江门市新会区新农机械有限公司 广东江门 529100
摘要：针对农机零件主要受磨料磨损和粘着磨损失效的现实，论述在农机零件服役条件下，农机零件的硬度要求。探讨采用热喷涂技术在农机工程材料延寿中的应用，最后针对我国农机行业应用中存在的问题及不足，提出了希望与建议。
关键词：农机零件；磨损；硬度；热喷涂技术
1 前言
农业机械是发展现代农业的重要技术保障，是指农业生产中所使用的各种机械和设备。农机工程材料是加工、制造农业机械的原材料，它种类广泛，涉及到金属、非金属、高分子及复合材料。其中，金属材料凭借其优良的力学和加工性能，成为农机工程材料的主力军，从动力装置到执行装置，从普通承力结构到关键零部件，无不闪现着金属材料的身影。目前，随着农机工业的发展，对农业机械及其关键零部件的使用寿命提出了更高要求。除了科学的结构及可靠性设计、合理的材料选择之外，迫切需要在现有材料体系基础上，有效延长农机工程材料的服役寿命。热喷涂技术作为表面工程重要的技术手段，可以在农机关键零件表面制备耐磨、耐腐蚀涂层，延长金属材料的使用寿命。此外，热喷涂技术在修复磨损、磨蚀零件尺寸，实现关键零件的再制造方面也发挥着重要作用。因此在现有材料体系基础上，利用热喷涂技术延长农机工程材料的服役寿命有着重大的经济效益和社会效益。目前对各种机械零件的强度设计已有较成熟理论，而对提高耐磨性的论述则很少。针对农机零件如何解决强度、韧性和耐磨性矛盾的系统论述就更少。本文着重从磨料磨损和粘着磨损两方面讨论农机零件的硬度要求。
2 造成农机零件磨损的磨料
2.1 土壤中的砂石
砂石都是各种母岩风化的产物，它不但是造成耕作零件磨损的元凶，而且随风飘散，沾附在农作物茎叶、籽实及动物皮毛上，也是引发收获加工机具磨损的要犯。砂粒大多是不同类型的氧化硅，如石英、燧石和黑硅石等。其硬度在820～ 1250HV之间，以石英最硬。
2.2 植物中的硅酸体
植物除表面沾砂外，还通过根系从土壤中吸收硅。硅酸体是构成植物细胞与器官的重要材料。分析表明植物硅酸体是非晶质的，它在禾本科粮食、牧草中含量最高，有的可达10%～20%（质量分数）。植物硅酸体主要是SiO2，还含少量Al2O3、Fe2O3、CaO、TiO2等，含水约10%。硬度为莫氏5.5～5.6级（540～ 570HV），与玻璃相似。颗粒多为20～ 200μm，带尖锐棱角，是收获加工机具的重要磨料。
3 磨损过程
磨损是农机零件失效破坏的主要形式和材料消耗的第一原因，占80%以上。有些零件虽因断裂报废，很可能是磨损使断面变小后强度、刚度不足，导致变形断裂。这些零件如过分顾及强度和韧性，就会转而以磨损形式而失效。所以农机零件的失效破坏都直接或简接与磨损相关。
3.1 磨合期
新装配的零件，由于机体粗糙度和几何形状偏差，零件间的实际接触面积小，单位面积载荷大，油膜不易保持，磨损较剧烈。在磨合期结束后，表面状况进人适合工作条件状态，磨损速度降低。
3.2 稳定磨损期
零件磨损量与工作时间成正比，一般比较缓慢。但在使用、保养不到位，以及工作条件恶劣时，零件磨损的强烈度仍可能较大。
3.3 剧烈磨损期
零件磨损积累较大，配合件间隙增大，冲击载荷增加，润滑油膜难以形成，零件加速磨损。此时应及时修理或更换。
4 各种农机零件的失效分析
1）犁铧：①铧尖与刃口受土壤、砂石磨料磨损；②受土壤中石块、树根冲撞，铧尖折断，刃口崩裂；③非淬火区强度不足或被磨薄后弯曲变形；④水田中腐蚀磨损，产生凹坑与龟裂。
2）犁壁：①受土壤、砂石磨损；②受土垡、石块冲击开裂；③水田腐蚀磨损。
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3）驱动耙刀片：①受土壤砂石磨损；②受石块、树根冲撞刃口开裂、弯曲；③水田腐蚀磨损。
4）旋耕刀、起垄刀：①刃部受土壤砂石磨损；②柄部和刀刃受土块、石块、树根冲击，弯曲或折断。
5）拖拉机履带板：①节销、销孔和跑道受泥砂磨损；②磨损裂纹扩展导致断裂；③水田腐蚀磨损、龟裂。
6）船式拖拉机前底板：①由于柴油机工作转速下的激振频率，引起船体周期振动（由船前向船后逐渐减弱），使前底板受到峰值冲击力，在局部高应力作用下，受泥浆、砂粒冲蚀磨损与疲劳磨损，其磨损比后底板和两侧钢板都严重；②水田腐蚀磨损。
7）船式拖拉机后底板：①受泥浆、砂粒冲蚀磨损与纯磨料磨损（刨槽与犁沟）；②水田腐蚀磨损。
8）船式拖拉机两侧船体钢板：①受泥砂冲刷，为冲蚀磨损加磨料磨损；②水田腐蚀磨损。
9）收割机（麦类、水稻、牧草）刀片：①受作物中植物硅酸体和沾附砂土的磨损和疲劳磨损，刃口变钝；②受砂石、草根、杂物撞击而崩刃；③动、定刀片间有时发生粘着磨损；④刀片受草浆、泥浆等腐蚀磨损。
10）薯类收获机的挖掘犁或挖掘铲、种植机的开沟铲：①受土壤、砂石磨料磨损；②受土壤中石块、树根冲撞，犁尖折断，刃口崩裂；③非淬火区强度不足或被磨薄后弯曲变形；④受薯类浆、草浆、泥浆等腐蚀磨损。
5 农机耐磨零件的硬度设计
在常用硬度范围内（≤62HRC），强度随硬度的提高而增高。制约农机零件采用较高硬度以提高耐磨性的因素，主要是对韧性的担心。为此应对零件服役条件进行科学分析，如铧式犁的犁铧要切开土壤、破碎并翻转土壤，其硬度要求为48～60HRC；由于麦类、水稻、牧草等会沾附砂土，收割机工作时这些砂土和草根、杂物等会撞击收割机刀片而造成崩刃，砂粒还进入定、动刀片之间，严重划伤工作刃面并破坏刃口，其硬度要求为50～60HRC。Copoknh研究表明，只有能量达到将石英砂击碎的高能冲击下，硬度才不应高于55HRC，如旋耕机、旋耕起垄机的旋耕刀和起垄刀，要达到碎土要求，其硬度要求为45～50HRC；薯类收获机的挖掘犁或挖掘铲，需挖开土壤把果实翻出来，其硬度要求为45～55HRC；而播种机的开沟铲是在整理的土壤开沟，其硬度要求为40～50HRC。
以旋耕起垄机的起垄刀为例，起垄刀片的作用除了将泥土打碎外，还要将泥土由两边往中间推起，形成垄畦，故其刀身设计得较为宽阔，刃口部位微弯，形状如风扇叶形或螺旋浆叶形，弯曲分左右，向左弯为左刀，向右弯为右刀。实践中起垄刀片在耕作时同时存在较大的径向力和轴向力，比普通的旋耕机刀片所承受的负荷要大，故材料上选择6mm厚的65Mn钢板，热处理硬度要求45~50HRC。
起垄刀片的制造以冷、热加工为主：先将材料用冲模开料、冲孔，再加热弯曲成形，磨刃口后进行热处理提高硬度。
3）热喷涂技术在农业机械方面的应用主要有火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂。试验中可能出现的可控工艺参数有喷涂材料的粉末粒度、材料成分的配比、送粉气体流量及压力、预热温度、喷涂距离、重熔条件、涂层厚度等。喷涂材料的粒度成为影响喷涂层性能的因素之一。较小的喷涂粉末粒子在喷涂过程中很快被加热至熔融或半熔融状态，填充性好，因而得到更为致密的喷涂层，减少孔隙，避免涂层有效承载面积的降低。但是，热喷涂粉末并非越细越好。
在农业方面，铁基合金粉末和镍基合金粉末应用较多。不同的铁基合金中含不同的化学成分，可得到耐磨损、耐腐蚀、耐热等性能，以提高工件表面的耐磨性或修复磨损件的尺寸。含硼、硅的铁基喷涂合金粉末降低了钢的熔点，提高了涂层的硬度和耐磨性，但涂层韧性较低，重熔性差。镍基合金粉末热喷涂涂层具有耐磨损、抗氧化、耐热等特性。相关研究对热喷涂涂层和普通钢耐农药腐蚀的性能进行了比较，结果显示，采用镍基（SNi112或WNi211）金属粉末热喷涂层作为农机、农具和植保机械零部件的保护层，比普通钢的耐农药腐蚀性能大大提高，延长了机械的使用寿命。热喷涂技术应用于农业机械的未来研究方向大致有：开发新型喷涂材料，研究更为经济有效的热喷涂工艺和喷涂设备，深化热喷涂技术的理论研究，推进计算机在热喷涂工艺中的应用。在现有理论的基础上，更深层次的挖掘热喷涂技术的潜力，并拓宽新技术材料的研发，实现纵向面与横向面的持续发展，可为农业工程创造极大效益。
6 结语
耐磨性并非材料固有特性，其影响因素十分复杂，目前还不能像强度那样进行计算和设计，只能作定性或半定量的描述。不应脱离金相组织与微观结构来讨论硬度问题，合理的热处理工艺是获得理想组织与性能的保证。通过正确热处理工艺，在获得相同硬度条件下，可得到更高的韧性，如：a细化晶粒；b合理的冷却（分级淬火、等温淬火、更换淬火介质等）和充分的回火，以最大限度降低内应力；c获得耐磨性高、韧性好的板条马氏体或下贝氏体组织；d采用表面热处理、化学热处理等表面工程技术等等。这将另文专门讨论。
参考文献
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论文作者:陈艺明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/19
标签：磨损论文; 农机论文; 零件论文; 硬度论文; 材料论文; 刃口论文; 土壤论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;