农耕机械触土部分磨损及表面改性研究现状

夏国峰 杨学锋 万壮 刘文波 李丹

摘要：土壤是农耕机械主要的加工对象，农耕机械中的触土部件在与土壤接触作用的过程中会受到来自于土壤颗粒的磨损失效，这是造成其产生失效的主要原因。现有的提高触土部件耐磨性能的方式包括选择耐磨材料、改进加工工艺、涂层和表面处理等，近几年随着生物仿生学的发展，仿生农耕触土部件的设计成为了新的发展趋势和手段。本研究从触土部件的磨损机制、产生磨损的因素及现有的提高农耕机械触土部分耐磨性能的表面改性方法等几个方面进行了综合论述，以期能对我国农耕机械触土部件设计的优化和发展提供理论参考。

关键词：农耕机械;触土部件;磨损;表面改性;仿生

中图分类号： S222文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）04-0046-06

收稿日期：2018-12-21

基金项目：国家自然科学基金（编号：51575234、51872122）;中国博士后科学基金（编号：2017M620286）;山东省重点研发计划（编号：2018CXGC0809）;山东省农机装备研发创新计划（编号：2018YF012）。

作者简介：夏国峰（1993—），男，山东枣庄人，硕士研究生，研究方向为摩擦润滑理论及工程应用。E-mail：2269925790@qq.com。

通信作者：杨学锋，博士，教授，研究方向为摩擦润滑理论及工程应用。E-mail：me_yangxf@ujn.edu.cn。

近年来，随着我国农村经济的快速发展，农业生产规模的不断扩大，我国农业逐渐开始朝着机械化方向发展，先进农机使用的普及和推广已经取得了一定成效。但是，农耕机械部件在农业生产的过程中产生的磨损现象仍然普遍存在，且不易得到有效解决。农业机械的触土部件往往都是在无润滑状态下直接与土壤等磨粒直接接触，工作环境十分恶劣，所以土壤对农业机械的磨粒磨损是个很突出的问题。在进行农耕作业时，只有充分保障农耕机械具有良好的工作条件，才能实现良好作业，才能尽可能减少材料的磨损，使能源浪费现象得到有效控制。据统计，机械材料和能源的消耗主要是由于摩擦磨损造成的，其中农耕机械报废的很大一部分原因就是由于触土部件与土壤之间产生的磨粒磨损失效，据相关统计，其所占比例已经高达60%以上[1-3]。钢材磨损问题是一个世界范围内的难题，每年由于磨损所消耗的钢材占全世界钢材生产总量的10%左右。就我国来说，我国目前机耕面积大约有1亿hm2，那么所需犁铧、旋耕机刀片等农耕触土部件的总用钢量大约为3万t，而每年在土壤中直接磨损掉的金属材料占制造农耕触土部件所需钢材的27%，这种直接的经济损失对一个国家来说是非常惊人的[4]。未来农业机械化工程技术的发展方向是高效节能，实际工作中影响农耕机械的生产效率和产生磨损的因素很多，其中农业物料对农业机械工作部件的磨损是影响其生产效率和能源消耗的主要因素，其中最具典型性的是土壤对触土工作部件的磨損。因此，通过研究农耕触土部件与土壤的磨损现象，找到更加有效的解决方法是非常有必要的，这对于提高农业机具的性能，发展集约型农业有着积极的意义。

1 农耕机械触土部件的磨损机制

农耕机械触土部件与土壤之间发生的磨粒磨损现象是造成其磨损失效的主要原因。磨粒磨损是指由外界硬质表面或硬颗粒在摩擦副对偶表面滑动过程中引起的部件表面擦伤、材料脱落或变形、断裂的一种现象，图1为磨粒磨损示意图。磨粒磨损通常分为两体磨料磨损和三体磨料磨损2种情况。两体磨损是指当部件与土壤表面或表面镶嵌的磨粒相互接触并发生滑动时，硬度较高的一方对硬度较低的一方产生的磨损，如犁铧与土壤等物料接触的磨损。三体磨损是指在部件和土壤之间存在自由磨粒，其在触土部件表面滚动或滑动时产生的磨损[1，5-6]。

磨粒磨损在农业生产中普遍存在，如常见的挖掘机的铲齿、犁铧等的磨损都是磨粒磨损的典型代表。

2 农耕机械触土部件磨损的影响因素

2.1 结构设计对触土部件磨损的影响

农耕触土部件的结构形状决定了其工作性能的好坏。触土部件与土壤的接触面积和机械整体所受阻力的大小以及土壤在部件表面的流动状况都与其结构参数相关，进而就会对磨损情况造成影响。以在农业生产中起着重要作用的犁体工具为例，犁体曲面结构是影响犁体工具加工土壤质量的主要因素之一。早在15世纪30年代，意大利的兰姆勃洛新等就提出了滚垡型犁体翻垡过程的假想，并总结出了以正螺旋面来作为犁体曲面的设计理论[7-8]。几百年来，大多数的设计者一直将其作为犁体曲面结构的设计依据之一，再加上人们对土壤的力学行为和耕作部件与土壤之间相互作用等问题的忽视，导致到目前为止，土壤耕作部件的设计还在采用经验法，这对于土壤耕作部件设计理论的发展十分不利。近年来，由于计算机技术和其他相关科学领域的发展，使得耕作部件的结构设计开始向着参数化方向发展。例如，徐锐良等借助Matlab软件对已知点进行了曲线拟合，并得到了4种不同参数的曲线方程，然后基于solidworks中方程驱动曲线功能建立导曲线，完成了犁体曲面三维模型，并对其进行了有限元分析，结果表明，合理地改变犁体结构的参数能够有效降低犁体的阻力和耐磨性[9]。

2.2 材料和加工工艺对触土部件磨损的影响

材料的摩擦系数、硬度、韧性等不同，由不同材料加工而成的触土部件在与土壤相互作用的时候，耐磨能力也就不尽相同，即使是同一种材料，成型时的加工工艺不同，触土部件的强度和硬度等就会有所不同，从而表现出不同的耐磨性能。为了提高耕作部件的耐磨性能和使用寿命，科研人员一直在探索如何在材料选择和加工工艺方面对其进行优化，如采用白口铸铁材料进行加工的阳城犁镜就是其中的杰出研究成果[10]。为了适应现代农业对作业速度、强度的更高要求，就须要同步提高触土部件的硬度和韧性，触土部件的材料开始以传统的钢铁材料为主，逐渐向合金钢材料过渡，其中应用最为广泛的就是65Mn钢。

近年来，伴随着冶炼等加工工艺的迅速发展，硼钢也开始被尝试用来制造触土部件，如西班牙贝洛塔公司采用28MnB5钢加工的触土部件，其韧性和强度都比较优越，且硬度（HRC）能够达到48～53[11-12]。硼钢材料虽然具有比较优越的性能，但这种材料的制备、热处理方式和加工工艺等技术不容易掌握，目前我国企业虽然能把这种材料应用到触土部件的生产中，但难以保证产品的结构精度，这也成为制约应用这种材料的瓶颈。

2.3 不同土壤耕作条件对触土部件磨损的影响

在实际农业生产中，耕作条件往往不是一成不变的，不同种类的土壤及其一些理化性质会对触土部件的磨损产生不同的影响。我国幅员辽阔，土地类型繁多，常见的土壤类型包括沙土、壤土、黏土等，按土壤颗粒大小又可以分为石砾、沙粒、黏粒、粉粒等，这些粗细不同的颗粒的硬度、强度都有所不同，与触土部件之间的摩擦系数也就不同。通常情况下，沙土中所含的石砾、沙粒等大颗粒与触土部件之间的摩擦系数要远大于壤土、黏土中所含的细颗粒[13]。另外，土壤的一些理化性质也会对触土部件的磨损产生影响。例如，Mirmehrabi等通过试验发现，将类黏土颗粒的硅粉加入到硅砂中能够降低硅砂对触土部件的磨损[14]。土壤的含水量也会影响磨损情况，通过试验发现，随着含水量的增加，会加大沙土对触土部件的磨损，而黏土、壤土对部件的磨损则会逐渐降低。

2.4 其他一些因素对触土部件磨损的影响

农耕机械的耕作速度、耕深、幅宽等的变化会引起机器工作负载的变化，负载越大磨损就会越严重。工作者的操作水平与耕作经验在一定程度上对触土部件的磨损也会产生很大的影响。此外，土壤中可能含有大的石块、铁块等硬质物体，它们随机分布在田间，这就可能加大触土部件的磨损，甚至发生断裂。深松铲、施耕刀、灭茬刀的磨损情况如图2至图4所示。

3 提高触土部件耐磨性能的表面改性方式

3.1 表面处理

3.1.1 表面热喷涂

表面热喷涂处理技术是指高温下融化的喷涂材料在高速气流的作用下雾化成颗粒状，并在高速气流的带动下撞击基体材料的表面，当发生冷凝作用之后会在基材表面形成具有某种特殊功能表面涂层的一种表面处理方法[15]。

在实际农业生产活动中，为了破土、切割根茬和秸秆等，根茬粉碎机、旋耕机等农业机械的触土部件常常要与土壤中的土壤磨粒等直接接触，这种情况下极易发生磨损。我国现有的农业机械刀具的基体材料大多是65 Mn钢，根据实际生产情况，普通65 Mn钢刀具已经满足不了农业生产的需要，因此须要找出更合适的替代材料。2005年，郝建军等对65 Mn钢灭茬刀具进行了热喷涂试验，为了接近真实的作业环境，他们利用钢砂对田间环境进行了模拟，在做了大量的磨损试验后发现，用Ni-WC合金进行喷涂过的65 Mn钢与未做处理的原始材料相比可以减少约50%的磨粒损失量，除此之外，试验分析发现，基体与喷焊层之间黏接性能良好，且并未发生分层和裂纹现象[15]。

在复杂的磨料环境下，旋转式翻耕机的分蘖叶片表面磨损严重。Kang等采用脉冲爆轰喷涂技术在高强度钢材质的分蘖叶片表面分别进行了stellet-21、WC-Co-Cr和Cr3C2-NiCr涂层的沉积，利用针盘机构对涂层在常温下的干态磨损性能进行了测试，并对磨损表面进行了扫描电子显微镜/能量色散X射线（SEM/EDAX）和X射线衍射（XRD）分析。结果表明，在高强度钢表面制备的WC-Co-Cr涂层与Cr3C2-NiCr和stellite-21相比，具有更高的耐磨性[16]。

3.1.2 表面激光强化

激光表面强化处理是依靠电子束、激光和离子束等来实现材料表面硬化的一种技术。激光表面强化技术具有无淬火介质、加工后材料硬度大、加工效率高、環保等优点。因此，越来越多的国家开始重视该项技术的发展。

胡宇等对45号钢进行了表面强化处理，在试验前为了增加45号钢对激光的吸收率，对其进行了喷砂处理。结果表明，在激光扫描速度为600 mm/min，功率为1 600 W时，在45号钢表面可以产生洛氏硬度为50.4的优异耐磨硬化层[17]。

2018年，高秋实等以NiCrBSi、TiN和Ni包MoS2为熔覆材料，采用激光熔覆技术在Ti-6Al-4V合金表面制备了以TiN、TiMo和Ti-Ni金属间化合物为增强相，以MoS2、TiS为润滑相的自润滑复合涂层。结果表明，复合涂层的平均显微硬度为1 060～1 140 HV 0.3，约为基体硬度（370 HV 0.3）的3倍[18]。

3.1.3 表面高能离子注渗

高能粒子注渗技术是表面改性技术的一种，是指在强电场的作用下使离化后的原子快速运动，注射进入材料的表面，进而使这种材料的各种理化性质都得到一定程度的优化[19]。

邢泽炳等以犁铧钢作为研究对象，进行了钨离子注入技术的验证试验，对经过高能离子注渗处理过的犁铧进行了磨粒磨损试验测试。结果表明，在同样大小的载荷磨损条件下，经过注渗处理的犁铧累积磨损量降低75%～80%[20]。这足以说明高能离子注渗技术在提高农耕触土部件的耐磨性能方面有着积极的研究价值。

季凡渝等应用离子注渗和热处理技术，在16Mn 钢表面注渗WC，形成表面合金硬化层，对样品材料进行了磨料磨损、吹砂磨损对比试验，并采用金相、硬度、扫描电子显微镜、X-射线能谱等方法对其进行了测试分析。试验结果表明，16Mn钢离子注渗WC后的耐磨性比16Mn的耐磨性约高19倍[21]。

3.1.4 表面堆焊处理

表面堆焊技术是指利用焊接工艺，使具备一定优良性能的材料在基材的表面形成一种耐磨层的方法。研究表明，堆焊技术能有效地提高机械零件表面的耐磨性能。

目前，60Si2Mn材料被广泛应用在我国农业耕作部件的生产中。翟鹏飞等以60Si2Mn合金钢作为试验的基体材料在其表面形成了一种合金铸铁层，并通过显微观测和磨损试验对这种合金铸铁堆焊层的显微结构和性能进行了分析。结果表明，堆焊层组织细密，其耐磨性能、强度、韧性都十分优良[22]。

2015年，Raikov等利用电子显微镜对钢材表面的堆焊层进行了观察研究发现，钢材表面除了表面涂层以外，还出现了过渡层和热影响区等多层耐磨涂层结构。试验结果表明，堆焊涂层和基材表面均形成了能有效降低磨损的弹性应力状态[23]。

2018年，孟媛媛等利用CO2作为堆焊热源，在Q235钢表面堆焊Fe314自熔合金和Fe314与WC的混合粉末。通过金相观察、硬度测试及磨粒磨损试验，分别研究了涂层厚度及WC含量对堆焊层组织及性能的影响。结果表明，当涂层厚度为3 mm，WC含量为30%时，堆焊层显硬度能达到65.7 HRC，微观组织由多角形碳化物（碳化钨）和少量共晶组成，具有较好的耐磨性[24]。仍然是在同一年，Benegra等对比分析了等离子堆焊技术和超声火焰喷涂技术分别在不锈钢基体上所形成的Ni-Al合金涂层的性能。试验结果表明，采用等离子堆焊得到的Ni-Al涂层具有更好的耐磨性，并且Ni-Al化合物本身具有抗高温的性能，通过观察，在等离子堆焊涂层形成的过程中并没有发生表面氧化现象[25]。

3.1.5 表面熔覆

激光熔覆可以在普通的基材上形成耐磨合金层，有效提高基材的耐磨性能。例如，利用激光熔覆技术可以在碳素结构钢10号钢的表面形成TiB2陶瓷涂层，这种涂层具有很高的耐磨性;不锈钢表面在经过连续CO2激光熔覆后能夠产生WC、TiB2、TiN的硬化涂层，进一步提高了不锈钢的使用寿命[26-27]。

Ke等采用激光熔覆技术以常用的犁铧钢B27硼钢为基体制备了stellite-6/WC复合涂层并通过对涂层的宏观、微观组织的观察、相组成的分析、显微硬度的测量和实际应用情况对农具进行了耐磨性试验。结果表明，stellite-6/WC复合涂层对提高农耕机械触土部件的耐磨性有着显著的效果[28]。

2005年，郝建军等把Ni60A材料和铸造WC材料进行了结合，并把它们应用在犁铧表面激光熔覆的试验中。结果表明，利用熔覆技术可以对犁铧进行有效的修复，实现了犁铧的再利用[15]。

为解决农耕机械刀具磨损快、失效频率高的问题，赵建国等利用工业氮气制备了Ti CN/Fe金属陶瓷复合涂层，并把它应用到了针对65 Mn钢的反应氮弧熔覆技术的改性试验中。结果显示，经过熔覆改良后的刀具表面涂层的硬度是Q235的3倍多，耐磨性能是普通65 Mn钢的2倍[29]。

从以上几种表面处理方法和例子可以看出，表面处理技术能在一定程度上提高农机触土部件的耐磨性能。但在实际应用中，堆焊、激光熔覆等处理方式会遇到设备笨重、集中修复成本高等问题。针对这些问题，从农机触土部件自身结构的优化来入手，是提高其耐磨性能的首选方式。

3.2 仿生耕作部件

近年来，仿生学原理的机械减阻抗磨技术已经得到了迅速发展，大量学者通过研究具有优良特性的生物体结构或表面对传统机械进行了一系列的优化设计，仿生结构也已经被应用到农机触土部件的生产设计中。

通过对一些土壤动物的长期观察，引发了科学家对仿生触土部件的设计构想。如常年生活在地底下的鼹鼠，为了适应环境，它们的爪趾进化出了具有优良力学性能的几何结构，凭借这种特殊结构，一只成年的鼹鼠能够在一夜之间挖出90 m的地道[30]。这种能够高效加工土壤的结构为农耕触土部件的仿生设计提供了新的参考。其他一些土壤洞穴动物，如蜣螂、穿山甲、家鼠等，它们的肢体结构在加工土壤时，不仅具有很低的切削阻力，而且还具有良好的降低土壤黏附性和摩擦阻力的功能。一些专家根据这一功能设计了一种仿生弯曲深松铲，与普通直线型深松铲相比，其耕作阻力大幅度降低。仿生触土部件在我国也取得了很多成果。如老式铧式犁在比较潮湿的土壤中耕作时，常常会发生黏土现象，会降低工作效率和耕种质量。李建桥等以蜣螂为研究对象，在建立数学模型后进行了仿真研究，模拟出了仿蜣螂体表非光滑表面，它克服了旧式铧式犁对泥土的黏附性[31]。吉林大学实验室成员在研究土壤动物体表时，发现它们在土壤中移动的过程中能降低黏度和阻力，并据此研制出了仿生非光滑犁壁。通过研究和分析大鼠的爪子和脚趾的结构，陈东辉对深松铲柄进行了仿生设计，这种仿生深松铲柄采用鼠爪外侧轮廓作为内外的基准线，根据田间试验结果表明，通过合理地改变铲柄与土壤的接触曲线，耕作阻力会发生明显的降低[32]。朱凤武采用有限元法和其他一些辅助分析软件对金龟子的爪、趾结构进行了研究，结果表明，在相同的耕作深度和速度条件下，当挖掘土壤的入渗角为27.5°时，深松铲的耕作阻力最小，这与金龟子爪尖的耕作角度一致[33]。有关专家和高校根据对蚯蚓体表的柔韧性、体表结构及体表分泌的润滑物的研究（图5）总结出了蚯蚓体表的仿生电渗理论，这种电渗效应能够使土壤的摩擦阻力和黏附性降低，由此可以参照蚯蚓的这种特性在触土部件的表面按一定规律进行电极的布置，这样就可以形成仿蚯蚓的非光滑电渗表面，图6为根据此原理所设计的仿生前推土板[34-37]。

从以上多个实例可以看出，仿生原理已经广泛应用到农业生产的各个方面，农业机械与仿生学的结合已经形成了一个新的发展趋势，相信在不久的将来仿生技术在农耕机械触土部件耐磨性方面一定会有更好的应用前景。

4 结束语

虽然目前已经有了很多提高触土部件耐磨性能的方法，但并不能完全满足要求，除了对触土部件进行表面处理外，从农机触土部件自身结构的优化来入手，是提高其耐磨性能的首选方式，所以仿生耕作部件在农业机械上的应用将是未来发展的一个新趋势。

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