农机触土工作部件犁铧耐磨性能研究现状

蒋运梅，张福跃，肖 洋，赵 耀，周 念，2

(1.贵州理工学院材料与能源工程学院，贵州 贵阳 550003； 2.贵州理工学院分析测试中心，贵州 贵阳 550003)

0 引言

农业生产工具的发明、改进、发展与人类社会的进步有着紧密的联系，犁铧作为农业机械设备的典型触土部件，在耕作过程中与土壤接触造成早期失效与报废，严重缩短了其使用寿命[1-3]。犁铧等农机触土部件的失效形式包括磨损失效、弯曲变形及断裂失效、腐蚀失效和疲劳损坏，其中尤以磨损失效最为突出[1]。据统计，在所有造成犁铧触土部件失效的因素中，由磨损造成的失效占80%，因耐磨性不足而引起的失效占50%以上，由此造成的经济损失非常巨大[4-6]。随着现代化农业机械向大型化、复合化方向发展，农业化机械设备触土部件必需具备优异的综合性能，研制高硬度、耐磨性能优异的犁铧触土部件已成为农业工程领域研究的重要课题[7]。目前，国内外提高犁铧等农机触土部件耐磨性的方法主要有合理设计结构、开发新型耐磨材料和表面强化处理[8]。因此，本文将从触土部件磨损机制、耐磨材料研发、仿生结构设计和表面技术处理三个方面简要概述国内外有关犁铧等触土部件耐磨性的研究报道，总结其耐磨性研究进展，以期为触土部件有关领域的工程研究和技术发展提供一定的理论支撑和参考信息。

1 犁铧等触土部件磨损机制及影响因素

在犁铧等部件与土壤接触过程中，其磨损形式主要包括磨料磨损、疲劳磨损、粘着磨损、冲击磨损和腐蚀磨损[1]。其中，磨粒磨损是服役过程中的主要磨损形式，磨料磨损指物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物相互摩擦引起部件表面材料脱落、擦伤或者变形断裂的现象[9]。磨粒磨损一般情况下分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两体磨损指土壤表面或表面镶嵌的颗粒与部件相互接触并发生滑动时，硬度较高的一方对硬度较低的一方产生的磨损；三体磨损指土壤与部件之间存在的自由磨粒，其在触土部件表面滑动或者滚动时产生的磨损。犁铧触土部件与土壤等物料的接触磨损是两体磨损[5，9]。在耕作过程中，犁铧材料及加工工艺、犁铧结构设计、土壤特性和耕作参数均对犁铧触土部件的磨损产生显著的影响。

2 犁铧耐磨材料研究现状

由于材料的磨损系数、硬度和韧性等不同，不同材料制备的犁铧与土壤接触作用时，耐磨性能也不尽相同。即使同一种材料在不同加工工艺状态下，其硬度和强度也会有差别，从而表现出不同的耐磨性能。为了提高犁铧等触土部件的耐磨性能，减少磨损量，科研人员一直致力于提高触土部件的强度、硬度和韧性，以实现其耐磨性能的最优化。钱定华和李文亮[10-11]采用铸铁加工的犁铧具有优良的耐磨性能。但随着现代农业的发展，对犁铧的硬度、强度等提出了更高的要求，生产犁铧所采用的钢铁材料也由铸铁材料向合金钢材料发展，现阶段国内外常用铸铁、65Mn弹簧钢、60Si2Mn钢、55号钢和T9钢作为犁铧制造材料[12]，通过采用合理的热处理工艺，可有效提高其应变硬化指数，使部件表面在作业过程中形成硬化层，有效提高耐磨性。何大刚[13]从材料的硬度和金相组织方面对65Mn钢、65SiMnRe钢、85TiRe钢进行了磨损规律的研究，为犁铧材料的选择提供了一定参考。随后，黄钢[14]测试了不同犁铧制备材料的性能，研究结果表明，65钢具有较高的硬度和良好的冲击韧性，适合应用于摩擦作用大、冲击力较大沙质土壤和粘混土壤；经过调质后的45钢耐磨性差但冲击韧性好，适合于摩擦作用小、冲击力大的粘性板结土壤；T12钢具有高的硬度和良好的耐磨性，但冲击韧性差，适应于摩擦作用大、冲击力小的沙质土壤。为不同物理特性土壤的犁铧选用提供了可靠的参考。在材料热处理方面，李金展等[15]研究了热处理工艺对65Mn犁铧显微组织和力学性能的影响，研究表明，淬火前的显微组织是珠光体+铁素体，采用870 ℃×20 min，180 ℃硝盐等温淬火和180 ℃×90 min回火工艺进行热处理，获得了针状马氏体+板条状马氏体组织，犁铧具有最小的变形量、最高的冲击韧性和良好的耐磨性，具有优异的综合力学性能，更能符合实际的作业环境。为了解决高锰钢材质犁铧耐磨性不足问题，张圳炫等[16-17]研究了中高碳贝氏体钢材质犁铧耐磨性，研究表明，中高碳贝氏体钢材质犁铧的使用寿命为高锰钢材质犁铧的3倍。除了传统合金作为犁铧耐磨材料外，一些高熵合金具有更高的材料硬度，表现出良好的耐磨性能。如Al2CrFeCoxCuNiTi的耐磨性能是Q235钢3倍以上[18]，Al3CrFeCoNiCu的耐磨性能约为轴承钢的4倍[19]。可见，高熵合金具有作为耐磨材料的潜在价值，它可被用作生产高温涡轮叶片、高温模具和切削工具的硬质涂层甚至第四代核反应堆部件的替代材料。因此，将高熵合金应用于犁铧等农具触土部件的制造，发挥高熵合金的优异性能，对犁铧等触土部件的发展具有推动作用。

3 犁铧表面仿生结构设计研究现状

基于仿生学原理，农业研究者在犁铧仿生结构设计方面展开了大量的研究。王少伟等[20]根据鼹鼠爪趾形状进行仿生结构优化，其研究表明，仿生结构优化与表面热处理能够提高齿形开沟犁刀的减阻耐磨性能。吉林大学工程仿生教育部重点实验室运用仿生学原理，通过适当改进犁铧表面的几何形状、触土方式等措施，降低了其表面的阻力，提高了耐磨性[21-24]。聂国峰等[25]采用激光3D打印分别制备了凹坑型、凸包型和鳞片型仿生熔覆层的犁铧，该熔覆层具有良好的抗冲击磨粒磨损性能，极大地提高了犁铧的耐磨性与耐腐蚀性能，使得犁铧具有使用寿命长、摩擦系数小、耕作阻力小等优点。张智泓等[26]公开了一种以砂鱼蜥为原型仿生犁铧的制备方法，犁铧表面具有呈线性均匀分布排列的微刺鳞片结构，与传统犁铧相比，其耐磨性提高，阻力降低，机组油耗降低。刘敬等[27]以鲨鱼盾鳞表面非光滑形态为参考模型，通过激光熔覆分别在45钢基本表面制备了起伏型和平面型仿生非光滑试样，并进行了磨料磨损实验和磨痕实验，实验发现平面型涂层具有更加优异的耐磨性，并提出非光滑形态几何硬化率不小于50%是判断涂层耐磨性的基本判据。钱良存等[28]研究了利用激光刻蚀处理将荷叶表面微观形貌仿生于犁铧钢表面，提高了犁铧钢的耐磨性和减粘阻性，研究结果为激光微造型表面仿生多层次提取表面形貌信息和提高表面粗糙度工艺提供了一定的参考。

我国触土部件的仿生结构设计取得了一系列创新性成果。但是随着农业机械化向着高精度方向的发展，仅单纯依靠对土壤动物器官分析和简单模仿进行结构优化设计已经不能完全满足实际应用的需求。因此，在未来的研究工作中，需要针对触土部件的服役环境进行生物原型的选择和分析，以提高仿生结构设计的可靠性。同时，对土壤动物的运动学特性进行深层次的分析，研究其运动对耐磨等特性的影响规律，进一步提高犁铧等触土部件的综合性能。

4 犁铧表面改性技术研究现状

表面改性技术可以有效提高犁铧的耐磨性、硬度、抗疲劳强度和耐腐蚀性等性能，使犁铧等触土材料具备优异的综合性能。目前在农机行业得到推广应用的改性技术主要有表面热喷涂、表面激光强化、表面高能离子注渗、表面熔覆涂层和表面堆焊处理等。刑泽炳等[29]采用钨离子注入技术对犁铧钢进行了高能离子注渗处理，研究结果表明，65Mn钢表面形成了约400 μm厚的细小WC渗层，该颗粒层均化分布于基体表面，由于获得了高硬度的WC硬质层，使其硬度达到了1 085 HV0.2，是未处理65Mn钢的2.4倍，在相同载荷磨损条件下，经过注渗处理的犁铧累积磨损量降低了75%～80%。胡宇等[30]对45号钢进行了激光表面强化处理，使原奥氏体组织转变为马氏体组织。测试结果显示，当激光功率为1.6 kW，扫描速度为600 mm/min时，45钢表面可获得洛氏硬度为50.4的优异耐磨涂层，可有效提高45钢的耐磨性能。Yazici等[31]对30MB5犁铧进行了碳氮共渗处理，通过销盘磨损试验和田间试验发现，与常规热处理的犁铧相比，耕作相同面积农田时，碳氮共渗处理后的犁铧体积磨损量减少了24.67%，重量磨损量降低了14.65%，显著提高了耐磨性能。

随着表面工程技术的不断发展，表面熔覆技术作为一种新型的表面工程技术在农业机械化领域得到了广泛的应用。郝建军等[32]以火焰为热源，采用预制法在65Mn钢表面制备了镍基/铸造碳化钨合金熔覆层，分析了熔覆层的显微组织、耐磨机理和熔覆层用于犁铧制造及再制造的可行性，结果表明：熔覆层组织致密，表面平整，基体与熔覆层间实现了良好的结合，熔覆层组织中同时存在亚共晶组织、共晶组织和过共晶组织，使涂层具有高耐磨性；田间试验分析表明，该熔覆层可应用于犁铧的制造和再制造生产过程中。随后，赵建国等[33]运用氮弧熔覆技术成功地将TiCN/Fe金属陶瓷复合涂层制备于Q235钢表面，磨损试验结果表明，熔覆速度较小时形成了TiCN含量低、硬度值低的涂层，随着熔覆速度增大，涂层硬度值增大，但涂层表面成形变差。在合适的工艺参数下，制备了性能优异的涂层，其磨损量减少了50%，说明TiCN/Fe涂层具有良好的耐磨性能。Nalbant等[34]通过物理气相沉积TiN、电沉积硬Ni和电镀硬Cr涂层制备了硬质涂层，田间试验发现每微米硬Ni涂层和硬Cr涂层可翻耕的农田分别为217 m和319 m，而TiN涂层可达到736 m，TiN涂层具有最佳的耐磨性能。Karoonboonyanan等[35]利用等离子堆焊和高速火焰喷涂，在旋耕刀表面成功制备了WC/Co和Al2O3-TiO2/NiAl涂层，与普通旋耕刀质量对比，Al2O3-TiO2/NiAl涂层旋耕刀提高4.65%，WC/Co涂层旋耕刀降低97.67%。

可见，以上表面处理方法均能在一定程度上提高犁铧触土部件的硬度，有效提高了耐磨性能，延长了其使用寿命。

5 对我国农机触土部件发展的建议

随着科技的进步和农业机械化的快速发展，农业生产需要功能更多、效率更高、生产成本更低的机械，而犁铧等农机触土部件在保证和提高农业机械设备性能方面起到了至关重要的作用。研究者从耐磨材料研发、仿生结构设计和表面强化处理等方面，对触土部件性能进行了大量的研究，有效提高触土部件的耐磨性，提升了部件的作业效率和使用寿命，满足了农业对触土部件的基本需求。但是，犁铧等触土部件的设计与优化并没有完全满足农机发展的需求，尤其是我国存在着多作物、多领域的农业生产情况，触土部件的设计与优化更是面临着更大的挑战，因此，对我国农机触土部件的发展提出以下几点建议：

(1)研发新型高耐磨材料。针对不同的作业环境，开发适合的新型耐磨材料，并应用有效的表面改性技术改善其性能，提高耕作的质量和效率。

(2)在犁铧仿生结构设计上，对触土部件的服役环境和动物原型进行综合分析，系统研究减阻耐磨等特性的作用机理，进一步提高犁铧等触土部件的综合性能。

(3)新型熔覆材料研发与应用。性能优异的熔覆材料是提高犁铧等触土部件性能的关键，但大多数熔覆材料价格相对昂贵，一些性能更为优异的陶瓷材料极少应用在农业领域。加强新型熔覆材料的设计，既可降低成本，又能进一步提高熔覆层的质量，满足农机触土部件在作业环境下的性能需求。

6 结语

近年来，随着农业机械的不断发展，犁铧等触土部件耐磨性研究取得了很多有益的研究成果，但是在犁铧触土部件的实际作业中，磨损仍然是犁铧失效的主要形式。为了减少犁铧的磨损失效，提高犁铧的耐磨性是其必然途径，新型犁铧制备材料的研发、仿生结构设计和材料表面改性仍然是提高犁铧等触土部件耐磨性能的有效措施。在未来多学科交叉融合下，对提高犁铧耐磨性的研究必将更加广泛和深入，届时将会研发出更多综合性能优异的犁铧触土部件，为农业的发展提供强有力的保障。