中國博士后科學基金（編號：2017M620286）;山東省重點研發計劃（編號：2018CXGC0809）;山東省農機裝備研發創新計劃（編號：2018YF012）。

作者簡介：夏國峰（1993—），男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向為摩擦潤滑理論及工程應用。E-mail：2269925790@qq.com。

通信作者：楊學鋒，博士，教授，研究方向為摩擦潤滑理論及工程應用。E-mail：me_yangxf@ujn.edu.cn。

近年來，隨著我國農村經濟的快速發展，農業生產規模的不斷擴大，我國農業逐漸開始朝著機械化方向發展，先進農機使用的普及和推廣已經取得了一定成效。但是，農耕機械部件在農業生產的過程中產生的磨損現象仍然普遍存在，且不易得到有效解決。農業機械的觸土部件往往都是在無潤滑狀態下直接與土壤等磨粒直接接觸，工作環境十分惡劣，所以土壤對農業機械的磨粒磨損是個很突出的問題。在進行農耕作業時，只有充分保障農耕機械具有良好的工作條件，才能實現良好作業，才能盡可能減少材料的磨損，使能源浪費現象得到有效控制。據統計，機械材料和能源的消耗主要是由于摩擦磨損造成的，其中農耕機械報廢的很大一部分原因就是由于觸土部件與土壤之間產生的磨粒磨損失效，據相關統計，其所占比例已經高達60%以上[1-3]。鋼材磨損問題是一個世界范圍內的難題，每年由于磨損所消耗的鋼材占全世界鋼材生產總量的10%左右。就我國來說，我國目前機耕面積大約有1億hm2，那么所需犁鏵、旋耕機刀片等農耕觸土部件的總用鋼量大約為3萬t，而每年在土壤中直接磨損掉的金屬材料占制造農耕觸土部件所需鋼材的27%，這種直接的經濟損失對一個國家來說是非常驚人的[4]。未來農業機械化工程技術的發展方向是高效節能，實際工作中影響農耕機械的生產效率和產生磨損的因素很多，其中農業物料對農業機械工作部件的磨損是影響其生產效率和能源消耗的主要因素，其中最具典型性的是土壤對觸土工作部件的磨損。因此，通過研究農耕觸土部件與土壤的磨損現象，找到更加有效的解決方法是非常有必要的，這對于提高農業機具的性能，發展集約型農業有著積極的意義。

1?農耕機械觸土部件的磨損機制

農耕機械觸土部件與土壤之間發生的磨粒磨損現象是造成其磨損失效的主要原因。磨粒磨損是指由外界硬質表面或硬顆粒在摩擦副對偶表面滑動過程中引起的部件表面擦傷、材料脫落或變形、斷裂的一種現象，圖1為磨粒磨損示意圖。磨粒磨損通常分為兩體磨料磨損和三體磨料磨損2種情況。兩體磨損是指當部件與土壤表面或表面鑲嵌的磨粒相互接觸并發生滑動時，硬度較高的一方對硬度較低的一方產生的磨損，如犁鏵與土壤等物料接觸的磨損。三體磨損是指在部件和土壤之間存在自由磨粒，其在觸土部件表面滾動或滑動時產生的磨損[1，5-6]。

磨粒磨損在農業生產中普遍存在，如常見的挖掘機的鏟齒、犁鏵等的磨損都是磨粒磨損的典型代表。

2?農耕機械觸土部件磨損的影響因素

2.1?結構設計對觸土部件磨損的影響

農耕觸土部件的結構形狀決定了其工作性能的好壞。觸土部件與土壤的接觸面積和機械整體所受阻力的大小以及土壤在部件表面的流動狀況都與其結構參數相關，進而就會對磨損情況造成影響。以在農業生產中起著重要作用的犁體工具為例，犁體曲面結構是影響犁體工具加工土壤質量的主要因素之一。早在15世紀30年代，意大利的蘭姆勃洛新等就提出了滾垡型犁體翻垡過程的假想，并總結出了以正螺旋面來作為犁體曲面的設計理論[7-8]。幾百年來，大多數的設計者一直將其作為犁體曲面結構的設計依據之一，再加上人們對土壤的力學行為和耕作部件與土壤之間相互作用等問題的忽視，導致到目前為止，土壤耕作部件的設計還在采用經驗法，這對于土壤耕作部件設計理論的發展十分不利。近年來，由于計算機技術和其他相關科學領域的發展，使得耕作部件的結構設計開始向著參數化方向發展。例如，徐銳良等借助Matlab軟件對已知點進行了曲線擬合，并得到了4種不同參數的曲線方程，然后基于solidworks中方程驅動曲線功能建立導曲線，完成了犁體曲面三維模型，并對其進行了有限元分析，結果表明，合理地改變犁體結構的參數能夠有效降低犁體的阻力和耐磨性[9]。

2.2?材料和加工工藝對觸土部件磨損的影響

材料的摩擦系數、硬度、韌性等不同，由不同材料加工而成的觸土部件在與土壤相互作用的時候，耐磨能力也就不盡相同，即使是同一種材料，成型時的加工工藝不同，觸土部件的強度和硬度等就會有所不同，從而表現出不同的耐磨性能。為了提高耕作部件的耐磨性能和使用壽命，科研人員一直在探索如何在材料選擇和加工工藝方面對其進行優化，如采用白口鑄鐵材料進行加工的陽城犁鏡就是其中的杰出研究成果[10]。為了適應現代農業對作業速度、強度的更高要求，就須要同步提高觸土部件的硬度和韌性，觸土部件的材料開始以傳統的鋼鐵材料為主，逐漸向合金鋼材料過渡，其中應用最為廣泛的就是65Mn鋼。

近年來，伴隨著冶煉等加工工藝的迅速發展，硼鋼也開始被嘗試用來制造觸土部件，如西班牙貝洛塔公司采用28MnB5鋼加工的觸土部件，其韌性和強度都比較優越，且硬度（HRC）能夠達到48～53[11-12]。硼鋼材料雖然具有比較優越的性能，但這種材料的制備、熱處理方式和加工工藝等技術不容易掌握，目前我國企業雖然能把這種材料應用到觸土部件的生產中，但難以保證產品的結構精度，這也成為制約應用這種材料的瓶頸。

2.3?不同土壤耕作條件對觸土部件磨損的影響

在實際農業生產中，耕作條件往往不是一成不變的，不同種類的土壤及其一些理化性質會對觸土部件的磨損產生不同的影響。我國幅員遼闊，土地類型繁多，常見的土壤類型包括沙土、壤土、黏土等，按土壤顆粒大小又可以分為石礫、沙粒、黏粒、粉粒等，這些粗細不同的顆粒的硬度、強度都有所不同，與觸土部件之間的摩擦系數也就不同。通常情況下，沙土中所含的石礫、沙粒等大顆粒與觸土部件之間的摩擦系數要遠大于壤土、黏土中所含的細顆粒[13]。另外，土壤的一些理化性質也會對觸土部件的磨損產生影響。例如，Mirmehrabi等通過試驗發現，將類黏土顆粒的硅粉加入到硅砂中能夠降低硅砂對觸土部件的磨損[14]。土壤的含水量也會影響磨損情況，通過試驗發現，隨著含水量的增加，會加大沙土對觸土部件的磨損，而黏土、壤土對部件的磨損則會逐漸降低。

2.4?其他一些因素對觸土部件磨損的影響

農耕機械的耕作速度、耕深、幅寬等的變化會引起機器工作負載的變化，負載越大磨損就會越嚴重。工作者的操作水平與耕作經驗在一定程度上對觸土部件的磨損也會產生很大的影響。此外，土壤中可能含有大的石塊、鐵塊等硬質物體，它們隨機分布在田間，這就可能加大觸土部件的磨損，甚至發生斷裂。深松鏟、施耕刀、滅茬刀的磨損情況如圖2至圖4所示。

3?提高觸土部件耐磨性能的表面改性方式

3.1?表面處理

3.1.1?表面熱噴涂

表面熱噴涂處理技術是指高溫下融化的噴涂材料在高速氣流的作用下霧化成顆粒狀，并在高速氣流的帶動下撞擊基體材料的表面，當發生冷凝作用之后會在基材表面形成具有某種特殊功能表面涂層的一種表面處理方法[15]。

在實際農業生產活動中，為了破土、切割根茬和秸稈等，根茬粉碎機、旋耕機等農業機械的觸土部件常常要與土壤中的土壤磨粒等直接接觸，這種情況下極易發生磨損。我國現有的農業機械刀具的基體材料大多是65 Mn鋼，根據實際生產情況，普通65 Mn鋼刀具已經滿足不了農業生產的需要，因此須要找出更合適的替代材料。2005年，郝建軍等對65 Mn鋼滅茬刀具進行了熱噴涂試驗，為了接近真實的作業環境，他們利用鋼砂對田間環境進行了模擬，在做了大量的磨損試驗后發現，用Ni-WC合金進行噴涂過的65 Mn鋼與未做處理的原始材料相比可以減少約50%的磨粒損失量，除此之外，試驗分析發現，基體與噴焊層之間黏接性能良好，且并未發生分層和裂紋現象[15]。

在復雜的磨料環境下，旋轉式翻耕機的分蘗葉片表面磨損嚴重。Kang等采用脈沖爆轟噴涂技術在高強度鋼材質的分蘗葉片表面分別進行了stellet-21、WC-Co-Cr和Cr3C2-NiCr涂層的沉積，利用針盤機構對涂層在常溫下的干態磨損性能進行了測試，并對磨損表面進行了掃描電子顯微鏡/能量色散X射線（SEM/EDAX）和X射線衍射（XRD）分析。結果表明，在高強度鋼表面制備的WC-Co-Cr涂層與Cr3C2-NiCr和stellite-21相比，具有更高的耐磨性[16]。

3.1.2?表面激光強化

激光表面強化處理是依靠電子束、激光和離子束等來實現材料表面硬化的一種技術。激光表面強化技術具有無淬火介質、加工后材料硬度大、加工效率高、環保等優點。因此，越來越多的國家開始重視該項技術的發展。

胡宇等對45號鋼進行了表面強化處理，在試驗前為了增加45號鋼對激光的吸收率，對其進行了噴砂處理。結果表明，在激光掃描速度為600 mm/min，功率為1 600 W時，在45號鋼表面可以產生洛氏硬度為50.4的優異耐磨硬化層[17]。

2018年，高秋實等以NiCrBSi、TiN和Ni包MoS2為熔覆材料，采用激光熔覆技術在Ti-6Al-4V合金表面制備了以TiN、TiMo和Ti-Ni金屬間化合物為增強相，以MoS2、TiS為潤滑相的自潤滑復合涂層。結果表明，復合涂層的平均顯微硬度為1 060～1 140 HV 0.3，約為基體硬度（370 HV 0.3）的3倍[18]。

3.1.3?表面高能離子注滲

高能粒子注滲技術是表面改性技術的一種，是指在強電場的作用下使離化后的原子快速運動，注射進入材料的表面，進而使這種材料的各種理化性質都得到一定程度的優化[19]。

邢澤炳等以犁鏵鋼作為研究對象，進行了鎢離子注入技術的驗證試驗，對經過高能離子注滲處理過的犁鏵進行了磨粒磨損試驗測試。結果表明，在同樣大小的載荷磨損條件下，經過注滲處理的犁鏵累積磨損量降低75%～80%[20]。這足以說明高能離子注滲技術在提高農耕觸土部件的耐磨性能方面有著積極的研究價值。

季凡渝等應用離子注滲和熱處理技術，在16Mn 鋼表面注滲WC，形成表面合金硬化層，對樣品材料進行了磨料磨損、吹砂磨損對比試驗，并采用金相、硬度、掃描電子顯微鏡、X-射線能譜等方法對其進行了測試分析。試驗結果表明，16Mn鋼離子注滲WC后的耐磨性比16Mn的耐磨性約高19倍[21]。

3.1.4?表面堆焊處理

表面堆焊技術是指利用焊接工藝，使具備一定優良性能的材料在基材的表面形成一種耐磨層的方法。研究表明，堆焊技術能有效地提高機械零件表面的耐磨性能。

目前，60Si2Mn材料被廣泛應用在我國農業耕作部件的生產中。翟鵬飛等以60Si2Mn合金鋼作為試驗的基體材料在其表面形成了一種合金鑄鐵層，并通過顯微觀測和磨損試驗對這種合金鑄鐵堆焊層的顯微結構和性能進行了分析。結果表明，堆焊層組織細密，其耐磨性能、強度、韌性都十分優良[22]。

2015年，Raikov等利用電子顯微鏡對鋼材表面的堆焊層進行了觀察研究發現，鋼材表面除了表面涂層以外，還出現了過渡層和熱影響區等多層耐磨涂層結構。試驗結果表明，堆焊涂層和基材表面均形成了能有效降低磨損的彈性應力狀態[23]。

2018年，孟媛媛等利用CO2作為堆焊熱源，在Q235鋼表面堆焊Fe314自熔合金和Fe314與WC的混合粉末。通過金相觀察、硬度測試及磨粒磨損試驗，分別研究了涂層厚度及WC含量對堆焊層組織及性能的影響。結果表明，當涂層厚度為3 mm，WC含量為30%時，堆焊層顯硬度能達到65.7 HRC，微觀組織由多角形碳化物（碳化鎢）和少量共晶組成，具有較好的耐磨性[24]。仍然是在同一年，Benegra等對比分析了等離子堆焊技術和超聲火焰噴涂技術分別在不銹鋼基體上所形成的Ni-Al合金涂層的性能。試驗結果表明，采用等離子堆焊得到的Ni-Al涂層具有更好的耐磨性，并且Ni-Al化合物本身具有抗高溫的性能，通過觀察，在等離子堆焊涂層形成的過程中并沒有發生表面氧化現象[25]。

3.1.5?表面熔覆

激光熔覆可以在普通的基材上形成耐磨合金層，有效提高基材的耐磨性能。例如，利用激光熔覆技術可以在碳素結構鋼10號鋼的表面形成TiB2陶瓷涂層，這種涂層具有很高的耐磨性;不銹鋼表面在經過連續CO2激光熔覆后能夠產生WC、TiB2、TiN的硬化涂層，進一步提高了不銹鋼的使用壽命[26-27]。

Ke等采用激光熔覆技術以常用的犁鏵鋼B27硼鋼為基體制備了stellite-6/WC復合涂層并通過對涂層的宏觀、微觀組織的觀察、相組成的分析、顯微硬度的測量和實際應用情況對農具進行了耐磨性試驗。結果表明，stellite-6/WC復合涂層對提高農耕機械觸土部件的耐磨性有著顯著的效果[28]。

2005年，郝建軍等把Ni60A材料和鑄造WC材料進行了結合，并把它們應用在犁鏵表面激光熔覆的試驗中。結果表明，利用熔覆技術可以對犁鏵進行有效的修復，實現了犁鏵的再利用[15]。

為解決農耕機械刀具磨損快、失效頻率高的問題，趙建國等利用工業氮氣制備了Ti CN/Fe金屬陶瓷復合涂層，并把它應用到了針對65 Mn鋼的反應氮弧熔覆技術的改性試驗中。結果顯示，經過熔覆改良后的刀具表面涂層的硬度是Q235的3倍多，耐磨性能是普通65 Mn鋼的2倍[29]。

從以上幾種表面處理方法和例子可以看出，表面處理技術能在一定程度上提高農機觸土部件的耐磨性能。但在實際應用中，堆焊、激光熔覆等處理方式會遇到設備笨重、集中修復成本高等問題。針對這些問題，從農機觸土部件自身結構的優化來入手，是提高其耐磨性能的首選方式。

3.2?仿生耕作部件

近年來，仿生學原理的機械減阻抗磨技術已經得到了迅速發展，大量學者通過研究具有優良特性的生物體結構或表面對傳統機械進行了一系列的優化設計，仿生結構也已經被應用到農機觸土部件的生產設計中。

通過對一些土壤動物的長期觀察，引發了科學家對仿生觸土部件的設計構想。如常年生活在地底下的鼴鼠，為了適應環境，它們的爪趾進化出了具有優良力學性能的幾何結構，憑借這種特殊結構，一只成年的鼴鼠能夠在一夜之間挖出90 m的地道[30]。這種能夠高效加工土壤的結構為農耕觸土部件的仿生設計提供了新的參考。其他一些土壤洞穴動物，如蜣螂、穿山甲、家鼠等，它們的肢體結構在加工土壤時，不僅具有很低的切削阻力，而且還具有良好的降低土壤黏附性和摩擦阻力的功能。一些專家根據這一功能設計了一種仿生彎曲深松鏟，與普通直線型深松鏟相比，其耕作阻力大幅度降低。仿生觸土部件在我國也取得了很多成果。如老式鏵式犁在比較潮濕的土壤中耕作時，常常會發生黏土現象，會降低工作效率和耕種質量。李建橋等以蜣螂為研究對象，在建立數學模型后進行了仿真研究，模擬出了仿蜣螂體表非光滑表面，它克服了舊式鏵式犁對泥土的黏附性[31]。吉林大學實驗室成員在研究土壤動物體表時，發現它們在土壤中移動的過程中能降低黏度和阻力，并據此研制出了仿生非光滑犁壁。通過研究和分析大鼠的爪子和腳趾的結構，陳東輝對深松鏟柄進行了仿生設計，這種仿生深松鏟柄采用鼠爪外側輪廓作為內外的基準線，根據田間試驗結果表明，通過合理地改變鏟柄與土壤的接觸曲線，耕作阻力會發生明顯的降低[32]。朱鳳武采用有限元法和其他一些輔助分析軟件對金龜子的爪、趾結構進行了研究，結果表明，在相同的耕作深度和速度條件下，當挖掘土壤的入滲角為27.5°時，深松鏟的耕作阻力最小，這與金龜子爪尖的耕作角度一致[33]。有關專家和高校根據對蚯蚓體表的柔韌性、體表結構及體表分泌的潤滑物的研究（圖5）總結出了蚯蚓體表的仿生電滲理論，這種電滲效應能夠使土壤的摩擦阻力和黏附性降低，由此可以參照蚯蚓的這種特性在觸土部件的表面按一定規律進行電極的布置，這樣就可以形成仿蚯蚓的非光滑電滲表面，圖6為根據此原理所設計的仿生前推土板[34-37]。

從以上多個實例可以看出，仿生原理已經廣泛應用到農業生產的各個方面，農業機械與仿生學的結合已經形成了一個新的發展趨勢，相信在不久的將來仿生技術在農耕機械觸土部件耐磨性方面一定會有更好的應用前景。

4?結束語

雖然目前已經有了很多提高觸土部件耐磨性能的方法，但并不能完全滿足要求，除了對觸土部件進行表面處理外，從農機觸土部件自身結構的優化來入手，是提高其耐磨性能的首選方式，所以仿生耕作部件在農業機械上的應用將是未來發展的一個新趨勢。

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