国产和西班牙产破茬刀摩擦磨损性能对比研究

王宏立

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319）

国产和西班牙产破茬刀摩擦磨损性能对比研究

王宏立

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319）

以国产和西班牙产破茬刀为研究对象，采用试验方法对比考察了两种破茬刀的化学成分、微观组织和硬度，并利用球-盘摩擦磨损试验机对其摩擦磨损性能进行研究。结果表明：两种破茬刀成分相近，西班牙刀材质为优质硼钢，韧性好，国产刀材质为中碳优质锰钢。西班牙刀显微组织为针状马氏体，组织更加细密，洛氏硬度值为50 HRC，是国产刀的1.1倍。在干摩擦条件下，西班牙刀表面摩擦系数较小，为0.48～0.52；相同条件下，国产刀表面的磨损量是西班牙刀的2.5倍，西班牙刀具有更好的耐磨性。两种破茬刀的磨损机制均为磨粒磨损。

破茬刀；材质；摩擦磨损；磨损机制

免耕播种是保护性耕作的重要环节，免耕播种机是实现机械化保护性耕作技术的关键机具［1］。免耕播种机作业时，破茬刀要在未翻耕地上直接切断秸秆、根茬，需要其具有良好的入土切断性能。目前，国内外学者对破茬刀的结构形式进行了大量的试验研究，取得了较好的破茬效果［2-7］。破茬刀为易磨损件，工作环境较为恶劣，消耗量大，除了保证良好的切茬性能外，还要求有良好的耐磨性能和工作寿命。播种时破茬刀的失效，会增加停机换刀维修时间，耽误农时，影响农机工作效率。另一方面，良好的耐磨性能，可减少农机配件的更换数量，降低农业生产成本。目前，国内学者对农机触土部件耐磨性进行了相关研究，徐国义等研制了铸态贝氏体钢耙片，其相对耐磨系数为1.29，耐磨性能明显优于65Mn钢耙片［8］。郝建军等在中碳钢板上熔覆上Ni基涂层，制成犁铧，其耐磨性增加，寿命提高近3倍［9］。张旭等在灭茬刀上喷焊Fe6涂层，使其硬度、耐磨性显著提高，使用寿命有效延长［10］。苏彬彬等对国产犁铧、开沟圆盘、旋耕刀的材质及热处理工艺进行了研究，其耐磨性普遍较差，使用寿命较短［11］。对破茬刀材质及耐磨性能的研究，少见报道。通过试验方法，对比考察了国产和西班牙产破茬刀的化学成分、组织形貌及硬度，并重点研究了其摩擦磨损性能，以期找到国产刀与进口刀的性能差距，确定适宜的加工工艺，提高国产刀的工作寿命，为农机企业生产技术革新提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

国产破茬刀（黑龙江融拓北方机械制造有限公司）和西班牙产破茬刀（西班牙BELLOTA农机具有限公司）。

图1 国产和西班牙产破茬刀Fig.1Chinese and Spanish disc coulters

1.2 主要仪器设备

GWS10-125角磨机，ZX6350D钻铣床，DK7725A数控电火花线切割机床，HR-150A型洛氏硬度计，蔡司光学金相显微镜，POD-1球盘摩擦磨损试验机，AL204电子天平，S-3500N扫描电子显微镜。

1.3 试验方法

用角磨机分别打磨两种破茬刀局部表面，去除表层漆皮。将破茬刀固定在钻铣床上，用Φ3 mm麻花钻分别在去除漆皮表面钻孔，收集细碎的金属切屑，按照GB/T4354-2008标准分析其化学成分含量。

用数控电火花线切割机床分别在两种破茬刀边缘平整处各割下3块20 mm×20 mm见方金属，砂纸打磨去掉表面漆层，用丙酮和无水乙醇清洗表面，以去除杂质及油污，吹干待用。试样分成3组，每组两种破茬刀试块各一。

第一组试样在洛氏硬度计上测试硬度，每个试块测量3点，取其平均值作为最终硬度值。第二组试样制成金相显微试块，打磨抛光后用4%硝酸酒精溶液腐蚀，在金相显微镜下观察显微组织。第三组试样在球-盘摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试验在室温、干摩擦条件下进行。加载荷10 N，球摩擦副为GCr15钢球，试验时间60 min。摩擦系数由计算机自带软件测得。摩擦磨损试验前后，分别使用电子天平称量试块质量，计算磨损损失重量。然后用扫描电镜对试件表面磨损形貌进行观察分析。

2 结果与分析

2.1 化学成分

表1为两种破茬刀化学成分分析结果，从表中可以看出：两种破茬刀成分相近，含量不同。主要化学元素为C、Mn、Si、Cr，还含有少量Ni、Al、B、Cu，杂质元素P、S含量更少（≤0.035）。西班牙产破茬刀为优质硼钢，牌号：28MnB5，B元素含量适中，可显著提高破茬刀的韧性，使用过程中不易崩刃。国产破茬刀属中碳优质锰钢，牌号：35Mn，含Cr量低，淬透性差，硬质相少，硬度和耐磨性相对较差。国产刀含C、B量略高，脆性大，韧性不及西班牙贝洛塔刀。

表1 破茬刀化学成分（质量分数/%）Table 1Chemical composition of disc coulter（mass fraction%）

2.2 金相显微组织

图2、图3为两种破茬刀金相显微组织照片，可以看出：西班牙破茬刀显微组织中含有黑色针状的马氏体，马氏体数量多且较均匀，因此硬度高。热处理工艺应是淬火后再进行低温回火，得到较多的回火马氏体。低温回火降低了残余应力和脆性，硬度、强度、耐磨性均较好，回火进一步提高了韧性，具有优良的综合力学性能。国产刀为组织为回火托氏体，白色为铁素体，黑色为渗碳体，淬火后进行中温回火，硬度稍差。

图2 西班牙刀显微组织（×500）Fig.2Microstructure of the Spainish disc coulter

图3 国产刀显微组织（×500）Fig.3Microstructure of the Chinese disc coulter

2.3 硬度分析

表2为两种破茬刀硬度测试结果，可以看出：同一破茬刀3次测量硬度值差异不大，组织成分较均匀。西班牙破茬刀硬度高，洛氏硬度值为50 HRC，是国产破茬刀硬度的1.1倍，因此耐磨性能好，使用时寿命长。硬度差别主要是其成分、显微组织不同所致。

表2 破茬刀洛氏硬度测量结果（HRC）Table 2Rockwell hardness measurement results of the disc coulter（HRC）

2.4 摩擦磨损性能

2.4.1 摩擦性能

图4为两种破茬刀试样表面摩擦系数随时间的变化曲线，可以看出，两种破茬刀摩擦曲线变化规律相同。在试验开始时，试样表面有微观凸点，接触面积小，摩擦系数波动较大。试验进行500 s后，进入稳定磨损阶段，摩擦系数波动较小。两条曲线对比可见，稳定阶段，国产破茬刀摩擦系数稍大，在0.50～ 0.57之间，西班牙破茬刀摩擦系数较小，在0.48～0.52之间，比国产刀摩擦系数平均降低了7%左右，即西班牙破茬刀表面磨损较国产破茬刀表面磨损轻微。

2.4.2 磨损性能

磨损量是评定材料耐磨性、研究磨损机理的一个重要指标。两种破茬刀磨损失重对比如图5所示。由图可知，西班牙刀磨损失重较少，国产刀失重较多，大约是西班牙刀的2.5倍，进口刀耐磨性好。

图4 破茬刀摩擦系数随时间变化的曲线Fig.4Variation curve of the friction coefficient of disc coulter with time

2.4.3 磨损机制

图6、图7为两种破茬刀试样在不同放大倍数下的摩擦表面形貌图。放大180倍的显微照片可见，两种试样的磨损表面顺着滑动方向均有犁沟划痕，并镶嵌有磨粒，国产刀的犁沟较西班牙刀片的更显著、更深。放大2 000倍显微照片可见表面有蚀坑和撕裂，国产刀蚀坑更深，耐磨性差。两试样的磨损机制相同，均为磨粒磨损。

图5 破茬刀磨损量对比Fig.5Comparison on weight loss of disc coulter

试样组织中存在大量的碳化物，其硬度较高。表面被摩擦以后，部分碳化物脱落形成磨粒，脱落的表面形成凹坑，成为蚀坑，蚀坑边缘形成撕裂。这些磨粒在摩擦表面之间，磨粒划过后使试样表面产生塑性变形，形成犁沟和犁皱，材料随后受到对磨件的挤压，将犁皱压平。如此反复地进行塑性变形、挤压，导致材料表面出现裂纹并引起剥落，即产生磨粒磨损。磨粒的存在会加剧磨损，导致材料的耐磨性能下降。

图6 国产破茬刀磨损表面形貌Fig.6Wear patterns of Chinese disc coulter

图7 西班牙刀片磨损表面形貌Fig.7Wear patterns of Spainish disc coulter

3 结论

（1）国产破茬刀和西班牙破茬刀成分相近，主要元素为C、Mn、Si、Cr。西班牙刀为优质硼钢，国产刀为中碳优质锰钢。国产刀含Cr量低，含C、B量略高，硬度及韧性不如西班牙刀。

（2）西班牙破茬刀显微组织为回火马氏体，组织细小均匀，洛氏硬度值为50 HRC，是国产破茬刀的1.1倍，综合力学性能好。国产刀组织为回火托氏体，硬度稍差。

（3）与国产破茬刀相比，西班牙破茬刀的摩擦系数和磨损量较低，摩擦系数在0.48～0.52之间，比国产刀低7%。国产刀磨损量大约是西班牙刀的2.5倍。西班牙刀表现出更好的耐磨性。

（4）两种破茬刀的磨损机制均为磨粒磨损，磨损表面顺着滑动方向均有犁沟划痕，并镶嵌有磨粒。国产刀的犁沟较西班牙刀片的更深、更显著。

［1］李海亮，胡军，李玉清，等.2BMZ-13型气吸式免耕精量播种机机架的创新设计-基于TRIZ理论［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2015，27（4）：92-95.

［2］林静，李博，李宝筏，等.阿基米德螺线型缺口圆盘破茬刀参数优化与试验［J］.农业机械学报，2014，45（6）：118-124.

［3］赵旭，张祖立，唐萍，等.被动式倾斜波纹圆盘破茬刀工作性能试验［J］.农业机械学报，2011，42（1）：64-67.

［4］王庆杰，李洪文，何进，等.螺旋刀型垄台清理装置的设计与试验［J］.农业工程学报，2010，26（6）：109-113.

［5］马洪亮，高焕文，魏淑艳.驱动缺口圆盘玉米秸秆根茬切断装置的研究［J］.农业工程学报，2006，22（5）：86-89.

［6］王庆杰，李洪文，何进，等.凹形圆盘式玉米垄作免耕播种机的设计与试验［J］.农业工程学报，2011，27（7）：117-122.

［7］李卫，李问盈，孙先鹏.几种圆盘驱动破茬开沟性能的土槽试验比较［J］.农机化研究，2008，30（8）：127-129.

［8］徐国义，徐征，丁霖溥.农机耙片用新型铸态贝氏体钢的组织与耐磨性［J］.农业机械学报，2003，34（5）：154-156.

［9］郝建军，马跃进，李建昌，等.氩弧熔覆原位合成Ni基耐磨层在犁铧上的应用［J］.农业工程学报，2006，22（12）：117-120.

［10］张旭，马跃进，赵建国，等.灭茬刀火焰喷焊Fe6涂层组织及耐磨性能［J］.表面技术，2015，44（10）：40-45.

［11］苏彬彬，徐杨，简建明.农业机械耐磨件发展及研究现状［J］.热处理技术与装备，2013，34（5）：53-57.

Comparative Study on Friction and Wear Behaviors of Chinese and Spainish Disc Coulter

Wang Hongli
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Experimental method was used to compare chemical component，microstructure and hardness between Chinese and Spanish disc coulters，and ball-on-disc wear and fiction test was employed to study friction and wear property.The results showed that the two kinds of disc coulters had similar ingredients，Spainish disc coulter material had high quality boron steel，Chinese disc coulter material had medium carbon high quality manganese steel.With regard to Spanish disc coulter，its microstructure which was acicular martensite had a fine texture，the Rockwell hardness number was 50 HRC，which was 1.1 times of Chinese disc coulter.In condition of dry friction，the skin-friction coefficient of Spanish disc coulter was lower，which was 0.48～0.52；in the same condition，the attrition quantity of Chinese disc coulter was 2.5 times of Spanish disc coulter.Hence，the Spanish disc coulter had a better abrasion performance.The wear mechanism of two disc coulters was abrasive wear.

disc coulter；material；friction and wear；wear mechanism

TH117.1

A

1002-2090（2016）04-0093-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.021

2015-10-15

黑龙江省自然科学基金项目（E201132）；大庆市科技计划项目（szdfy-2015-27）；黑龙江八一农垦大学博士科研启动基金项目（XDB2011-06）；黑龙江省农垦总局科技计划项目（HNK10A-09-02-04）；黑龙江省教育厅科研计划项目（12511359）。

王宏立（1971-），男，副教授，沈阳农业大学毕业，现从事农机材料强化方面的教学与研究工作。