基于JMatPro的深松鏟尖耐磨材料的設計與試驗

沙 龍，胡 軍，劉昶希，車寧飛，李慶紅

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省保護性耕作工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

農業機械的使用在農業生產中起到重要作用，保護性耕作作為新興的農業生產模式，成為農業機械發展的新趨勢，但同時，如何提高其觸土部件的耐磨性能是一個亟待解決的問題。磨損普遍存在于機械產品中，每年因磨損在農機領域造成的損失巨大，國內外專家對如何提高金屬材料的耐磨性方面做了大量研究[1]。

本文以深松鏟尖為研究對象，使用JMatPro軟件輔助設計一種新成分耐磨鑄鋼，進行性能模擬計算，并將其與農場最常用的三種深松鏟的成分(高錳鋼65Mn，低合金鋼45鋼，球墨鑄鐵QT600-3)進行對比研究，使用顯微硬度計、萬能磨損試驗臺等設備，通過硬度檢測與耐磨性等方面進行分析，探究了不同的材質對深松鏟尖耐磨性能的影響。

1 成分設計

綜合考慮合金元素在鋼中的作用，以低合金耐磨鑄鋼ZG40CrMnSiMo鋼為基體，在其化學成分上進行固有元素的增減和新元素的增加[2]，用JMatPro軟件對新成分的熱力學性能和機械性能模擬計算，選取最佳成分[3]。最終在ZG40CrMnSiMo鋼的化學成分中提高碳(C)元素含量來提高鋼的屈服強度、抗拉強度和硬度[4]，增添釩(V)元素與碳(C)形成碳化物、細化晶粒，增強鋼的耐磨性的同時減弱碳(C)元素降低韌性的影響[5]，以期能得到具有綜合優良性能的新材料。ZG40CrMnSiMo鋼化學成分見表1，自設試驗鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo的化學成分見表2。將自設試驗鋼的化學成分輸入JMatPro軟件的得出相組成圖見圖1。

表1 ZG40CrMnSiMo鋼的化學成分 單位：wt%

表2 新成分試驗鋼的化學成分 單位：wt%

圖1 自設試驗鋼相組成圖

由圖1可知自設試驗鋼的液相線溫度為1 431.97 ℃，固相線溫度為1 280.00 ℃，此時奧氏體相含量達到最大值99.31%，A1溫度為759.95 ℃，A3溫度為882.25 ℃。在室溫下自設試驗鋼的平衡組織為87.05%F+9.03%Fe3C+2.84%M7C3+0.88%M(C，N)+0.148%M2P。

2 耐磨性試驗

2.1 試驗材料

該研究主要是設計研制適合農機觸土部件使用的新成分低合金耐磨鑄鋼，耐磨性是重要指標，適用性是綜合因素。除考慮自設試驗鋼的性能外，還應考慮自設試驗鋼是否擁有實際應用價值。故選擇農場常用于深松鏟尖的三種鋼材加入研究對比。所選三種材料分別是高錳鋼65Mn，球墨鑄鐵QT600-3，低合金鋼45鋼。該研究中使用的自設試驗鋼深松鏟尖由合作單位沈陽工業大學制作，深松鏟尖的制作采用澆鑄法，工藝流程為：配料→熔煉→澆鑄→脫模→去冒口。熔煉設備選用30 kg中頻感應爐，熔煉溫度1 500 ℃，使用硅鐵作為變質劑，脫氧后出爐采用砂型鑄造法進行澆鑄，澆注溫度為1 450～1 480 ℃。澆鑄完成后對其進行熱處理，處理方法為淬火+回火。將鑄件放入預熱至750 ℃的箱式電阻爐中，加熱至880 ℃，保溫2 h后取出，進行油淬，然后放入預熱至230 ℃的箱式電阻爐中保溫40 min，冷卻至室溫。三種對比鋼材的深松鏟尖取用從農場得來的成品鏟尖。因實驗室試驗所用的設備限制，需先將試驗材料處理成合適形狀以便使用，故將設計的自設試驗鋼經過熱處理后用金相切割機切成40 mm×20 mm×10 mm的試塊，三種對比鋼材的深松鏟尖也進行同樣處理，每種成分的鋼材制備若干以備試驗。

2.2 硬度檢測試驗

使用顯微維氏硬度計對四種鋼材試塊進行硬度測試，在試樣上隨機取 10 個點測量其硬度，通過計算機匯總，所得結果為自設試驗鋼、65Mn鋼、45鋼、球墨鑄鐵QT600-3四種材料的平均硬度分別為697.31HV、432.46HV、212.34HV、213.6HV。自設試驗鋼的硬度要高于其他三種材料。

2.3 摩擦磨損試驗分析

在本次的試驗研究中，采用萬能磨損試驗機為主要工作機械進行磨損試驗，探究四種試驗材料的耐磨性能。在磨損試驗進行時，選用了直徑為 6 mm 的氧化鋯磨球，磨損半徑為 6 mm，試驗時機器的轉速設置為80 r·min-1，磨損壓力為 50 N，試驗時間為 7 200 s。在該試驗中，有一個不可忽視的重要因素，即試驗誤差。出于對試驗所得數據的準確性考慮，將每一組都準備了三塊相同的試樣，分三組進行試驗[6]。在試驗前，先用精密電子天平對試樣進行質量的測量,對各組試件稱量三次取平均值，稱重后記錄其重量為m0。在完成本次試驗之后，使用無水乙醇浸泡磨損的試驗樣本，并使用超聲波清洗機將該試樣外層殘余的雜質洗凈，使用干燥設備烘干，稱重后記錄其重量為m1。并依據此計算磨損失重Δm。磨損失重數值如表3所示。

表3 摩擦磨損試驗失重值 單位：mg

Δm=m0-m1

(1)

由表3可知，在相同試驗條件下四種試驗材料磨損失重結果為，45鋼 >球墨鑄鐵QT600-3> 65Mn鋼>自設試驗鋼 ，即四種材料中自設試驗鋼耐磨性最好。 自設試驗鋼磨損失重為65Mn鋼的79%，為球墨鑄鐵QT600-3的58%，為45鋼的53%，即四種材料中，自設試驗鋼耐磨性最好。

2.4 摩擦系數分析

摩擦系數是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。摩擦系數由表面粗糙度決定，摩擦系數越小越不容易產生磨損，相應的耐磨性越好。通過物體運動的性質分析得出，其可分為兩類，即動摩擦系數與靜摩擦系數。滑動摩擦力的產生原因是兩物體相互接觸發生相對滑動。在 500 N 的壓力作用下，摩擦 3 600 s，得到圖2，從圖中可以發現，開始時摩擦系數迅速上漲，在300～900 s之間四種材料的摩擦系數處于波動階段，然后摩擦系數逐漸趨于平穩。四種材料的摩擦系數平均值，自設試驗鋼為0.51，65Mn鋼為0.53，45鋼為0.62，球墨鑄鐵QT600-3為0.58，只從摩擦系數考慮四種材料的耐磨性，自設試驗鋼>65Mn鋼>球墨鑄鐵QT600-3>45鋼，與磨損失重基本吻合。

1.45鋼；2.球墨鑄鐵；3.65Mn；4.自設試驗鋼

2.5 田間試驗

深松鏟尖田間試驗的主要目的是驗證不同材料在與土地發生摩擦的工作條件下的作業效果，分析其磨損規律，驗證自設試驗鋼的實用性能。選用了包含自設試驗鋼在內的四種材料制作深松鏟尖，分別為自設試驗鋼深松鏟尖、65Mn鋼深松鏟尖、45鋼深松鏟尖、球墨鑄鐵QT600-3深松鏟尖，其主要區別在于深松鏟尖材料不同。

試驗前，對四種深松鏟尖進行質量稱量，安裝深松鏟尖并做好標記，進入試驗地點進行深松磨損試驗，耕深300 mm。作業完成后清理深松鏟，對標記點進行記錄，對深松產質量進行稱量記錄。深松鏟的基本參數見表4所示。

表4 不同成分深松鏟田間試驗參數

由上表可知，在相同的耕作條件下，經過109 h的耕作，自設試驗鋼深松鏟尖的磨損失重為65Mn鋼的89%，為球墨鑄鐵QT600-3的71%，為45鋼的70%，即自設試驗鋼耐磨性>65Mn鋼耐磨性>球墨鑄鐵QT600-3耐磨性>45鋼耐磨性，與之前的模擬分析結果和實驗室試驗結果互相印證。在4種成分的深松鏟尖中，自設試驗鋼的耐磨性最好，其耐磨性大于耐磨鋼65Mn和其余兩種材料，實用性得到驗證。

3 結論

實驗室檢測試驗與田間試驗結果表明，自設試驗鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo與65Mn鋼、球墨鑄鐵QT600-3、45鋼三種對比材料相比硬度最高，磨損失重最少，耐磨性最佳，證明自設試驗鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo耐磨性高于三種對比材料，可以應用于農機觸土部件(如深松鏟尖)等易磨損部件。