農機耕作零部件表面改性技術研究及展望

　　摘 要：農機耕作零部件因磨損失效，性能受到嚴重影響，制約著農業機械化的發展。表面改性技術以其工藝靈活、適用性強、操作方便、成本低等優勢成為提高農機耕作零部件耐磨性的重要技術手段。表面改性技術在農機方面應用較多的有熱噴涂、噴焊、堆焊、熔覆及仿生五種技術手段，不同技術的優劣勢及適用條件各不相同，結合這五種手段，介紹了表面改性技術在提高農機耕作零部件耐磨性、改善表面性能方面的研究概況，并對其應用前景及發展趨勢提出展望。

　　關 鍵 詞：農機耕作零部件;表面改性;磨損失效;耐磨性

　　苑仁月，白雪衛，李浩喆，孫世杰，翟艷坤;真空;中圖分類號：TG176 文獻標識碼：A

　　近年來，我國農業機械化高速發展，其水平影響著整體農業的發展進程。農機耕作零部件在農業機械化發展過程中起著決定性作用，關鍵零部件的質量直接影響整機的可靠性和使用壽命。然而由于農機耕作部件的工作環境較差，土壤中砂石、作物根莖等對工作部件產生較大的磨損和腐蝕，而且我國農機零部件的合格率僅有 60%左右，嚴重制約了我國農業機械化水平的提升[1-2]。農機耕作部件易磨損是世界各國共同面對的亟待解決的難題，科研人員需結合本國農耕實際情況，發展最適合作業的農機耕作部件。

　　近年來，中美貿易摩擦時有發生，顯著體現在農業農機關鍵零部件的惜售和禁運等方面，為促進農業發展，必須在農機修復行業加深研究，以 此更好 更快地帶動農 機 關 鍵零部件的發展。

　　目前，國內外學者主要通過提高農機耕作部件本身材料的性能或利用表面工程技術在部件表面制備高性能合金涂層等方法來提高其耐磨性。利用表面改性技術對農機耕作零部件進行表面強化處理，對提高零部件耐磨性、延長使用壽命、節約農業生產資源和農機作業成本等具有重要的現實意義[3-4]。

　　1 農機耕作零部件磨損失效機理

　　農機耕作部件的主要失效形式有三種，分別為磨料磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損，其中磨料磨損占 50%以上[2，5-6]。疲勞磨損和腐蝕磨損屬于人為可控因素，例如：農機每連續工作一天可更換耕作部件，幾套零部件輪番使用，可減少因疲勞使用而產生磨損;對于腐蝕磨損，化肥生產公司一直致力于研究低污染、低腐蝕型化肥，既響應國家環保號召，又降低因腐蝕帶來的磨損失效。

　　農機耕作部件的磨料磨損類型主要是低應力劃傷式磨料磨損，土壤中的磨料主要是高硬度(700~1100HV)的石英砂和長石，磨料所受應力小于部件材料表面的破碎強度，部件表面受到磨料的微切削產生犁溝，磨粒刺入部件表面，劃動時將部件表面材料沿運動軌跡的前方和兩側堆起，產生塑性損傷[7-11]。農機耕作部件在很堅實或含有較多石塊的土壤中作業時，則可能發生高應力碾碎式磨料磨損，沖撞中所受應力可以使砂粒、石塊等破碎，破碎產生的尖銳的碎屑棱角又會對部件造成鑿屑式磨料磨損，在部件表面留下較大的傷痕，甚至崩裂[12 ]。

　　2 表面改性技術提高農機耕作零部件耐磨性

　　表面改性技術應用范圍廣，如農業、醫學、工業、化工、航空、采礦等，該技術具體分類情況如表 1 所示。

　　表面處理技術中的等離子堆焊和等離子熔覆有較多的相似點，均屬于堆焊技術，兩者最大的區別是堆焊可用焊條或自熔性粉末作為熔化材料，而熔覆只能利用自熔性合金粉末。堆焊或熔覆是在基材表面制備合金涂層，基材的稀釋較小而熔覆速度較高，可用于零部件的制造和修復，而噴焊主要用于基體較薄或不適合堆焊和熔覆的環境中，處理后材料表面呈鏡面。噴焊與噴涂也有較大的區別，其中，涂層與工作層結合方式不同，噴涂材料不同，受熱情況不同，且承受載荷的能力也不同。在這幾種可應用于農機耕作部件上的表面改性技術中，仿生技術的主要作用除提高耐磨性外還包括減阻、提高效率。表面改性技術在農業上的應用正處于高速發展階段，目前應用于農業方面的主要有熱噴涂、噴焊、堆焊、熔覆、仿生等，這五種技術的優缺點如表 2 所示。

　　2.1 熱噴涂技術

　　熱噴涂技術是采用某種熱源對噴涂材料進行加熱，熔融、半熔融狀態的粒子以一定的速度噴射至 預處 理的基 體 表 面形 成 涂 層的 一 種 技術 [13]，在航空、醫療、采礦等行業都有較廣的應用，主要作用為防腐和修復。然而在噴涂過程中，熱影響區較大，壁體較薄或體積較小的模具容易產生變形，因此該技術適合較大型模具[14 ]。噴涂設備成本相對較低，操作性強，經濟效益良好[15]。

　　Kobayashi 等[16]利用熱噴涂技術制備FeCrBSiMo 非晶涂層，涂層孔隙率為 2%~3%，顯微硬度在 1000~1100 HV0.1 之間。朱靈曉[17]利用熱噴涂技術在農業刀具上噴涂鎳基涂層，根據試驗數據分析可知，鎳基涂層與原有刀具表面相比，磨損量降低 6.9%，顯微硬度增加近 4.2%，鎳基涂層的耐磨性大幅提升，材料表面磨痕如圖1 所示。趙建杰[18]在旋耕刀表面噴涂硬質涂層，涂層 致 密 度高，顯微硬度提高近 50%，磨損增速減緩。

　　熱噴涂技術使涂層與基體形成機械結合，并沒有改變基體材料的化學特性，具有操作靈活、適應性強、設備輕便、工件變形小等優點，但其涂層與基體結合強度不大，處理后的機具涂層在工作過程中易脫落，且由于農機耕作部件的失效多為磨損，腐蝕造成的失效有限，所以該技術在農機上應用不多。

　　2.2 噴焊技術

　　噴焊是將經預熱的自熔性合金粉末涂層加熱至顆粒熔化，造渣上浮到涂層表面，生成的強化相彌散在涂層中，使顆粒間和基體表面達到良好結合[19]。噴焊技術制備的涂層具有與基體結合緊密、涂層致密且氣孔少的特點，與其他幾種技術相比，噴焊技術具有強化層組織致密、與母材結合強度高、稀釋率低等優點[20]，多應用于表面硬度高、幾何形狀簡單的大型部件，在工件表面強化上運用較廣。但該技術容易造成堆焊層表面粗糙不平、塌陷及咬邊等現象，操作人員在噴焊過程中需較高的技術性，以上缺陷制約了噴焊技術的發展[21]。

　　噴焊技術主要應用于受熱應力和磨損作用而損壞的零件，河北農業大學的郝建軍團隊[22-24] 利用噴焊技術在深松鏟、滅茬刀、鞭式刀具上制備耐磨涂層，取得一定的研究成果，其中深松鏟尖噴焊試驗前后的表面形貌對比如圖 2 所示。張旭等[25]利用火焰噴焊技術在滅茬刀上制備了 Fe6 涂層，并與原 65Mn 滅茬刀進行對比試驗，結果表明，火焰噴焊技術處理的涂層硬度約為基體的 2 倍，涂層摩擦系數為基體材料的 2/3，滅茬刀在硬度和耐磨性等方面的性能顯著提升，可有效延長其使用壽命。

　　2.3 表面堆焊技術

　　表面堆焊技術是利用熱源將堆焊材料熔化，通過焊接的方法使堆焊材料在工件表面形成耐磨、耐蝕涂層的工藝方法，其包含修復與表面強化兩大功能，且具有價格低廉、生產周期短、便于維修和熱處理缺陷少等優點[26-27]。

　　2.3.1 等離子堆焊技術

　　張校珩[28]在割草機刀片表面堆焊一定的鐵基合金粉末，合金粉末經處理后在涂層中形成硬質相(Cr7C3，[Cr，Fe] 7C3、Mo2C 等)，這些硬質相起到了提高硬度的作用，與市面上廣泛使用的刀片相比硬度提高了約 1.5 倍，與基體相比硬度提高了約 2.5 倍，有效提升了割草機刀片的耐磨性能。胡軍等[29]對深松鏟尖進行試驗研究，與張校珩團隊雖說作用農機具不同，但都是利用堆焊技術制備鐵基合金粉末，深松鏟表面涂層生成新的結晶相碳鉻鐵、碳化鉻和硅三鐵，與原深松鏟對比，其表面平均洛氏硬度可達 57.8HRC，硬度提高 5~10 倍，耐磨性提高約 1.7 倍。

　　2.3.2 等離子熔覆技術

　　等離子熔覆技術屬于堆焊技術的一種，是在其基礎上發展起來的一種金屬表面處理技術。目前，等離子熔覆技術于農業器具制造和修復方面的應用處于高速發展階段，多個領域都在進行相關方向的研究。

　　惠瀧等[30] 利用等離子熔覆技術在 Q235 鋼基體表面制備了鐵基復合涂層，涂層組織由 ZrB2、 α-Fe、ZrC、Fe2B 和 Fe3C 組成，涂層的顯微硬度可達基體的 7.3 倍，耐磨性最高可達基體的 5.45 倍，抗沖擊斷裂性能顯著提升。韓照坤等[31]利用等離子熔覆技術在深松鏟上做了大量研究，通過在合金粉末中添加不同含量的 WC 粉末進行優化試驗選取最佳含量，將熔覆后的鎳基復合涂層與傳統焊條工藝處理的深松鏟作對比，熔覆后的涂層硬度提升約 4 倍，耐磨性提高約 2 倍，使用壽命得到了顯著延長。

　　2.4 熔覆技術

　　表面熔覆技術通過高能束將熔覆材料熔化后快速凝固，使熔覆材料與基體形成冶金結合，制備出稀釋率極低的表面熔覆層[32-36]，熔覆技術原理圖如圖 3 所示。利用熔覆技術生產出的農機耕作零部件既具有較好的韌性，同時又具備所需求的高耐磨性[37]。

　　我國農機具材料大多為 65Mn 和 Q235 鋼，各研究單位用此作為基材，在表面熔覆鐵基合金耐磨涂層，試驗后表面涂層硬度及耐磨性得到顯著提高[38-39]。對于農機具性能的研究，國外利用熔覆技術提高其耐磨性取得顯著的效果[40 ]，但隨著農業發達國家機械化水平的提升，現階段熔覆技術有所應用但較少。

　　熔覆技術于 20 世紀 70 年代提出，80 年代得以興起，現階段在我國處于高速發展時期，這得益于其在基體原有材料的基礎上僅對表面進行處理，且具有涂層晶粒細小、組織致密、無顯微氣孔的優點。但進行熔覆時在基板上會產生較大的殘余應力，從而導致工件變形乃至開裂現象的發生，如圖 4、圖 5 所示。

　　2.4.1 激光熔覆技術

　　激光熔覆技術功率密度大、工件變形小、作業精度高，可有效減少傳統方法造成的工件變形、開裂等問題[41-42]。目前我國激光加工技術在土壤耕作部件中的適用范圍不廣，主要是成本較高和試驗環境要求苛刻等因素造成的[43-45]。

　　鐵基合金涂層是運用在農機具上最為常見的一種材料，在基材表面利用激光熔覆技術制備涂層，將涂層與原表面進行試驗對比，結果發現熔覆層平均硬度為基體材料的 2~3 倍，摩擦系數明顯降低，各方面性能明顯優于原表面[46-47]。葉鵬云[48]利用激光熔覆技術在割草機刀片表面制備 Ni35B、TiC、WC 的鎳基合金涂層，試驗結果表明，熔覆后刀片表面的平均顯微硬度約為基體的 2.6 倍;TiC 質量分數為 30%時，經一小時的磨損試驗，損失量僅為 0.4mg，是質量分數為 20%TiC 的 1/2 和 10%TiC 的 1/6。經上述試驗論證可知，將激光熔覆技術運用在農機耕作部件表面，熔覆后合金涂層極大地提升了農機具工作效率，延長了其使用壽命。

　　2.5 仿生技術

　　通過觀察模仿自然界生物的各種行為、結構，根據不同要求有針對性的改變現有機械結構，以此提高機械各方面的性能，提升工作效率。

　　仿生技術在表面改性技術中發展勢頭迅猛，自然界中各種生物經過多年的繁衍生息，各器官為適應環境而發生變異，例如：熊在前進過程中，熊爪前進的方式與開溝器極為相似，通過放大觀察熊爪表面溝壑發明仿生開溝器，使開溝器達到高效減阻的特性[49-50];通過觀察、模仿蚯蚓、鼴鼠等土壤生物的表面結構特性來制備新型仿生農機耕作部件，達到耐磨、減阻和提高效率等特性。仿生技術應用于農機耕作零部件多是為了達到降低阻力、減小能耗和提高工作效率等功效[51-54]。

　　王金武等[55]發現狗獾在前進過程中與松土鏟運動方式極為相似，以狗獾爪趾錐形的尖部為仿生原型，利用離散元法建立了仿真模型，設計了胡蘿卜聯合收獲機的仿生減阻鏟尖，經田間對比試驗可知，松土鏟前進阻力、胡蘿卜拔取力和漏拔率三個方面都有很大程度的降低，極大地提高了胡蘿卜聯合收割機的工作效率。王少偉等[56]通過分析鼴鼠不同爪趾的形貌與功能得出前爪第 3 趾為最主要的挖掘趾的結論。通過仿生表面具有凸棱、凸起、凹溝等特征的鼴鼠前爪第 3 趾設計齒形開溝刀，經試驗驗證，仿生齒形開溝刀比普通齒形開溝刀的開溝功率平均降低 10.399%，達到了很好的減阻特性。李曉鵬等[57]對螻蛄前爪側面有一定弧度的輪廓進行研究，設計了可減阻近 35%的仿生挖掘鏟片，提高了挖掘鏟片的挖掘性能。蔣銳等[58]在傳統滅茬刀的正切刃添加仿蟋蟀切齒葉的仿生鋸齒，達到了減阻和降低扭矩的效果，L 型滅茬刀結構示意圖如圖 7 所示。邱兆美等[59 ]結合蚯蚓體表存在波紋狀幾何非光滑表面的形態特征，設計了新的橫向波紋仿生深松鏟，達到了降低深松阻力、減少能耗等效果。

　　3 總結及展望

　　隨著農機化進程的發展，農機耕作部件的耐磨性能研究也成為制約高度機械化的一個重要因素。21 世紀的西方發達國家已基本實現農業高度機械化，農機易磨損零部件多通過改變部件結構、材料等提高磨損特性，既避免了利用表面強化技術處理農機零部件會損耗更多的人力、物力，也提高了農耕作業的效率。我國土地耕種除黑龍江、新疆等為大片作業面積外，其余地區多為小塊不連續土地，高度農業機械化并不適用于我國大部分農村地區，且我國農村勞動力價格較為低廉，更換機具等作業并不會造成人力浪費。利用熱噴涂、熔覆、噴焊、堆焊和仿生等五種表面改性技術提高農機耕作部件性能相比于國外來說更適合我國的農耕現狀。

　　現有應用于農機耕作部件的表面改性技術依然存在較多不足之處，例如：應用材料價格昂貴、處理后材料原有性能改變、技術處于研究階段，應用實際較少等。針對現有農機耕作部件存在的問題提出幾點展望：

　　(1)新型農機耕作部件材料的研發。為提高農機耕作部件的耐磨性、可靠性和穩定性，最直接的方法為采用更高性能的新材料。在農機耕作部件的選材方面，國外已采用高性能的合金材料，而我國在制造高性能合金材料時還存在無法保證材料熱處理后的結構精度等問題，且考慮到農業機械的成本，較少采用高成本的新材料。但可在現有低成本材料的基礎上添加少量的高性能合金，如 Ti、Cr、WC 等，成本增加不高，卻能成倍提高零部件壽命，減少 資源、能源 和人工 的消耗。

　　(2)改善農機耕作部件的結構。通過利用結構仿生等方法進行新型農機耕作部件結構的研發，替代以往舊式部件。研發過程中將在以往結構基礎上進行改善而不是完全摒棄，既可保留原有優點，又可將缺陷修繕，不做大幅的改動，可實施空間大，更易得到農機企業和農戶的青睞。

　　(3)不同表面改性技術結合應用。不局限于使用一種表面改性技術，可在同一農機耕作部件的易磨損表面多種技術同時運用，有達到多重效果的可能性。但此方法在實施過程中需進行反復試驗，以達到最理想的效果。

　　(4)選區應用表面改性技術。農機耕作部件并不是所有接觸面都易磨損，利用 EDEM 等軟件進行模擬得出不同部位的磨損情況，分別利用表面改性技術進行選區處理，如：深松鏟尖從鏟尖向后易磨損程度呈下降趨勢，在鏟尖位置運用抗磨損性能最高的熔覆材料，依次向后，從而達到經濟、高效的目的。