农机耕作零部件表面改性技术研究及展望
摘 要：农机耕作零部件因磨损失效，性能受到严重影响，制约着农业机械化的发展。表面改性技术以其工艺灵活、适用性强、操作方便、成本低等优势成为提高农机耕作零部件耐磨性的重要技术手段。表面改性技术在农机方面应用较多的有热喷涂、喷焊、堆焊、熔覆及仿生五种技术手段，不同技术的优劣势及适用条件各不相同，结合这五种手段，介绍了表面改性技术在提高农机耕作零部件耐磨性、改善表面性能方面的研究概况，并对其应用前景及发展趋势提出展望。
关 键 词：农机耕作零部件;表面改性;磨损失效;耐磨性
苑仁月，白雪卫，李浩喆，孙世杰，翟艳坤;真空;中图分类号：TG176 文献标识码：A
近年来，我国农业机械化高速发展，其水平影响着整体农业的发展进程。农机耕作零部件在农业机械化发展过程中起着决定性作用，关键零部件的质量直接影响整机的可靠性和使用寿命。然而由于农机耕作部件的工作环境较差，土壤中砂石、作物根茎等对工作部件产生较大的磨损和腐蚀，而且我国农机零部件的合格率仅有 60%左右，严重制约了我国农业机械化水平的提升[1-2]。农机耕作部件易磨损是世界各国共同面对的亟待解决的难题，科研人员需结合本国农耕实际情况，发展最适合作业的农机耕作部件。
近年来，中美贸易摩擦时有发生，显著体现在农业农机关键零部件的惜售和禁运等方面，为促进农业发展，必须在农机修复行业加深研究，以 此更好 更快地带动农 机 关 键零部件的发展。
目前，国内外学者主要通过提高农机耕作部件本身材料的性能或利用表面工程技术在部件表面制备高性能合金涂层等方法来提高其耐磨性。利用表面改性技术对农机耕作零部件进行表面强化处理，对提高零部件耐磨性、延长使用寿命、节约农业生产资源和农机作业成本等具有重要的现实意义[3-4]。
1 农机耕作零部件磨损失效机理
农机耕作部件的主要失效形式有三种，分别为磨料磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损，其中磨料磨损占 50%以上[2，5-6]。疲劳磨损和腐蚀磨损属于人为可控因素，例如：农机每连续工作一天可更换耕作部件，几套零部件轮番使用，可减少因疲劳使用而产生磨损;对于腐蚀磨损，化肥生产公司一直致力于研究低污染、低腐蚀型化肥，既响应国家环保号召，又降低因腐蚀带来的磨损失效。
农机耕作部件的磨料磨损类型主要是低应力划伤式磨料磨损，土壤中的磨料主要是高硬度(700~1100HV)的石英砂和长石，磨料所受应力小于部件材料表面的破碎强度，部件表面受到磨料的微切削产生犁沟，磨粒刺入部件表面，划动时将部件表面材料沿运动轨迹的前方和两侧堆起，产生塑性损伤[7-11]。农机耕作部件在很坚实或含有较多石块的土壤中作业时，则可能发生高应力碾碎式磨料磨损，冲撞中所受应力可以使砂粒、石块等破碎，破碎产生的尖锐的碎屑棱角又会对部件造成凿屑式磨料磨损，在部件表面留下较大的伤痕，甚至崩裂[12 ]。
2 表面改性技术提高农机耕作零部件耐磨性
表面改性技术应用范围广，如农业、医学、工业、化工、航空、采矿等，该技术具体分类情况如表 1 所示。
表面处理技术中的等离子堆焊和等离子熔覆有较多的相似点，均属于堆焊技术，两者最大的区别是堆焊可用焊条或自熔性粉末作为熔化材料，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备合金涂层，基材的稀释较小而熔覆速度较高，可用于零部件的制造和修复，而喷焊主要用于基体较薄或不适合堆焊和熔覆的环境中，处理后材料表面呈镜面。喷焊与喷涂也有较大的区别，其中，涂层与工作层结合方式不同，喷涂材料不同，受热情况不同，且承受载荷的能力也不同。在这几种可应用于农机耕作部件上的表面改性技术中，仿生技术的主要作用除提高耐磨性外还包括减阻、提高效率。表面改性技术在农业上的应用正处于高速发展阶段，目前应用于农业方面的主要有热喷涂、喷焊、堆焊、熔覆、仿生等，这五种技术的优缺点如表 2 所示。
2.1 热喷涂技术
热喷涂技术是采用某种热源对喷涂材料进行加热，熔融、半熔融状态的粒子以一定的速度喷射至 预处 理的基 体 表 面形 成 涂 层的 一 种 技术 [13]，在航空、医疗、采矿等行业都有较广的应用，主要作用为防腐和修复。然而在喷涂过程中，热影响区较大，壁体较薄或体积较小的模具容易产生变形，因此该技术适合较大型模具[14 ]。喷涂设备成本相对较低，操作性强，经济效益良好[15]。
Kobayashi 等[16]利用热喷涂技术制备FeCrBSiMo 非晶涂层，涂层孔隙率为 2%~3%，显微硬度在 1000~1100 HV0.1 之间。朱灵晓[17]利用热喷涂技术在农业刀具上喷涂镍基涂层，根据试验数据分析可知，镍基涂层与原有刀具表面相比，磨损量降低 6.9%，显微硬度增加近 4.2%，镍基涂层的耐磨性大幅提升，材料表面磨痕如图1 所示。赵建杰[18]在旋耕刀表面喷涂硬质涂层，涂层 致 密 度高，显微硬度提高近 50%，磨损增速减缓。
热喷涂技术使涂层与基体形成机械结合，并没有改变基体材料的化学特性，具有操作灵活、适应性强、设备轻便、工件变形小等优点，但其涂层与基体结合强度不大，处理后的机具涂层在工作过程中易脱落，且由于农机耕作部件的失效多为磨损，腐蚀造成的失效有限，所以该技术在农机上应用不多。
2.2 喷焊技术
喷焊是将经预热的自熔性合金粉末涂层加热至颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的强化相弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合[19]。喷焊技术制备的涂层具有与基体结合紧密、涂层致密且气孔少的特点，与其他几种技术相比，喷焊技术具有强化层组织致密、与母材结合强度高、稀释率低等优点[20]，多应用于表面硬度高、几何形状简单的大型部件，在工件表面强化上运用较广。但该技术容易造成堆焊层表面粗糙不平、塌陷及咬边等现象，操作人员在喷焊过程中需较高的技术性，以上缺陷制约了喷焊技术的发展[21]。
喷焊技术主要应用于受热应力和磨损作用而损坏的零件，河北农业大学的郝建军团队[22-24] 利用喷焊技术在深松铲、灭茬刀、鞭式刀具上制备耐磨涂层，取得一定的研究成果，其中深松铲尖喷焊试验前后的表面形貌对比如图 2 所示。张旭等[25]利用火焰喷焊技术在灭茬刀上制备了 Fe6 涂层，并与原 65Mn 灭茬刀进行对比试验，结果表明，火焰喷焊技术处理的涂层硬度约为基体的 2 倍，涂层摩擦系数为基体材料的 2/3，灭茬刀在硬度和耐磨性等方面的性能显著提升，可有效延长其使用寿命。
2.3 表面堆焊技术
表面堆焊技术是利用热源将堆焊材料熔化，通过焊接的方法使堆焊材料在工件表面形成耐磨、耐蚀涂层的工艺方法，其包含修复与表面强化两大功能，且具有价格低廉、生产周期短、便于维修和热处理缺陷少等优点[26-27]。
2.3.1 等离子堆焊技术
张校珩[28]在割草机刀片表面堆焊一定的铁基合金粉末，合金粉末经处理后在涂层中形成硬质相(Cr7C3，[Cr，Fe] 7C3、Mo2C 等)，这些硬质相起到了提高硬度的作用，与市面上广泛使用的刀片相比硬度提高了约 1.5 倍，与基体相比硬度提高了约 2.5 倍，有效提升了割草机刀片的耐磨性能。胡军等[29]对深松铲尖进行试验研究，与张校珩团队虽说作用农机具不同，但都是利用堆焊技术制备铁基合金粉末，深松铲表面涂层生成新的结晶相碳铬铁、碳化铬和硅三铁，与原深松铲对比，其表面平均洛氏硬度可达 57.8HRC，硬度提高 5~10 倍，耐磨性提高约 1.7 倍。
2.3.2 等离子熔覆技术
等离子熔覆技术属于堆焊技术的一种，是在其基础上发展起来的一种金属表面处理技术。目前，等离子熔覆技术于农业器具制造和修复方面的应用处于高速发展阶段，多个领域都在进行相关方向的研究。
惠泷等[30] 利用等离子熔覆技术在 Q235 钢基体表面制备了铁基复合涂层，涂层组织由 ZrB2、 α-Fe、ZrC、Fe2B 和 Fe3C 组成，涂层的显微硬度可达基体的 7.3 倍，耐磨性最高可达基体的 5.45 倍，抗冲击断裂性能显著提升。韩照坤等[31]利用等离子熔覆技术在深松铲上做了大量研究，通过在合金粉末中添加不同含量的 WC 粉末进行优化试验选取最佳含量，将熔覆后的镍基复合涂层与传统焊条工艺处理的深松铲作对比，熔覆后的涂层硬度提升约 4 倍，耐磨性提高约 2 倍，使用寿命得到了显著延长。
2.4 熔覆技术
表面熔覆技术通过高能束将熔覆材料熔化后快速凝固，使熔覆材料与基体形成冶金结合，制备出稀释率极低的表面熔覆层[32-36]，熔覆技术原理图如图 3 所示。利用熔覆技术生产出的农机耕作零部件既具有较好的韧性，同时又具备所需求的高耐磨性[37]。
我国农机具材料大多为 65Mn 和 Q235 钢，各研究单位用此作为基材，在表面熔覆铁基合金耐磨涂层，试验后表面涂层硬度及耐磨性得到显著提高[38-39]。对于农机具性能的研究，国外利用熔覆技术提高其耐磨性取得显著的效果[40 ]，但随着农业发达国家机械化水平的提升，现阶段熔覆技术有所应用但较少。
熔覆技术于 20 世纪 70 年代提出，80 年代得以兴起，现阶段在我国处于高速发展时期，这得益于其在基体原有材料的基础上仅对表面进行处理，且具有涂层晶粒细小、组织致密、无显微气孔的优点。但进行熔覆时在基板上会产生较大的残余应力，从而导致工件变形乃至开裂现象的发生，如图 4、图 5 所示。
2.4.1 激光熔覆技术
激光熔覆技术功率密度大、工件变形小、作业精度高，可有效减少传统方法造成的工件变形、开裂等问题[41-42]。目前我国激光加工技术在土壤耕作部件中的适用范围不广，主要是成本较高和试验环境要求苛刻等因素造成的[43-45]。
铁基合金涂层是运用在农机具上最为常见的一种材料，在基材表面利用激光熔覆技术制备涂层，将涂层与原表面进行试验对比，结果发现熔覆层平均硬度为基体材料的 2~3 倍，摩擦系数明显降低，各方面性能明显优于原表面[46-47]。叶鹏云[48]利用激光熔覆技术在割草机刀片表面制备 Ni35B、TiC、WC 的镍基合金涂层，试验结果表明，熔覆后刀片表面的平均显微硬度约为基体的 2.6 倍;TiC 质量分数为 30%时，经一小时的磨损试验，损失量仅为 0.4mg，是质量分数为 20%TiC 的 1/2 和 10%TiC 的 1/6。经上述试验论证可知，将激光熔覆技术运用在农机耕作部件表面，熔覆后合金涂层极大地提升了农机具工作效率，延长了其使用寿命。
2.5 仿生技术
通过观察模仿自然界生物的各种行为、结构，根据不同要求有针对性的改变现有机械结构，以此提高机械各方面的性能，提升工作效率。
仿生技术在表面改性技术中发展势头迅猛，自然界中各种生物经过多年的繁衍生息，各器官为适应环境而发生变异，例如：熊在前进过程中，熊爪前进的方式与开沟器极为相似，通过放大观察熊爪表面沟壑发明仿生开沟器，使开沟器达到高效减阻的特性[49-50];通过观察、模仿蚯蚓、鼹鼠等土壤生物的表面结构特性来制备新型仿生农机耕作部件，达到耐磨、减阻和提高效率等特性。仿生技术应用于农机耕作零部件多是为了达到降低阻力、减小能耗和提高工作效率等功效[51-54]。
王金武等[55]发现狗獾在前进过程中与松土铲运动方式极为相似，以狗獾爪趾锥形的尖部为仿生原型，利用离散元法建立了仿真模型，设计了胡萝卜联合收获机的仿生减阻铲尖，经田间对比试验可知，松土铲前进阻力、胡萝卜拔取力和漏拔率三个方面都有很大程度的降低，极大地提高了胡萝卜联合收割机的工作效率。王少伟等[56]通过分析鼹鼠不同爪趾的形貌与功能得出前爪第 3 趾为最主要的挖掘趾的结论。通过仿生表面具有凸棱、凸起、凹沟等特征的鼹鼠前爪第 3 趾设计齿形开沟刀，经试验验证，仿生齿形开沟刀比普通齿形开沟刀的开沟功率平均降低 10.399%，达到了很好的减阻特性。李晓鹏等[57]对蝼蛄前爪侧面有一定弧度的轮廓进行研究，设计了可减阻近 35%的仿生挖掘铲片，提高了挖掘铲片的挖掘性能。蒋锐等[58]在传统灭茬刀的正切刃添加仿蟋蟀切齿叶的仿生锯齿，达到了减阻和降低扭矩的效果，L 型灭茬刀结构示意图如图 7 所示。邱兆美等[59 ]结合蚯蚓体表存在波纹状几何非光滑表面的形态特征，设计了新的横向波纹仿生深松铲，达到了降低深松阻力、减少能耗等效果。
3 总结及展望
随着农机化进程的发展，农机耕作部件的耐磨性能研究也成为制约高度机械化的一个重要因素。21 世纪的西方发达国家已基本实现农业高度机械化，农机易磨损零部件多通过改变部件结构、材料等提高磨损特性，既避免了利用表面强化技术处理农机零部件会损耗更多的人力、物力，也提高了农耕作业的效率。我国土地耕种除黑龙江、新疆等为大片作业面积外，其余地区多为小块不连续土地，高度农业机械化并不适用于我国大部分农村地区，且我国农村劳动力价格较为低廉，更换机具等作业并不会造成人力浪费。利用热喷涂、熔覆、喷焊、堆焊和仿生等五种表面改性技术提高农机耕作部件性能相比于国外来说更适合我国的农耕现状。
现有应用于农机耕作部件的表面改性技术依然存在较多不足之处，例如：应用材料价格昂贵、处理后材料原有性能改变、技术处于研究阶段，应用实际较少等。针对现有农机耕作部件存在的问题提出几点展望：
(1)新型农机耕作部件材料的研发。为提高农机耕作部件的耐磨性、可靠性和稳定性，最直接的方法为采用更高性能的新材料。在农机耕作部件的选材方面，国外已采用高性能的合金材料，而我国在制造高性能合金材料时还存在无法保证材料热处理后的结构精度等问题，且考虑到农业机械的成本，较少采用高成本的新材料。但可在现有低成本材料的基础上添加少量的高性能合金，如 Ti、Cr、WC 等，成本增加不高，却能成倍提高零部件寿命，减少 资源、能源 和人工 的消耗。
(2)改善农机耕作部件的结构。通过利用结构仿生等方法进行新型农机耕作部件结构的研发，替代以往旧式部件。研发过程中将在以往结构基础上进行改善而不是完全摒弃，既可保留原有优点，又可将缺陷修缮，不做大幅的改动，可实施空间大，更易得到农机企业和农户的青睐。
(3)不同表面改性技术结合应用。不局限于使用一种表面改性技术，可在同一农机耕作部件的易磨损表面多种技术同时运用，有达到多重效果的可能性。但此方法在实施过程中需进行反复试验，以达到最理想的效果。
(4)选区应用表面改性技术。农机耕作部件并不是所有接触面都易磨损，利用 EDEM 等软件进行模拟得出不同部位的磨损情况，分别利用表面改性技术进行选区处理，如：深松铲尖从铲尖向后易磨损程度呈下降趋势，在铲尖位置运用抗磨损性能最高的熔覆材料，依次向后，从而达到经济、高效的目的。