敬谦

（陇东学院，甘肃 庆阳 745000）

农业现代化发展中，农业机械化是一个重要的衡量指标，随着国家对农业机械的重视程度日益提高，农业机械化的智能化及自动化水平不断提升，并且取得了农业机械自动化、智能化方面的研究成果，但是当前应用的农业机械最主要的问题是整机的作业质量不理想，一些关键的耐磨零件的质量水平低，很难达到国际先进水平，这严重制约了我国农业机械的发展。一直以来，我国的农业机械零配件的合格率较低，合格率通常为60%～70%左右，农业机械耐磨配件如旋耕刀的合格率在抽查中仅为58.3%，这些关键零部件的总体质量不理想，这降低了整个农业机械的使用效果。在“十二五”期间，耐磨性零部件是制约农业机械发展的主要因素之一。此外，在调查中还发现，由于耐磨件如收割机刀片、旋耕刀等失效造成的农业机械故障占比在50%以上，因此，提高旋耕刀具的耐磨性显得尤为重要，这对于提高我国的农业机械水平具有非常重要的意义。本文主要分析热喷涂硬质涂层的旋耕刀具磨损性能。

1 旋耕刀片的磨损机理

旋耕机的主要作用是平地、碎土、松土。旋耕机工作过程中，拖拉机输出动力之后传动装置将动力传输至驱动刀辊实现旋耕刀的旋转，旋耕刀的工作界面是土壤，通过不断旋转和前进实现土壤切削，切下的土壤向后抛至挡土罩，土壤泥块碰碎之后落到地面，利用平土拖板实现地面的削平。由于土壤中存在矿物质和有机物，其中有机物主要是农作物的根茎、有机肥等，矿物质主要是砂粒。旋耕刀主要是对土壤中的矿物质、有机物的切削。根据相关的研究成果可知，旋耕刀的工作温度不高，与材料的融化温度相比存在显著的差异，所以说旋耕刀的磨损不是简单的材料的磨损，应是旋耕过程中土壤中的矿物质、有机物对刀片的冲击和腐蚀的综合作用结果，破坏了旋耕刀的韧性和表面强度。刀刃在运动中与磨料冲击时，产生一个冲击力，如果冲击力接近或高于刀刃的部位强度，则多次冲击之后就可能造成刀具磨损。旋耕机的耕犁作用先使刀刃的材料产生弹性、塑性变形，到达一定强度之后出现脆性断裂。土壤磨料颗粒通过对刀片的累积冲击，在刀片表面产生微切削作用，随机冲击次数的增多造成刀片的应力疲劳断裂，最终造成旋耕刀具磨损。通过以上分析可知，旋耕刀具磨损是微切削、应力疲劳断裂、脆性断裂三方面共同作用的结果。

2 旋耕刀具磨损研究现状

农业机械中的耐磨件主要包括收割机刀片、旋耕刀、犁铧等，相关的研究表明我国旋耕刀的使用寿命大约为80h。在相同的使用条件下，旋耕刀的使用寿命主要由机械加工工艺、改性工艺、制造材料等决定。为了提高旋耕刀的耐磨性能和使用寿命，国内的学者很早就推进相关的研究。现阶段，旋耕刀在制作中采用的材料为65Mn 或60Si2Mn，制作工艺严格执行GB/T5669-2008 中的标准，采用各种工艺对对旋耕刀表面进行强化以提高旋耕刀的耐磨性。旋耕刀的表面处理工艺主要包括表面化学热处理、表面热喷涂、表面熔覆涂层、表面堆焊等。本文主要论述表面热喷涂、表面熔覆涂层的研究现状。

热喷涂表面处理主要是利用热源对喷涂材料进行加热，使喷涂材料加热至熔化或者半熔化状态，将喷涂材料沉积至预处理之后的基体表面，在基体表面形成涂层起到表面强化的作用。热喷涂中应用的热源主要为火焰类、电弧类、电热法和激光法4 种类型，经过热喷涂处理之后提高旋耕刀的使用寿命。如Niranatlumpong 等在旋耕刀表面利用超音速火焰喷涂了AL2O3/Ti2O3 涂层，结果表明旋耕刀在砂土磨损中耐磨性显著提高。李晖等利用高速电弧喷涂技术在旋耕刀表面喷涂了NiAl 黏结层与Fe、Cr、Cr2O3、Ni-Al2O3、SiC等构成的耐磨涂层，实验表明，旋耕刀的表面硬度提高了36%，摩擦因素降低了44%。

表面熔覆涂层也是通过不同的涂层工艺和涂层材料，提高基体表面的耐磨损和抗高温性能，这是一种新工艺。如田永财等利用激光堆焊熔覆技术在旋耕刀表面制备了铁基涂层，结果表明，旋耕刀的耐磨性能比基体明显提高。屈平等利用外在热源，在旋耕刀表面涂覆了Al2O3-Ti(C，N)复合材料，提高了刀具的耐磨性，涂层硬度最高达到了HV0.52160，磨损量约为65Mn 钢的1/7。

3 热喷涂硬质涂层的旋耕刀具磨损性能分析

综上所述，我国的很多学者对旋耕刀的耐磨性能研究，都表明了表面热喷涂、表面熔覆涂层的应用有效性。为了进一步提高旋耕刀具的磨损性能，本文研究了热喷涂碳化钨硬质涂层，利用超音速火焰实现碳化钨硬质涂层在旋耕刀表面的喷涂，对喷涂之后的旋耕刀进行磨损性能分析。

3.1 超音速火焰喷涂碳化钨涂层工艺主步骤

（1）准备工作。喷涂过程中采用的喷涂系统为美科LF–HVOF 超音速火焰喷涂系统，喷涂过程中确保碳化钨粉末粒充分熔融化，设置好喷涂距离、送粉量等参数，同时控制喷涂横向步进量。

喷涂主要包括喷涂前的准备工作、基体表面预处理、超音速火焰喷涂3 个步骤。准备工作主要在喷涂之前了解旋耕刀具的形态特征、确定碳化钨涂层的厚度、碳化钨的粉末粒度、喷枪与碳化钨的相对运动速度。之后，对旋耕刀具进行预处理，旋耕刀表面需要进行清洗和喷砂处理。

（2）碳化钨涂层喷涂。碳化钨涂层喷涂采用超音速火焰喷涂系统，设置喷涂参数煤油流量为240cm3/min，氧气流量为876NLPM，喷涂角度为90°，喷涂距离为350mm，喷枪移动塑料为0.2m/s，横向步进量为5.0mm，启动喷涂系统，完成旋耕刀具的碳化钨（WC-12Ni）涂层喷涂。

（3）磨损实验。涂层为WC-12Ni，喷涂完成之后旋耕刀具擦洗干净，同时在精密电子天平上称取原始质量，调整试验机，采用的试验机为MLS-225 型磨损试验机，设置工作参数，冲击速度1.8m/s，冲击功率1.25kW。设置泥浆砂水比3:1，载荷为70N，设置完成之后进行试件磨损实验。试验机运行10h 之后，取下旋耕刀具试样，进行称量，得到工作前后的旋耕刀质量差，评价旋耕刀的材料损失情况，评价旋耕刀的磨损性能。在相同的实验条讲下，设置未进行涂层的旋耕刀为对照实验。

3.2 实验结果

根据实验结果可知，在泥浆砂水比3:1，载荷为70N 时，未进行涂层的旋耕刀、喷涂完成之后旋耕刀磨损失重分别为1021mg、53mg，由此可知，喷涂WC-12Ni 之后的旋耕刀具的产生的磨损较小，可以延长旋耕刀的使用寿命，从而降低农业生产的成本。

4 结语

旋耕刀在农业机械中具有非常重要的作用，但是当前应用的旋耕刀使用寿命短、适应性差，这已经成为制约农业机械化水平提升的主要因素，因此，在这种情况下，迫切需要加强对于旋耕刀具的研究，通过应用新材料、新工艺不断提高旋耕刀的使用寿命，以满足不同的土壤类型的旋耕要求。本文利用美科LF-HVOF 超音速火焰喷涂系统在旋耕刀表面喷涂了WC-12Ni 硬质涂层，并进行了磨损实验，通过实验结果可知，喷涂WC-12Ni 之后的旋耕刀具的产生的磨损较小，可以延长旋耕刀的使用寿命。

对于提高旋耕刀具的磨损使用寿命提出以下建议：一是，加大对旋耕刀的磨损性能机理研究，确定在不同的土壤条件下，旋耕刀的磨损失效机理，做好旋耕的结构设计和材料选择工作；二是，加强对于耐磨材料的研究和新型农机材料的研发和推广，同时不断改进表面工程技术和热处理工艺，尽量研发成本低、应用简单的旋耕刀具表面处理工艺。三是，改进旋耕刀具的受力情况，比如在旋耕刀设计中应用仿生学，降低在土壤中承受的阻力，仿生学的应用将成为未来旋耕刀结构设计的发展趋势。四是，加强旋耕刀具表面涂层技术的研究，稳定旋耕刀的涂层工艺参数，以提高其耐磨损性能。