【正文】        摘   要:微耕机具有体积小、质量轻和操纵使用方便等优点,适宜在丘陵山区的小面积田地作业,在我国具有广泛的应用前景。但是微耕机刀片磨损严重,提高了使用成本?微耕机的刀具寿命的主要影响因子与微耕机刀片的结构和材料不合理引起的。为此,论述了我国微耕机刀片表面处理的研究和应用现状,以及技术研究的方向和成果。
        关键词:微耕刀  表面处理  技术现状  发展趋势
        引   言
        微耕机是一种小型农业设备，具有体积小、质量轻等优点，广泛应用于重庆等丘陵山区的旱地、水田、果园、大棚等[1]。然而，由于微耕机刀具刀在工作中受到来自石子、土壤、杂草、作物秸秆等的磨损和冲击，容易出现失效[2]，据不完全统计，超过80%的农用触土部件因磨损而报废，这给农业生产带来了极大的不便。随着农机刀具寿命的不断缩短，仅旋耕刀国内年消耗量已达二亿五千万把，这一问题已经严重阻碍了我国农机向重庆等丘陵山区的普及和发展。
        1 表面堆焊
        微耕刀表面堆焊是为了增大或恢复零部件尺寸或使焊件表面获得具有特殊性能的合金层而进行的一种焊接工艺,是应用比较广泛的一种表面强化技术。常用的堆焊方法包括手工电弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊、埋弧自动堆焊、气体保护堆焊、等离子弧堆焊、振动电弧堆焊、激光堆焊等、在堆焊金属中采用碳化物作为硬质相可以提高堆焊金属的耐磨性[3],常用的碳化物元素有Cr和W12,但Cr、W等元素为中强碳化物元素,在形成碳化物时,对基体有较强的固溶强化作用,容易造成基体脆化,降低其焊缝的抗裂性。因此,开发高性能的堆焊合金抗磨材料,对减少停机和维修。提高效益等具有重大意义,已成为当前的研究热点[4-6]。翟鹏飞等[7]以FW-1102高铬。高硼系合金铸铁为堆焊材料,对旋耕刀常用材料60Si2Mn进行堆焊耐磨铸铁处理,结果表明用电弧在60Si2Mn钢表面堆焊合金铸铁,可以获得与基体呈冶金结合的堆焊层,且堆焊层组织致命性好,强韧性高,耐磨性好。Benegra等[8]在不锈钢表面分别进行等离子堆焊和超音速火焰喷涂处理,并对这2种涂层进行磨损试验比较,结果表明等离子堆焊镍铝涂层的耐磨性优于超音速火焰喷涂涂层,且等离子堆焊涂层在热处理过程中没有出现表面氧化,主要原因是镍铝化合物是一种抗高温环境材料。邢泽炳等[9]以旋耕刀常用的基体材料65Mn钢为研究对象,使用氩弧堆焊技术熔敷由WC、Ti C和Co组成的硬质合金粉末,在材料表面形成电弧熔敷层,结果表明电弧熔敷硬质合金可在65Mn钢表面形成与基体结合紧密的耐磨涂层,当涂层中Co、Ti C和WC含量分别为45%。20%和35%时,硬质合金涂层表面的平均磨损量仅为未处理65Mn旋耕刀的27%。电弧熔敷可显著提高表层显微硬度,改善表面耐磨性能,提高耕作部件的使用寿命。董升涛等[10 11]利用等离子弧堆焊技术在土地耕作部件深松铲尖(材料为蠕墨铸铁)的基体上制得铁基-碳化钨复合涂层材料,结果表明堆焊层中无裂纹、气孔等缺陷;涂层组织包括树枝晶和枝晶间多元共晶组织;在相同的试验条件下,堆焊涂层的耐磨性明显高于普通深松铲尖,且深松铲尖的耐磨性随着碳化钨质量分数的增加而增强;当碳化钨含量在40%时,堆焊层的硬度和耐磨性能最强。
        2 热喷涂表面处理
        热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,并以一定速度喷射且沉积到经过预处理的基体表面,从而形成涂层的一种表面强化方法。热喷涂技术根据加热喷涂材料的热源种类,可以分为火焰类、电弧类、电热法和激光法4种类型。经热喷涂技术处理后的材料能获得良好的耐磨和耐腐蚀性能[12-16],对延长耕作刀具的使用寿命具有一定的探索价值。Karoonboonyanan等[17]、Niranatlumpong等[18]对比了在旋耕刀基体上进行超音速火焰喷涂(HVOF)制备WC-Co涂层和等离子喷涂制备AL2O3/Ti2O3涂层的耐磨性能,结果表明2种喷涂技术较常规热处理方法均能有效改善材料的耐磨性;在砂土磨损试验中,WC-Co涂层的耐磨性更好,刀具经热喷涂WC-Co涂层后的磨损率仅为淬火钢的38%。李晖等[19]为提高旋耕刀的耐磨性并延长其使用寿命,利用高速电弧喷涂技术在旋耕刀材料60Si2Mn钢表面制备Ni Al黏结层与Ni-Al2O3、Cr2O3、Si C、Cr、Ti和Fe构成的耐磨涂层。经试验分析,耐磨涂层多相组成,组织均匀致密,表面硬度达1 037 HV0.2,比传统淬火。中温回火的表面硬度提高36%,表层硬度最高达1 202 HV0.2。摩擦磨损试验表明,耐磨涂层与传统淬火。中温回火相比,体积磨损量下降60%,摩擦因数降低44%,电弧喷涂涂层有效地降低了摩擦和磨损,改善了材料的耐磨性。
        3 表面熔覆涂层
        表面熔覆技术是通过选择不同涂层材料及工艺,在基体表面制备出一种耐磨损。耐腐蚀。抗高温和热障等多功能涂层的新工艺,是提高材料表面性能的重要手段之一[20-21]。目前,不少学者致力于研究各种熔覆技术用于提高农机刃具的综合性能和延长使用寿命。田永财等[22]为了提高旋耕刀耐磨性,利用激光堆焊熔覆技术在旋耕刀表面制备铁基涂层,结果表明熔覆层显微硬度最高可达820 HV1(kg/hm2),为基体的3倍左右,耐磨性能明显优于基体。田间试验表明,经熔覆处理后的旋耕刀耐磨性能明显优于传统热处理的旋耕刀。屈平等[23]为了提高旋耕刀等农机触土刀具表面强度,以铝热剂的放热反应提供内在热源。等离子弧作为外在热源,采用反应等离子熔覆技术在Q235钢表面原位合成了Al2O3-Ti(C,N)复合材料涂层,结果表明涂层与基体呈冶金结合,硬质相Al2O3、Ti(C,N)与黏结相Fe-Ni之间形成空间网状骨架结构;涂层硬度最高可达HV0.5 2160,平均硬度HV0.51870,约为基体Q235钢的7.7倍;涂层摩擦系数约为0.372,其磨损量约为65Mn钢及Q235钢的1/7和1/17。李杰银等[24]针对开沟刀因磨损导致使用寿命低等问题,采用反应氮弧熔覆技术,在基体材料为65Mn的开沟刀工作表面熔覆一层高耐磨性的熔覆层。通过台架磨损试验对比研究,熔覆层耐磨性较常规淬火回火处理的65Mn钢有明显提高,前者的耐磨性比后者增大了近3倍。
        4 表面化学热处理
        化学热处理是利用化学反应,有时兼用物理方法来改变钢材表层化学成分及组织结构,以得到比基体材料具有更好的技术经济效益的金属热处理工艺。根据渗入元素的不同,可以将其分为渗碳、渗氮、渗铬、碳氮共渗等多种工艺类型。目前,已有部分学者将表面化学热处理用于提高大耕深旋耕刀耐磨性能的研究中。赵玉凤等[25]针对大耕深旋耕刀提出的表硬心韧要求,将表面渗铬处理引入旋耕刀制造中,优化了旋耕刀用65Mn钢的渗铬工艺参数,考察了最优工艺参数下渗铬层的摩擦磨损性能,并与旋耕刀现有热处理工艺(淬火+低温回火处理)进行了比较,研究表明在一定试验条件下,65Mn钢表面渗铬处理的最优工艺为950℃×9 h;经渗铬处理后,65Mn钢表面形成厚度达14.7μm。硬度达1 786.8 HV0.1的连续且致密的渗铬层,其耐磨性较65Mn钢淬火+低温回火处理提高了近1倍。张占领[26]针对大耕深旋耕复式作业旋耕刀表硬心韧的使用要求,将碳氮共渗工艺引入到旋耕刀制造中。考察了碳氮共渗对旋耕刀用材料65Mn钢组织。硬度。冲击韧度和磨损性能的影响,结果表明碳氮共渗工艺处理能够显著提高65Mn钢的硬度。冲击韧度和耐磨性等力学性能。袁晓明等[26]针对大耕深(耕深大于20 cm)旋耕刀表硬心韧的性能要求,提出对旋耕刀“表面渗铬-淬火-中温回火处理”的制造新工艺,考察了采用该工艺所制旋耕刀的室温干摩擦磨损行为,并与传统制造工艺(整体淬火-低温回火)进行了对比,结果表明采用渗铬热处理工艺制造的旋耕刀具有典型的表硬心韧组织结构,其表层为高硬度的渗铬层,心部为高抗弯强度和韧性的回火屈氏体;在相同试验条件下,经渗铬热处理后试样的摩擦系数降低,相对磨损率仅为经传统工艺处理后试样的0.408。
        5 其他表面处理技术
        近年来,相较于表面堆焊。表面熔覆涂层等典型表面处理技术,以激光。电子束。离子束等为代表的新型表面强化技术和以金属表面高能离子强化注入技术为代表的表面改性技术,不断受到学者们的关注和研究[28-29]。陈亚茹等[30]为了提高农机主要磨损部件旋耕刀的耐磨性,延长其使用寿命,采用强流脉冲电子束表面改性技术处理旋耕刀常用材料60Si2Mn钢的表面,并在土槽台架模拟工况试验,结果表明电子束表面改性技术可以有效提高旋耕刀的耐磨性,对侧刃内侧处理要优于对侧刃外侧的处理;加速电压为30、27 k V时,旋耕刀表面耐磨性较优,前者的磨损量较小。邢泽炳等[31]以65Mn为研究对象，采用离子渗金属获得碳化钨耐磨层的表面处理工艺,结合使用磨粒磨损试验机对渗层的耐磨性能进行了试验研究,结果表明通过离子渗金属获得的碳化钨层的显微硬度可达1085 HV0.2厚度可达400μm,显著改善65Mn钢表面耐磨性能和使用寿命。
　　6小结
        目前在中国，外表加工技术水平已达到了全球领先水准，为中国国内的科学技术进步与经济社会发展作出了巨大的贡献。将外表处理技术运用到旋耕刀等农机刃具的生产，能够更有效地提升旋耕刀具的耐磨性能。在旋耕刀等传统农业电动机刃具的基体材料上，堆焊、包层或热喷漆等一级耐磨材料，不但能够增加其首次应用的工作期限，还可以对已磨损失效的部分表层加以修补处理，从而增加了生产的整体生命周期。但相比于较堆焊、包层或热喷漆等常规热处理工艺，电子束等表面强化技术以及高能金属离子注渗等表面改性技术的生产成本较高，并不适合于大面积推广应用。
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