農(nóng)業(yè)旋耕刀具耐磨降阻減粘技術(shù)研究

孫志鵬，張雷，，朱晨穎，盛惠朋，李宇佳，錢志敏，孫華為

1.寧波中機(jī)松蘭刀具科技有限公司，浙江 寧波 315700

2.中國機(jī)械總院集團(tuán)寧波智能機(jī)床研究院有限公司，浙江 寧波 315700

0 引言

農(nóng)機(jī)旋耕刀作為耕地作業(yè)的核心零部件，面臨兩個(gè)突出的問題：一是耕作環(huán)境復(fù)雜，旋耕刀易受磨損導(dǎo)致快速失效；二是耕地作業(yè)中土壤對觸土部件的粘附嚴(yán)重，導(dǎo)致耕作阻力增大，消耗大量動(dòng)力和能源，且粘附不均還會(huì)打破旋耕機(jī)動(dòng)平衡，加快設(shè)備損壞［1-4］。

這兩個(gè)問題嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的升級轉(zhuǎn)型，引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。李文虎等人［5］采用氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼基體表面制備TiC-Ni3Si/Ni基復(fù)合涂層，結(jié)果表明涂層磨損量約為同等摩擦磨損條件下Q235鋼磨損量的11.84%，耐磨性有所提升。馬躍進(jìn)等人［6］利用氧乙炔火焰噴焊技術(shù)在鞭式滅茬刀具上制備了Ni-WC噴焊層，結(jié)果表明WC能夠?qū)︽嚮辖甬a(chǎn)生彌散強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的作用，提高噴焊層的耐磨性。Karoonboonyanan等人［7］采用高速氧燃料噴涂方法在旋耕刀表面制備了WC/Co復(fù)合涂層，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，噴涂WC/Co耐磨層的旋耕刀延壽效果明顯。目前，國內(nèi)外通過表面熔覆涂層提升耐磨性的技術(shù)已日漸成熟，但提升效果有限。為了大幅提升耐磨性，需要更厚的涂層，然而過厚的表面涂層會(huì)導(dǎo)致耕地阻力增大，土壤粘附也會(huì)增多。熱噴涂技術(shù)存在涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低、耐磨性提升有限、成本過高、經(jīng)濟(jì)性不理想等問題，限制了其推廣應(yīng)用。龍偉民［8-9］等采用感應(yīng)釬涂技術(shù)在旋耕刀表面制備金剛石涂層，具有較好的實(shí)際推廣應(yīng)用前景。

此外，為了實(shí)現(xiàn)降阻減粘的目標(biāo)，部分學(xué)者通過研究觸土部件的表面結(jié)構(gòu)，采用仿生原理，制備具有特殊表面構(gòu)型的觸土部件，以減少表面粘附［10-12］。李建橋等人［13］對蜣螂體表觸土部位進(jìn)行了仿生學(xué)研究，并設(shè)計(jì)了凸包型仿生犁壁，田間試驗(yàn)表明仿生犁具有顯著的降阻效果。然而，這些表面構(gòu)型對觸土部件的耐磨性提升幾乎沒有幫助，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易加工。當(dāng)觸土部件工作時(shí)遇到石子、沙礫等沖擊，這些表面構(gòu)型很快會(huì)失效。目前，國內(nèi)外在觸土部件領(lǐng)域進(jìn)行的研究仍未能全面顯著地提升其耐磨和降阻減粘性能。如何全面提升觸土部件的耐磨和降阻減粘性能仍然是有待研究和解決的難題。

本研究采用金剛石釬涂技術(shù)在觸土部件旋耕刀表面制備金剛石涂層，研究了其對旋耕刀的耐磨性、土壤粘附和耕作阻力的影響，并與常規(guī)電弧堆焊涂層和等離子堆焊涂層進(jìn)行了性能對比，旨在找到適合旋耕刀作業(yè)環(huán)境、具備耐磨和降阻減粘作用的涂層方案。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 涂層制備

1.1.1 金剛石釬涂層

金剛石釬涂層制備所需材料包括60Si2Mn鋼基體、Ni-Cr-B-Si系釬料和金剛石微粉。其中，Ni基釬料的粒度為-200目，化學(xué)成分如表1所示。金剛石微粉的粒度為140/170目，采用市售的IT245型號旋耕刀，其材質(zhì)為60Si2Mn鋼。

表1 Ni基釬料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of Ni based solder （wt.%）

以60Si2Mn鋼為基體，先將基體預(yù)加工成尺寸為25 mm×75 mm×10 mm的試樣，然后對基體進(jìn)行噴砂處理。將Ni基釬料與金剛石按質(zhì)量比8∶2混合后，加入成膏物質(zhì)調(diào)成膏狀，均勻涂覆在基體表面，然后放置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在100 ℃下烘干2 h。利用感應(yīng)焊機(jī)進(jìn)行加熱，感應(yīng)電流60 A，加熱時(shí)間15 s，完成金剛石釬涂層制備。

1.1.2 電弧熔覆涂層

電弧熔覆涂層制備用材料采用市售耐磨焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，其成分見表2。采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊制備涂層，焊接參數(shù)如表3所示。

表2 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition of welding wire （wt.%）

表3 電弧熔覆工藝參數(shù)Table 3 Arc cladding process parameters

1.1.3 等離子熔覆涂層

等離子熔覆涂層制備采用市售鐵基粉末材料，混合加入50%碳化鎢（WC）顆粒，其中鐵基粉末材料的成分見表4，等離子堆焊參數(shù)見表5。

表4 鐵基材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 4 Chemical composition of iron based materials （wt.%）

表5 等離子堆焊參數(shù)Table 5 Plasma surfacing parameters

1.2 涂層性能測試及表征方法

采用德國Ziess掃描電子顯微鏡對涂層進(jìn)行顯微組織觀察，使用MML-1G干砂半自由磨料磨損試驗(yàn)機(jī)對涂層試樣進(jìn)行耐磨性測試。根據(jù)JB/T 7705—1995《松散磨粒磨料磨損試驗(yàn)方法 橡膠輪法》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)負(fù)載為45 N，轉(zhuǎn)速為195 r/min，磨粒選用平均粒徑為60目的剛玉砂。使用日本三豐SV-3200H4表面粗糙度測量儀測試涂層表面粗糙度，并生成涂層表面輪廓。

1.3 旋耕阻力測試方法

將扭矩傳感器安裝在拖拉機(jī)后輸出軸上，并與旋耕機(jī)相連。將扭矩-轉(zhuǎn)速-功率顯示儀與扭矩傳感器相連，并連接至電腦。通過數(shù)據(jù)線將扭矩和功率信號傳遞給電腦并實(shí)時(shí)記錄。

1.4 粘附性測試方法

采用田間試驗(yàn)來測試和對比各種旋耕刀對土壤的粘附性。將帶有涂層的旋耕刀安裝在旋耕機(jī)上，旋耕機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，前進(jìn)速度為1.1 m/min。選擇河南許昌某地區(qū)的測試地塊，在實(shí)驗(yàn)前測試土壤的平均含水率為11%～15%。安裝計(jì)畝器，在旋耕10畝地后停止旋耕作業(yè)，并取下旋耕刀，然后按照以下方法計(jì)算粘附率η：

式中m1為旋耕作業(yè)后粘附有泥土的旋耕刀質(zhì)量；m0為旋耕作業(yè)后旋耕刀的金屬刀體質(zhì)量，即粘附的土壤采用清水沖洗干凈，將旋耕刀烘干，稱取此時(shí)旋耕刀的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 涂層顯微組織形貌

三種方法制備的涂層微觀組織形貌如圖1所示。由圖1a、1b可以看出，金剛石釬涂層中金剛石均勻分布，沒有分層或聚集，顆粒完整，釬料緊密包裹，具有較好的把持能力［14］。這是因?yàn)槠渲械幕钚栽谻r與金剛石表面發(fā)生活性反應(yīng)，生成碳化物［15-16］。由圖1c、1d可以看出，電弧熔覆涂層中均勻分布了極細(xì)的強(qiáng)化相。由圖1e可以看出，球型WC集中分布在涂層下方，這是由于等離子弧溫度過高，焊料過分熔融，WC密度較大，導(dǎo)致WC下沉。溫度過高還會(huì)導(dǎo)致WC顆粒燒損和過度溶解［17-20］，如圖1f所示。WC的碎裂和溶解將對涂層的硬度和耐磨性產(chǎn)生不利影響。

圖1 不同涂層的微觀組織形貌Fig.1 Microstructure and morphology of different coatings

2.2 涂層耐磨性

不同涂層制備方式的磨損失重對比結(jié)果如圖2所示。測試10 min后，金剛石涂層的磨損失重最小，為0.056 2 g，僅為電弧熔覆涂層和等離子堆焊WC涂層磨損失重的6.24%和9.24%。可見金剛石涂層的耐磨性與其他涂層相比差異巨大。另外，田間旋耕試驗(yàn)表明，金剛石釬涂旋耕刀的壽命可達(dá)2 500畝以上，電弧熔覆旋耕刀使用壽命僅為600畝，等離子堆焊旋耕刀為800畝，不同涂層導(dǎo)致最終產(chǎn)品的使用壽命差異巨大。

圖2 不同涂層的磨損失重Fig.2 Weight loss due to wear of different coatings

金剛石涂層具有高耐磨性的本質(zhì)原因是涂層中的超高硬度耐磨金剛石微粒承載了極大的抗磨損作用。不同涂層磨損后的微觀組織形貌如圖3所示，由圖3a可知，金剛石微粒之間形成了明顯的犁溝。經(jīng)過較長時(shí)間的磨損后，耐磨金剛石微粒之間的粘結(jié)材料逐漸被磨損，金剛石微粒的露出高度增大，且邊緣變得圓潤。總體來看，金剛石涂層中的金剛石微粒保存完整，沒有脫落且損傷較小，能夠長時(shí)間地保護(hù)基體。

圖3 不同涂層磨損后的微觀組織形貌Fig.3 Microstructure and morphology of different coatings after wear

相比之下，電弧熔覆涂層較為軟，磨損后會(huì)出現(xiàn)明顯的平行規(guī)則劃痕，如圖3b所示。在磨損測試過程中，測試砂子對涂層產(chǎn)生了明顯的犁削作用，導(dǎo)致涂層快速磨損，失重達(dá)到了0.900 5克，對基體的保護(hù)作用較差。

而等離子堆焊涂層上層的WC分布較少，經(jīng)過一定時(shí)間的磨損后，涂層磨損到中下層，隨著WC顆粒比例的提高，耐磨性也會(huì)有所提高。此外，WC顆粒逐漸露出基體，部分WC顆粒的邊緣會(huì)受到磨損并破裂。總體來看，由于部分WC顆粒燒損和分解，其強(qiáng)化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及預(yù)期，磨損質(zhì)量損失達(dá)到了0.608克，且WC本身的硬度不及金剛石，因此涂層的整體耐磨性與金剛石涂層存在巨大差異。

2.3 涂層降阻性能

不同涂層的表面粗糙度如表6所示，金剛石涂層的表面粗糙度為Ra9.616 5，屬于較小水平。而電弧熔覆的涂層表面粗糙度達(dá)Ra13.638 9，這樣高的粗糙度會(huì)明顯增加耕地阻力，對后續(xù)實(shí)地作業(yè)產(chǎn)生不利影響。等離子堆焊的涂層粗糙度為Ra4.177 5，這主要是因?yàn)橥繉又苽溥^程中金屬熔化充分，涂層凝固后比較平整。三種涂層表面的輪廓線如圖4所示，可以直觀地觀察其形狀特性。

圖4 不同涂層的表面輪廓測量曲線Fig.4 Surface profile measurement curves for different coatings

表6 不同涂層的表面粗糙度Table 6 Surface roughness of different coatings

采用不同工藝制備的旋耕刀外觀如圖5所示。經(jīng)測量，涂層的平均寬度和厚度分別如表7所示。由于焊接材料及制備方法的差異，三種方法制備涂層的外形尺寸存在較大區(qū)別。金剛石釬涂工藝制備的涂層較薄且光滑，而另外兩種工藝制備的涂層都較厚，其中電弧熔覆涂層表面較為粗糙。

圖5 不同工藝制備的旋耕刀Fig.5 Rotary tillage knives prepared by different processes

表7 不同涂層的寬度和厚度Table 7 Width and thickness of different coatings

針對制備的三種涂層旋耕刀進(jìn)行了田間試驗(yàn)，并采集了旋耕作業(yè)時(shí)的扭矩?cái)?shù)據(jù)，如圖6所示。在耕地作業(yè)時(shí)，旋耕刀刃部接觸土壤，將土塊切碎并拋灑。金剛石釬涂旋耕刀平均扭矩為584.66 N·m，電弧熔覆旋耕刀的平均扭矩為739.4 N·m，等離子堆焊旋耕刀的平均扭矩為650.32 N·m。金剛石釬涂旋耕刀在作業(yè)過程中的平均扭矩比電弧熔覆和等離子堆焊旋耕刀分別低20.93%和10.97%。進(jìn)一步驗(yàn)證了金剛石釬涂旋耕刀降阻節(jié)能的實(shí)用性。

圖6 三種涂層旋耕刀旋耕作業(yè)扭矩Fig.6 Torque of three types of coated rotary blades for rotary tillage

2.4 涂層減粘性能

不同涂層旋耕刀在田間測試后的形貌如圖7所示，所測得的粘附率如表8所示。可見土壤的粘附區(qū)主要集中在刀刃及刀身區(qū)域。對于金剛石旋耕刀來說，由于涂層較薄且表面粗糙度小，其在耕地過程中涂層部位并沒有明顯的粘附土壤。而電弧熔覆旋耕刀則有較大不同，其刃部由于表面多了一層約3～4 mm的熔覆層，且表面粗糙度極大。因此，在旋耕過程中，更容易粘附較多的土壤。等離子熔覆旋耕刀對土壤的粘附情況則居于前述兩種刀具中間。由于旋耕刀的刀刃主要承擔(dān)切土和碎土功能，若粘附土壤過多，將大大影響切土和碎土的效果。此外，過多的土壤粘附也會(huì)導(dǎo)致拖拉機(jī)油耗上升，旋耕作業(yè)效率降低。

圖7 不同涂層旋耕刀田間測試后形貌Fig.7 Morphology of rotary tiller blades with different coatings after field test

表8 不同涂層旋耕刀土壤粘附率Table 8 Soil adhesion rates of rotary tillers with different coatings

由圖7可見，金剛石涂層旋耕刀的涂層較薄，涂層上部區(qū)域粘附的土壤層薄，且區(qū)域小，而電弧堆焊和等離子堆焊旋耕刀涂層偏厚，其粘附土壤的厚度更大且面積也更大。從粘附率上來看，金剛石釬涂旋耕刀的粘附率僅有0.8%，遠(yuǎn)低于另兩種旋耕刀，電弧堆焊旋耕刀的粘附率最高，達(dá)到1.5%。

3 結(jié)論

（1）金剛石涂層磨損失重僅0.056 2 g，為電弧熔覆涂層及等離子堆焊WC涂層磨損失重的6.24%、9.24%，耐磨性極佳。田間試驗(yàn)表明，金剛石釬涂旋耕刀的壽命可達(dá)2 500畝以上，遠(yuǎn)高于電弧熔覆旋耕刀和等離子堆焊旋耕刀。

（2）金剛石涂層表面平整光滑，且厚度極薄，旋耕作業(yè)扭矩較電弧熔覆旋耕刀和等離子堆焊旋耕刀分別低20.93%和10.97%，降阻效果顯著。

（3）金剛石釬涂旋耕刀的粘附率僅為0.8%，明顯低于電弧熔覆旋耕刀和等離子堆焊旋耕刀，減粘效果顯著。