农机深松铲材料的研究现状及进展

王晓莉 王旭明 牛翰卿 温宝峰 王旭

摘要：深松铲是深松机的核心部件，其性能代表着深松技术水平。综述了目前国内外深松铲材料的研究现状，介绍了制备深松铲所采用的主要材料及其耐磨技术研究情况，以期为深松铲材料的发展及应用提供可借鉴的思路和参考。

关键词：深松铲； 耐磨性； 硬度

中图分类号：TG141文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.001

Present Research Situation and Progress of Materials in Agricultural Machinery Subsoiler

Wang Xiaoli1，2 ，Wang Xuming1，2 ，Niu Hanqing2，3 ，Wen Baofeng2，4， Wang Xu1，2

（1. Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China；2. Gansu Province Engineering Technology Research Center of High-end Castings and Forgings， Lanzhou 730314， China； 3. Lanzhou LS Casting and Forging Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China；4. Lanzhou LS Testing Technology Co.， Ltd， Lanzhou 730314， China）

Abstract：Subsoiler is the key component of the subsoiling machine， its performances represents the subsoiling technology level.The research status of subsoiler materials in China and abroad was reviewed， the main materials used in subsoiler and the abrasion resistance research of materials was introduced in this paper， in order to provide some references and ideas for research and development of the materials used in subsoiler.

Keywords：subsoiler；abrasion resistance； hardness

基金项目：甘肃省科技计划资助项目（2015GS05896）

作者简介：王晓莉（1986-），女，甘肃张掖人，硕士研究生，工程师。

随着世界各国生态环境的恶化和人们生态环境意识的加强，保护性耕作技术作为一项新型耕作技术应运而生，且愈来愈受到重视[1]。深松作业是保护性耕作的一种重要模式，可以保护土壤，实现农业可持续发展。在20世纪30年代初，西方发达国家就开始了对深松耕作技术的研究，并且开始使用和推广这项保护性耕作技术，取得了较好的成果[2-4]。我国近几年来也在大力推广深松技术的应用。

深松铲是深松机的核心部件，其性能代表着深松技术水平，其工作条件相对比较恶劣，在较硬物料磨损的情况下还承受一定的冲击力，因此，深松铲需要较高的硬度、冲击韧性和耐磨性[5]。国外对深松铲材料和制备技术都做了大量研究，取得了较好的效果[6]，我国对相关材料及制备技术研究起步较晚，目前由于成本高，使用寿命短等问题，限制了其应用。

本文综述了目前国内外深松铲材料的研究现状，介绍了制备深松铲所采用的主要材料及其耐磨技术研究情况，以期为深松铲材料的发展及应用提供可借鉴的思路和参考。

1国内外研究现状

近几年来，农机整地深松技术由于深松机械的普及逐渐出现，深松的实现主要依赖于深松机械的应用[7]。近三十年来由于长期沿用的以小型机械灭茬或旋耕为主耕作方式代替深翻，导致犁底层越来越厚，土壤板结。深松机械可以打破犁底层，保护土壤，适用于较硬的土地。深松机械的广泛使用要求其关键零部件深松铲材料必须要有较高的硬度、耐磨性和良好的冲击韧性。

我国针对深松铲的研究，最初只是通过对磨损机理和失效形式进行分析，对其类型和结构进行改进[8]。深松铲等农机触土关键部件的耐磨性研究于20世纪80年代初才开始，通过对其使用材料和制备技术的研究，一些新材料和制备新方法、新工艺不断涌现。我国深松铲材料主要采用的是65Mn钢，传统方法一般采用对触土部件磨损表面进行特殊热处理，或者在触土部件表面采用熔覆及涂层技术，这些方法都在一定程度上提高了材料的耐磨性[9]，但是使用这些技术势必会增加成本和制造难度。目前我国深松铲存在的问题主要是寿命短、磨损失效快，无法充分满足使用要求。

为了适应保护性耕作的需要，国外研究人员通过热处理、冷加工改变表面特性、发展高强耐磨材料和表面涂层来提高耕作工具的耐磨性[10]。Foley等人[11]报道氧化铝陶瓷可以很大程度地减少触土部件的磨料磨损。Quirke等人[12]研究了热处理硼钢、中碳钢、高碳钢在实际工作中和实验条件下的耐磨性。Ali等人[13]研究了在低合金钢表面涂敷热塑性塑料的耐磨性。目前，国外大部分农用耕作工具都是采用高碳钢或低合金钢制造[14]，以耐磨低合金钢为主，研究者从材料成分及热处理工艺进行研究，研究出了制备简单、成本低且具有优异性能的低合金耐磨钢，广泛地应用于不同類型深松机的深松铲制造。

2国内外常用材料

2.1碳素结构钢

2.1.165Mn

JB/T 9788-1999深松铲和深松铲铲柄中规定深松铲采用GB/T 711规定的65Mn钢制造，化学成分见表1。

65Mn是制作各种板弹簧、丝弹簧的材料之一，多用于汽车、火车等交通运输工具中[15]，其力学性能见表2。＼[4]。

凌钢等学者[16-17]对65Mn钢进行激光表面强化处理，发现与常规淬火、回火处理相比，耐磨性能显著提高，显示了良好的应用前景。

65Mn钢经常规淬火处理后的硬度为HRC55～60，但马氏体脆性大，必须经回火处理才能使用。为了满足农机部件高韧性的需要，一般在280～340 ℃回火，回火后的硬度可以达到HRC40～45。激光表面处理淬硬层的显微硬度可以达到HRC66～69，与常规淬火、回火处理相比，激光表面处理后耐磨粒磨损能力可以提高1～2倍[17]。黄永俊[18]以65Mn钢作为农机刀具材料，对其淬火并中温回火热处理后，再进行激光强化，表面获得高硬度的淬硬层，心部基体具有一定的硬度和韧性，表面洛氏硬度可以达到HRC63～65。郝建军[19]在65Mn钢制作的根茬还田刀具易磨损部位喷焊了NiWC合金抗磨涂层，磨损试验表明，喷焊NiWC合金灭茬刀的相对耐磨系数比65Mn钢淬火回火处理的有较大程度的提高。

2.1.2Q235

高原等人[20]在Q235钢表面渗入钨、钼、钇和碳，表面合金化，并辅以特殊的淬火和回火工艺以强化表面合金层的性能，测试结果表明，材料显示出良好的耐磨性能。张松等人[21]采用激光合金法在Q235钢表面制备FeCoCrAlCu高熵合金涂层，结果表明，FeCoCrAlCu/Q235激光高熵合金化层的硬度约为Q235钢基材的3倍。郝建军等[19]在农机刀具上采用预置法在Q235钢基体上制备了Ni60A合金熔覆层，磨损试验表明，熔覆层耐磨性比常规淬火回火处理的65Mn钢有所提高。

2.260Si2Mn

60Si2Mn弹簧钢是我国应用较为普遍的硅锰系合金弹簧材料，广泛用于制造汽车、拖拉机和铁路车辆上的螺旋弹簧、板弹簧及其他高应力下工作的重要弹簧[22]，60Si2Mn钢经常规淬火处理后的硬度为HRC40～45之间。何乃如等[23]利用CO2气体激光器对60Si2Mn样件进行了激光表面淬火处理，并进行了以苜蓿草粉为磨料的磨料磨损试验，结果表明，60Si2Mn钢经激光表面淬火后，耐磨性提高了84.2%。

2.3耐磨低合金钢

在耐磨钢铸件中，低合金铸钢的重要性日益增大。通常低合金耐磨铸钢以高强韧性、高硬韧性著称。其强度和硬度高于耐磨锰钢而在非大冲击磨损工况可替代锰钢；其塑、韧性高于耐磨铸铁，且在一定冲击载荷的磨损工况下，使用寿命高于耐磨铸铁[24]。

目前，我国各类矿山用衬板、锤头、铲斗齿等易损件一般都采用高锰钢制造[27]。在低冲击负荷工况条件下，高锰钢不能发生加工硬化而表现出较差的耐磨性。高铬钢又极易在湿磨的介质下发生腐蚀，使其耐磨性下降，而且韧性也不高。故这两种耐磨钢在农业机械上的使用受到了一定的限制。低合金耐磨钢用Cr、Mn、Nb、Ni和Si等合金进行合金化，通过马氏体、贝氏体相变强化及析出相强化等手段来提高耐磨性，其耐磨性高而且韧性也好[25-28]，综合力学性较好。

Song Xuding[29]等人对低合金耐磨钢进行热处理工艺研究，发现在900～920 ℃淬火，350～370 ℃回火后，硬度可以达到60HRC，冲击韧性为18 J/cm2，抗拉强度1600 MPa。邢振国[30]等人选用30CrMo和 50CrMo低合金钢制备深松铲，其成分和性能如表3和表4所示，金相组织如图1所示。从金相照片中看出，30CrMo回火后仍保持低碳马氏体的形态，由于成分中S、P含量低，夾杂物含量低，所以冲击韧性较高。50CrMo调质后为细晶索氏体，晶粒细，硬度高，韧性好，所以综合性能相对较好。但这二种钢成本相对较高，实际应用受到一定的限制。

西班牙BELLOTA公司采用中碳低铬合金钢制备出了耐磨性较高的深松铲，成本低且具有较长的使用寿命，经热处理后，其硬度可达到50HRC以上，显微组织如图2所示，从金相照片中可以看出，回火马氏体均匀分布。

U Er[31]等人以SAE 950C（1.58%Mn，0.31%Si，0.17%C）低合金钢作为犁铧的基础材料，进行渗硼和渗碳后的耐磨性研究，结果表明，未经处理的表面硬度只有140～168HV0.05，而渗碳后可以达到633～794 HV0.05，渗硼后表面硬度可以达到1268 HV0.05以上，耐磨性有较大程度的提高。

2.430MnB5

SSAB公司Domex系列的22MnB5、30MnB5、38MnB5、27MnCrB5 和33MnCrB5，早期主要作为耐磨材料应用在铁锹、锯条以及农业机械等领域[32-33]。Muammer等[10]在30MnB5钢表面利用电解法电镀厚度为20 μm的硬铬镀层，化学方向制备20 μm厚的镍，物理沉积法制备4 μm厚的TiN层来增加犁刃表面的耐磨性能，结果表明，硬质TiN样件的耐磨性明显高于其他两种样件，硬度可以达到827HV。30MnB5的化学成分如表5所示。

2.519436和12050

19436钢是一种高合金工具钢，具有较好的淬透性和耐磨性，常用在切割工具上。12050钢是一种中碳钢，主要应用在高强载荷的机械中[34]。这两种钢经一定的热处理后具有较好的硬度和冲击韧性匹配性，Radek Bedná等[34]对19436钢和12050钢的热处理工艺进行了一定的研究，其选用的化学成分如表6所示，对其进行淬火并回火后性能如表7所示，金相组织如图3所示。从金相照片中看出，19436钢经300 ℃回火后，有较多一次碳化物析出，而经600 ℃回火后，碳化物弥散地分布在马氏体相上，碳化物弥散的分布会导致材料的耐磨性降低。12050钢经300 ℃回火后，组织主要为珠光体和残余铁素体，因此，此材料的硬度会明显较低，而冲击韧性相对较好。

GJS 700-2是一种等温淬火的球墨铸铁，这种材料适用于铸造壁厚在5～75 mm的铸件，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，用于制作高强度动态机械载荷部件。Radek Bedná[34]等对其进行一定方式的热处理后，具有良好的力学性能，化学成分和力学性能如表8、表9所示。从目前应用情况来看，球墨铸铁材料在深松铲或农业耕作触土部件方面应用较少。

3结语

深松技术已在我国大力推广，深松机械及其关键零部件的需求也会越来越大。通过综述了目前国内外深松铲材料的研究现状、制备深松铲所采用的主要材料及其耐磨技术研究情况，从实际应用来看，深松铲材料选用低合金耐磨钢最合适，深松铲采用低合金耐磨钢制造不仅成本低，而且低合金钢的力学性能，特别是硬度和韧度，可以在很大的范围内调整，可根据不同的使用条件，将强度、冲击吸收能量和耐磨性能综合考虑和匹配。只要不因脆性而引起断裂，其耐磨性随硬度提高而增强。

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