淺談熱噴涂硬質涂層的旋耕刀具磨損性能分析

敬謙

（隴東學院，甘肅 慶陽 745000）

農業現代化發展中，農業機械化是一個重要的衡量指標，隨著國家對農業機械的重視程度日益提高，農業機械化的智能化及自動化水平不斷提升，并且取得了農業機械自動化、智能化方面的研究成果，但是當前應用的農業機械最主要的問題是整機的作業質量不理想，一些關鍵的耐磨零件的質量水平低，很難達到國際先進水平，這嚴重制約了我國農業機械的發展。一直以來，我國的農業機械零配件的合格率較低，合格率通常為60%～70%左右，農業機械耐磨配件如旋耕刀的合格率在抽查中僅為58.3%，這些關鍵零部件的總體質量不理想，這降低了整個農業機械的使用效果。在“十二五”期間，耐磨性零部件是制約農業機械發展的主要因素之一。此外，在調查中還發現，由于耐磨件如收割機刀片、旋耕刀等失效造成的農業機械故障占比在50%以上，因此，提高旋耕刀具的耐磨性顯得尤為重要，這對于提高我國的農業機械水平具有非常重要的意義。本文主要分析熱噴涂硬質涂層的旋耕刀具磨損性能。

1 旋耕刀片的磨損機理

旋耕機的主要作用是平地、碎土、松土。旋耕機工作過程中，拖拉機輸出動力之后傳動裝置將動力傳輸至驅動刀輥實現旋耕刀的旋轉，旋耕刀的工作界面是土壤，通過不斷旋轉和前進實現土壤切削，切下的土壤向后拋至擋土罩，土壤泥塊碰碎之后落到地面，利用平土拖板實現地面的削平。由于土壤中存在礦物質和有機物，其中有機物主要是農作物的根莖、有機肥等，礦物質主要是砂粒。旋耕刀主要是對土壤中的礦物質、有機物的切削。根據相關的研究成果可知，旋耕刀的工作溫度不高，與材料的融化溫度相比存在顯著的差異，所以說旋耕刀的磨損不是簡單的材料的磨損，應是旋耕過程中土壤中的礦物質、有機物對刀片的沖擊和腐蝕的綜合作用結果，破壞了旋耕刀的韌性和表面強度。刀刃在運動中與磨料沖擊時，產生一個沖擊力，如果沖擊力接近或高于刀刃的部位強度，則多次沖擊之后就可能造成刀具磨損。旋耕機的耕犁作用先使刀刃的材料產生彈性、塑性變形，到達一定強度之后出現脆性斷裂。土壤磨料顆粒通過對刀片的累積沖擊，在刀片表面產生微切削作用，隨機沖擊次數的增多造成刀片的應力疲勞斷裂，最終造成旋耕刀具磨損。通過以上分析可知，旋耕刀具磨損是微切削、應力疲勞斷裂、脆性斷裂三方面共同作用的結果。

2 旋耕刀具磨損研究現狀

農業機械中的耐磨件主要包括收割機刀片、旋耕刀、犁鏵等，相關的研究表明我國旋耕刀的使用壽命大約為80h。在相同的使用條件下，旋耕刀的使用壽命主要由機械加工工藝、改性工藝、制造材料等決定。為了提高旋耕刀的耐磨性能和使用壽命，國內的學者很早就推進相關的研究。現階段，旋耕刀在制作中采用的材料為65Mn 或60Si2Mn，制作工藝嚴格執行GB/T5669-2008 中的標準，采用各種工藝對對旋耕刀表面進行強化以提高旋耕刀的耐磨性。旋耕刀的表面處理工藝主要包括表面化學熱處理、表面熱噴涂、表面熔覆涂層、表面堆焊等。本文主要論述表面熱噴涂、表面熔覆涂層的研究現狀。

熱噴涂表面處理主要是利用熱源對噴涂材料進行加熱，使噴涂材料加熱至熔化或者半熔化狀態，將噴涂材料沉積至預處理之后的基體表面，在基體表面形成涂層起到表面強化的作用。熱噴涂中應用的熱源主要為火焰類、電弧類、電熱法和激光法4 種類型，經過熱噴涂處理之后提高旋耕刀的使用壽命。如Niranatlumpong 等在旋耕刀表面利用超音速火焰噴涂了AL2O3/Ti2O3 涂層，結果表明旋耕刀在砂土磨損中耐磨性顯著提高。李暉等利用高速電弧噴涂技術在旋耕刀表面噴涂了NiAl 黏結層與Fe、Cr、Cr2O3、Ni-Al2O3、SiC等構成的耐磨涂層，實驗表明，旋耕刀的表面硬度提高了36%，摩擦因素降低了44%。

表面熔覆涂層也是通過不同的涂層工藝和涂層材料，提高基體表面的耐磨損和抗高溫性能，這是一種新工藝。如田永財等利用激光堆焊熔覆技術在旋耕刀表面制備了鐵基涂層，結果表明，旋耕刀的耐磨性能比基體明顯提高。屈平等利用外在熱源，在旋耕刀表面涂覆了Al2O3-Ti(C，N)復合材料，提高了刀具的耐磨性，涂層硬度最高達到了HV0.52160，磨損量約為65Mn 鋼的1/7。

3 熱噴涂硬質涂層的旋耕刀具磨損性能分析

綜上所述，我國的很多學者對旋耕刀的耐磨性能研究，都表明了表面熱噴涂、表面熔覆涂層的應用有效性。為了進一步提高旋耕刀具的磨損性能，本文研究了熱噴涂碳化鎢硬質涂層，利用超音速火焰實現碳化鎢硬質涂層在旋耕刀表面的噴涂，對噴涂之后的旋耕刀進行磨損性能分析。

3.1 超音速火焰噴涂碳化鎢涂層工藝主步驟

（1）準備工作。噴涂過程中采用的噴涂系統為美科LF–HVOF 超音速火焰噴涂系統，噴涂過程中確保碳化鎢粉末粒充分熔融化，設置好噴涂距離、送粉量等參數，同時控制噴涂橫向步進量。

噴涂主要包括噴涂前的準備工作、基體表面預處理、超音速火焰噴涂3 個步驟。準備工作主要在噴涂之前了解旋耕刀具的形態特征、確定碳化鎢涂層的厚度、碳化鎢的粉末粒度、噴槍與碳化鎢的相對運動速度。之后，對旋耕刀具進行預處理，旋耕刀表面需要進行清洗和噴砂處理。

（2）碳化鎢涂層噴涂。碳化鎢涂層噴涂采用超音速火焰噴涂系統，設置噴涂參數煤油流量為240cm3/min，氧氣流量為876NLPM，噴涂角度為90°，噴涂距離為350mm，噴槍移動塑料為0.2m/s，橫向步進量為5.0mm，啟動噴涂系統，完成旋耕刀具的碳化鎢（WC-12Ni）涂層噴涂。

（3）磨損實驗。涂層為WC-12Ni，噴涂完成之后旋耕刀具擦洗干凈，同時在精密電子天平上稱取原始質量，調整試驗機，采用的試驗機為MLS-225 型磨損試驗機，設置工作參數，沖擊速度1.8m/s，沖擊功率1.25kW。設置泥漿砂水比3:1，載荷為70N，設置完成之后進行試件磨損實驗。試驗機運行10h 之后，取下旋耕刀具試樣，進行稱量，得到工作前后的旋耕刀質量差，評價旋耕刀的材料損失情況，評價旋耕刀的磨損性能。在相同的實驗條講下，設置未進行涂層的旋耕刀為對照實驗。

3.2 實驗結果

根據實驗結果可知，在泥漿砂水比3:1，載荷為70N 時，未進行涂層的旋耕刀、噴涂完成之后旋耕刀磨損失重分別為1021mg、53mg，由此可知，噴涂WC-12Ni 之后的旋耕刀具的產生的磨損較小，可以延長旋耕刀的使用壽命，從而降低農業生產的成本。

4 結語

旋耕刀在農業機械中具有非常重要的作用，但是當前應用的旋耕刀使用壽命短、適應性差，這已經成為制約農業機械化水平提升的主要因素，因此，在這種情況下，迫切需要加強對于旋耕刀具的研究，通過應用新材料、新工藝不斷提高旋耕刀的使用壽命，以滿足不同的土壤類型的旋耕要求。本文利用美科LF-HVOF 超音速火焰噴涂系統在旋耕刀表面噴涂了WC-12Ni 硬質涂層，并進行了磨損實驗，通過實驗結果可知，噴涂WC-12Ni 之后的旋耕刀具的產生的磨損較小，可以延長旋耕刀的使用壽命。

對于提高旋耕刀具的磨損使用壽命提出以下建議：一是，加大對旋耕刀的磨損性能機理研究，確定在不同的土壤條件下，旋耕刀的磨損失效機理，做好旋耕的結構設計和材料選擇工作；二是，加強對于耐磨材料的研究和新型農機材料的研發和推廣，同時不斷改進表面工程技術和熱處理工藝，盡量研發成本低、應用簡單的旋耕刀具表面處理工藝。三是，改進旋耕刀具的受力情況，比如在旋耕刀設計中應用仿生學，降低在土壤中承受的阻力，仿生學的應用將成為未來旋耕刀結構設計的發展趨勢。四是，加強旋耕刀具表面涂層技術的研究，穩定旋耕刀的涂層工藝參數，以提高其耐磨損性能。