農(nóng)機(jī)部件表面耐磨涂層的 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

武勝金 王星星 施進(jìn)發(fā) 上官林建 李帥 何鵬 龍偉民

摘要：隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械向大型化、復(fù)合化方向發(fā)展，對(duì)觸土部件的綜合性能提出了更高的要求，觸土部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和表面改性已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)近20年國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨涂層的研究報(bào)道進(jìn)行評(píng)述，歸納分析涂層制備技術(shù)、耐磨材質(zhì)方面的報(bào)道，概述仿生涂層的研究現(xiàn)狀，提出耐磨涂層目前研究的不足及未來(lái)發(fā)展的方向，以期為農(nóng)機(jī)部件表面改性相關(guān)領(lǐng)域的研究和技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;觸土部件;表面改性;耐磨涂層

中圖分類(lèi)號(hào)：TG506;S23? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0232-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.25

0 前言

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的觸土部件如犁壁、犁鏵、耙片等在工作時(shí)因磨損、腐蝕、粘附引起的早期失效與報(bào)廢，嚴(yán)重縮短農(nóng)機(jī)的使用壽命[1-3]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械向大型化、復(fù)合化方向發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械觸土部件的綜合性能的要求越來(lái)越高[4]，觸土部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和表面改性成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。提高觸土部件使用壽命的方法主要有三種[5]：（1）合理設(shè)計(jì)易損件結(jié)構(gòu);（2）開(kāi)發(fā)新型整體耐磨材料;（3）對(duì)易損件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。通過(guò)合理設(shè)計(jì)易損件結(jié)構(gòu)以降低磨耗、提高使用壽命是有限度的，而新型整體抗磨材料的開(kāi)發(fā)往往受到金屬價(jià)格的限制[6]。在實(shí)際生產(chǎn)中，磨損失效通常發(fā)生在部件表層，如礦山機(jī)械鉆頭、農(nóng)業(yè)機(jī)械犁鏵及犁壁等表面。利用表面強(qiáng)化技術(shù)處理零部件表面，所獲得的表面層厚度在幾微米到幾毫米之間，降低了涂層制備的成本;同時(shí)可以顯著降低磨耗，有效提高硬度、疲勞強(qiáng)度，從而提高部件壽命[7-9]，在耐磨涂層制備過(guò)程中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而備受青睞。

針對(duì)耐磨涂層與基體難以結(jié)合的技術(shù)瓶頸，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)而又深入的研究，主要有：（1）改進(jìn)傳統(tǒng)耐磨涂層的制備方法，提出加工制造耐磨涂層的新方法，如激光熔覆、釬涂等;（2）開(kāi)展了耐磨涂層中耐磨材質(zhì)的研究，如鎳鉻合金、碳化鎢、陶瓷氧化鋁等，揭示不同耐磨材質(zhì)對(duì)復(fù)合涂層組織性能的影響規(guī)律;（3）開(kāi)展仿生耐磨涂層的研究，依據(jù)動(dòng)植物體表可降低挖掘阻力、土壤粘附和運(yùn)動(dòng)磨損，為農(nóng)機(jī)耐磨涂層的設(shè)計(jì)提供全新的設(shè)計(jì)思路。

文中主要從制備技術(shù)、耐磨材質(zhì)以及仿生涂層三個(gè)方面評(píng)述國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨涂層的研究報(bào)道，概述仿生涂層的研究進(jìn)展，提出耐磨涂層目前研究的不足及未來(lái)發(fā)展的方向，以期為農(nóng)機(jī)表面改性相關(guān)領(lǐng)域的工程研究和技術(shù)發(fā)展提供理論支撐和參考信息。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨涂層的研究概況

近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)機(jī)表面耐磨涂層的制備方法進(jìn)行了大量研究，耐磨材質(zhì)的選取主要有鎳鉻合金、碳化鎢、氮化物、陶瓷、氧化鋁等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，科研機(jī)構(gòu)有20多家，國(guó)內(nèi)有關(guān)耐磨涂層的研究成果已超過(guò)50篇（包括期刊、會(huì)議論文、學(xué)位論文及專(zhuān)利），其中成果最為豐碩的是吉林大學(xué)（10篇）。具有代表性的研究成果如表1所示。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨涂層的研究概況

2.1 激光熔覆

激光熔覆是利用高能密度激光束輻照，使涂層材料與基體表面同時(shí)熔化，形成稀釋率極低、與基體材料呈冶金結(jié)合的工藝方法[10-11]。劉燕[12]采用激光熔覆法在灰鑄鐵表面制備Al2O3/Fe仿生梯度納米復(fù)合涂層，首先選擇涂層材料為納米氧化鋁和鐵粉、確定涂層材料的添加方式和粘結(jié)劑，其次將一定比例的粉末材料在研缽內(nèi)混合均勻，加粘結(jié)劑并攪拌均勻涂覆于鑄鐵表層，厚度1～2 mm，蔭干（24 h）。最后通過(guò)正交試驗(yàn)確定合適的激光功率和掃描速度。所制備的納米表面改性層硬度和耐磨性顯著提高，并且涂層中加入一定量的鐵粉促進(jìn)了熔覆層合金與基體良好的冶金結(jié)合，滿(mǎn)足實(shí)際工程的需求。但是，激光熔覆組織及形態(tài)受到工藝參數(shù)、溫度梯度、凝固速度的影響不易控制，因此激光熔覆技術(shù)在涂層制備方面仍有一定的局限性，需進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)。

2.2 熱噴涂

熱噴涂技術(shù)是利用特定熱源將噴涂材料加熱熔化，借助高速氣流將其霧化成極細(xì)的熔滴，高速?lài)娚湓诠ぜ砻娴囊环N表面改性方法[13-14]。梁愛(ài)民等[15]通過(guò)等離子噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了耐磨涂層的可控制備。具體步驟為：將鉬粉和鉭粉按質(zhì)量比為4：1或7：3的比例混合，用球磨機(jī)研磨使其顆粒度為42～54 μm;對(duì)工件表面除銹、除污;選擇合適的工藝參數(shù)利用離子噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，以Ar和H2作為保護(hù)氣;常溫下，所制備的金屬涂層在微動(dòng)摩擦試驗(yàn)中具有高硬度、耐磨、耐蝕的特性，且摩擦系數(shù)較低，大幅提高了機(jī)械零件的使用壽命，未來(lái)有著極佳的應(yīng)用空間。

2.3 磁控濺射

磁控濺射是在真空中利用高速粒子轟擊靶表面，使被轟擊的粒子沉積在基體表面的一種表面改性技術(shù)。朱琳[16]采用磁控共濺射方法在65Mn鋼表面制備TiNx/CFy復(fù)合涂層。具體步驟為：清洗Ti靶材和PTFE靶材，放入65Mn基體，抽真空至2.0×10-3 Pa;通入N2氣和Ar氣，待氣壓穩(wěn)定后，開(kāi)啟射頻電源和偏壓電源至所需參數(shù);開(kāi)啟電機(jī)旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始涂層沉積制備;沉積完成后，通入空氣冷卻，取出制備的復(fù)合涂層。所得到的涂層硬度高達(dá)1 500 HV，其磨損率可達(dá)到納米Al2O3增強(qiáng)PTFE材料的水平，解決了觸土部件在耐沖擊、耐腐蝕、抗?jié)B透性差等問(wèn)題。磁控共濺射方法為新型耐磨涂層的制備提供了全新的思路，但對(duì)涂層與基材界面結(jié)合的結(jié)構(gòu)特征研究還不夠透徹，不具備開(kāi)發(fā)大型的適用于各種農(nóng)機(jī)部件的磁控共濺射裝備。

2.4 釬涂法

釬涂法獲得的涂層優(yōu)點(diǎn)為：表面平整、加工精度高;涂層與母材冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度比機(jī)械結(jié)合高得多;加熱溫度低，較小的熱應(yīng)力對(duì)母材性能影響小等[17-18]。盧廣林[19]通過(guò)真空釬焊在45號(hào)鋼表面制備立方氮化硼（c-BN）耐磨涂層。采用AgCuTi8Sn2活性釬料釬焊c-BN、釬焊溫度950 ℃、保溫時(shí)間20 min時(shí)，Ti元素作為活性元素提高了釬料對(duì)c-BN單晶顆粒的潤(rùn)濕性，Sn在釬料合金中起到表面活性元素作用，有效改善釬料的流動(dòng)性，能實(shí)現(xiàn)活性釬料、c-BN顆粒與45鋼三者間的可靠連接，解決了一般焊接材料很難與c-BN連接的問(wèn)題。然而貴金屬Ag含量高，使得成本較高，在制備復(fù)合涂層時(shí)具有一定的局限性，并且研究工作缺乏系統(tǒng)性，諸如活性釬料成分、工藝參數(shù)、釬料與c-BN界面連接機(jī)制與力學(xué)性能等。

3 耐磨涂層中耐磨材質(zhì)的研究進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)機(jī)耐磨涂層中耐磨材質(zhì)的研究主要有：金屬耐磨涂層，包括鎳鉻合金、碳化鎢等合金涂層;非金屬耐磨涂層，包括陶瓷涂層、氧化鋁涂層。

3.1 金屬耐磨涂層的研究進(jìn)展

A. Salimi等人[20]通過(guò)化學(xué)鍍法，在超細(xì)WC顆粒上沉積了薄銅膜。然后，將WC-Cu復(fù)合粉體加入鎳基釬料中，采用高溫真空釬涂制備自流態(tài)合金（NiCrBSi）。所制備的涂層硬度高達(dá)1 500 HV，滿(mǎn)足實(shí)際工程的要求，解決了堆焊過(guò)程中WC晶粒異常生長(zhǎng)現(xiàn)象，并對(duì)裸露的WC進(jìn)行強(qiáng)化。但由于Cu元素的加入，涂層韌性降低，壓痕區(qū)域的裂紋萌生和擴(kuò)展顯著增加。齊劍釗[21]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，研究了不同粒度WC和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)WC對(duì)釬涂層組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、結(jié)合強(qiáng)度及耐磨性能的影響，發(fā)現(xiàn)WC顆粒增強(qiáng)的銅基復(fù)合涂層可以提高母材表面的耐磨性，最終得出20～30目（較大粒度）的WC含量越高涂層耐磨性越好。但有關(guān)WC粒度對(duì)復(fù)合釬涂層影響機(jī)理還沒(méi)有完全闡述清楚，有待進(jìn)一步研究。

Xu Xingpei等[22]將具有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的WC（30%，50%和80%）的復(fù)合涂層成功涂覆到Q345鋼基材上。將WC粉末軋制成柔性布，并與納米級(jí)粘合劑混合，然后根據(jù)WC金屬布/BNi-2填充布/Q345鋼的焙燒順序，放入焙燒爐。分析涂層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，并測(cè)試涂層界面處結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明：三種涂層均出現(xiàn)了WC顆粒的偏析，隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂層中的WC顆粒的偏析逐漸變?nèi)酰帕懈o密;涂層與鋼基體冶金結(jié)合，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的WC涂層剪切強(qiáng)度最大為302 MPa;但涂層中氣孔較多，嚴(yán)重降低涂層的機(jī)械性能，易發(fā)生塑性斷裂。

3.2 非金屬耐磨涂層的研究進(jìn)展

卞達(dá)[23]等人以磷酸二氫鋁黏結(jié)劑與陶瓷骨料（氧化鋁，硅酸鋯，氧化鋯）為原料，制備耐磨、耐高溫金屬基陶瓷涂層;重點(diǎn)研究了復(fù)合涂層黏結(jié)劑中Al/P比例、骨料粒度變化對(duì)耐磨性的影響，但忽略了陶瓷骨料中氧化鋁的含量對(duì)復(fù)合涂層耐磨性的影響。隨后，黃國(guó)棟等[24]研究了納米氧化鋁對(duì)涂層的表面形貌、界面結(jié)合情況以及對(duì)涂層的摩擦磨損性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)氧化鋁的質(zhì)量占陶瓷骨料總質(zhì)量的2%時(shí)，涂層表面光滑平整，耐磨性最好。氧化鋁的加入促進(jìn)了涂層與基體的緊密結(jié)合，獲得的涂層質(zhì)量良好，但對(duì)涂層的磨損機(jī)理沒(méi)有完全闡述清楚，有待進(jìn)一步研究。

宋鵬[25]等人利用熱噴涂技術(shù)成功制備了高溫耐磨氧化鋁陶瓷基復(fù)合涂層，解決了氧化鋁基熱噴涂陶瓷涂層高溫磨損過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋及裂紋易擴(kuò)展的問(wèn)題。通過(guò)降低噴涂溫度，抑制熱裂紋產(chǎn)生;在高溫磨損過(guò)程中，未熔顆粒周?chē)奈⒘鸭y擴(kuò)展方向會(huì)發(fā)生改變，從而抑制裂紋擴(kuò)展，增強(qiáng)了涂層的韌性，提高了涂層的耐性能，延長(zhǎng)了氧化鋁基高溫耐磨陶瓷復(fù)合涂層使用壽命。花國(guó)然[26]利用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面制備改性Al2O3+13%TiO2陶瓷涂層，TiO2的加入降低了涂層的氣孔率和硬度，提高了涂層的致密性和耐磨性。姚舜暉等[27]研究了TiO2含量對(duì)Al2O3基涂層磨損性能的影響，在干摩擦條件下，Al2O3基涂層的顯微硬度隨TiO2含量增加而降低，并提出TiO2不利于提高Al2O3基涂層的耐磨性，這與前者的研究是相悖的。總的來(lái)說(shuō)，目前對(duì)陶瓷氧化鋁涂層的磨損特性研究還不夠深入、陶瓷類(lèi)材料脆性大、耐磨涂層難以成形的問(wèn)題尚未徹底解決。

4 仿生耐磨涂層的研究進(jìn)展

經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，自然界已演化出適應(yīng)各種土壤環(huán)境的動(dòng)物，動(dòng)物體表能夠降低運(yùn)動(dòng)過(guò)程中土壤粘附和運(yùn)動(dòng)磨損，為農(nóng)機(jī)觸土部件的減阻、減粘和耐磨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了天然的模板和全新的設(shè)計(jì)思路。

金俊等人[28]深入研究了土壤動(dòng)物（如蜣螂、蚯蚓等）的減粘脫附機(jī)理，通過(guò)合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，開(kāi)發(fā)了仿生非光滑犁壁。新型仿生非光滑犁壁具有翻垡好、碎土率高等特點(diǎn);具有良好的脫土性和耐磨性，減阻率為11%～20%，在水田犁耕有良好的應(yīng)用前景。馬云海[29]等人根據(jù)開(kāi)溝器和土壤的相互作用過(guò)程，并結(jié)合蚯蚓非光滑波紋表面形態(tài)的減黏脫土機(jī)理，制造出仿生開(kāi)溝器實(shí)型，降低作業(yè)阻力9%，解決了傳統(tǒng)開(kāi)溝器在工作過(guò)程中易粘土、阻力大的問(wèn)題。徐德生[30]等人采用高頻釬焊方法在45鋼表面制備了WC/Cu非光滑耐磨復(fù)合涂層。復(fù)合涂層與45鋼基體為良好的冶金結(jié)合，界面區(qū)組織致密。所制備的涂層具有高耐磨性，是淬火45鋼和高鉻鑄鐵的12.4倍和4.9倍。

農(nóng)機(jī)關(guān)鍵零部件的仿生設(shè)計(jì)取得了階段性的成果，但隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的規(guī)模越來(lái)越大、觸土部件精度和速度的不斷提高，單純針對(duì)土壤動(dòng)物體表特征分析和仿形進(jìn)行關(guān)鍵部件仿生設(shè)計(jì)的方法已無(wú)法滿(mǎn)足工程實(shí)際的要求，因此，在以后的研究中需針對(duì)關(guān)鍵零部件的使用環(huán)境和相適應(yīng)的動(dòng)物原型進(jìn)行分析，將仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與土壤動(dòng)物運(yùn)動(dòng)學(xué)特性相結(jié)合，系統(tǒng)研究減阻耐磨、減粘等特性的作用機(jī)理，進(jìn)一步提高關(guān)鍵部件性能。

5 研究不足及展望

5.1 現(xiàn)有研究的不足

（1）農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨涂層的制備缺乏針對(duì)性，工藝方法尚未成熟，加工水平低下。激光熔覆法制備的涂層組織及形態(tài)受到工藝參數(shù)影響，較大的熱輸入量和冷卻速度嚴(yán)重影響涂層的組織性能，還需對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。磁控共濺射法還處于實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)涂層與基材界面結(jié)合的結(jié)構(gòu)特征研究不夠透徹，不具備開(kāi)發(fā)大型的適用于各種農(nóng)機(jī)部件的磁控共濺射裝備。釬焊法缺乏對(duì)活性釬料成分、工藝參數(shù)、釬料與硬質(zhì)顆粒界面連接機(jī)制與力學(xué)性能等系統(tǒng)性的研究。

（2）耐磨材質(zhì)對(duì)耐磨涂層組織性能的改善不夠明顯。金屬耐磨涂層中有氣孔、裂紋等缺陷產(chǎn)生，嚴(yán)重影響耐磨涂層的力學(xué)性能。隨著連接手段的不斷升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了非金屬耐磨材質(zhì)與鋼基體的連接，但受連接強(qiáng)度的限制，無(wú)法應(yīng)用于工況惡劣的環(huán)境，并且對(duì)涂層的磨損機(jī)理研究不夠透徹，有待進(jìn)一步研究。

（3）仿生耐磨涂層的設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足工程實(shí)際要求。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的規(guī)模越來(lái)越大、觸土部件精度和速度的不斷提高，單純針對(duì)土壤動(dòng)物體表特征分析和仿形進(jìn)行關(guān)鍵部件仿生設(shè)計(jì)的方法已無(wú)法滿(mǎn)足工程實(shí)際的要求。

5.2 未來(lái)發(fā)展方向

（1）最大限度地發(fā)揮交叉學(xué)科研究?jī)?yōu)勢(shì)，聯(lián)合具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的龍頭企業(yè)和科研院校，改進(jìn)農(nóng)機(jī)部件表面涂層制備方法，攻克加工工藝和熱處理工藝等技術(shù)瓶頸，保證農(nóng)機(jī)關(guān)鍵部件的材料性能。

（2）尋找新型高耐磨性材料，針對(duì)不同的土壤環(huán)境和農(nóng)作物，開(kāi)發(fā)新型耐磨材料，并應(yīng)用表面改性技術(shù)將其應(yīng)用在農(nóng)機(jī)關(guān)鍵部件或易磨損件表面，提高農(nóng)耕的工作質(zhì)量和效率。

（3）仿生設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)關(guān)鍵部件需針對(duì)零部件的使用環(huán)境和相適應(yīng)的動(dòng)物原型進(jìn)行分析，仿生農(nóng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與土壤動(dòng)物運(yùn)動(dòng)學(xué)特性相結(jié)合，系統(tǒng)研究減阻耐磨、減粘等特性的作用機(jī)理，進(jìn)一步提高農(nóng)機(jī)關(guān)鍵部件綜合性能。

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Research status on surface wear-resistant coating of agricultural machinery

components at home and abroad

WU Shengjin1， WANG Xingxing1， SHI Jinfa1， SHANGGUAN Linjian1

LI Shuai1， HE Peng2， LONG Weimin3

（1.School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China; 2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China; 3.State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals & Technology， Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.， Ltd， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： With the development of modern agricultural machinery in the direction of large-scale and compound， higher requirements have been put forward for the comprehensive properties of the soil-engaging components. The optimization design and surface modification of the soil-engaging components have become a hotspot for scholars at home and abroad. This thesis mainly reviews the research reports about wear-resistant coatings of agricultural machinery in the past 20 years， summarizes the research status of bionic coatings， and puts forward the shortcomings of current research and future development direction of wear-resistant coatings， which can provide the theoretical guide and reference for the research of surface modification about agricultural machinery components.

Keywords： agricultural machinery; soil-engaging components; surface modification; wear-resistant coating