稀土催渗碳氮硼共渗自磨刃割刀组织与性能研究

宋月鹏，王伟,2，李法德，宋占华

（1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018； 2.泰安市产品质量监督检验所，山东 泰安 271000）

畜牧业在国民经济中占有重要地位，其50%以上的产值由饲草转化而来（如美国达73%，澳大利亚、新西兰均在90%以上）。但是，目前国产饲草料收获机械普遍存在可靠性差、无故障作业时间短等诸多问题，约80%以上的高端农机装备需要进口，其中一个重要原因在于关键零部件可靠性差、使用寿命短[1]。割刀是现代饲草料收获机械的核心零部件，直接影响到整机工作可靠性与使用寿命、作业效率及能耗[2-6]。资料介绍[2-4]，国产饲草料收获机械切刀的使用寿命仅为国外产品的1/3～1/2，国外高端饲草料收获机械普遍采用自磨锐刀具，但其制备难度大、成本高[3-4]。

化学热处理是国内制备自磨锐农机刃具的主要方法之一[3-4,7-9]，通过渗碳、渗硼、渗铬、碳氮共渗等工艺对农机刃具进行处理[7-9]。如内蒙古农业大学郭林、申庆泰等[8]对铡草机刀片进行渗碳处理；华中农业大学田波平等[9]采用硼铝共渗处理收割机刀片。这些刃具虽取得较好效果，但在制备及使用过程中存在渗层浅，热处理温度高，变形较大，硬度梯度大导致硬化层极易剥落等诸多问题，严重影响整机的工作可靠性及其作业效果。众多研究结果表明[10-20]，稀土元素不仅具有显著的催渗效果，能降低热处理温度，提高渗速，减小零件变形，还可以大幅提高渗层的硬度及耐磨性，Liu 等研究结果表明[10]，17-4PH 钢经500 ℃×4 h 气体离子碳氮共渗处理后，与未加稀土元素相比，加稀土元素形成的碳氮共渗层的厚度增加了29%，硬度提高了70～120HV，摩擦速率降低了51%。宋月鹏等前期研究结果表明[11]，渗剂中的稀土含量对碳氮硼共渗层深度、硬度及致密度具有显著影响，经过对固体共渗剂组分的优化设计，最佳稀土含量为4%～6%。不仅如此，稀土催渗碳氮硼（CNB）共渗工艺还可以形成硬度呈均匀梯度分布的渗层，这对于饲草料收获机械割刀自磨锐特性形成、提高作业可靠性及效果具有重要意义。

本文采用的割刀基体材料为40CrMoV，尺寸结构按国家标准（GB/T 10938—2008）执行，对割刀后刀面与刀尖处进行稀土催渗固体碳氮硼局部共渗处理，通过对共渗层的显微组织、成分及硬度分布进行检测分析，研究稀土催渗碳氮硼共渗割刀工作过程中自磨锐特性的形成原理及其对作物的低损伤切割机制，并进行田间试验验证。

1 试验

1.1 割刀的稀土催渗固体碳氮硼局部共渗工艺过程

采用固体法稀土催渗碳氮硼共渗工艺，渗剂由渗硼剂（55%）与碳氮共渗剂（45%）混合而成，渗硼剂组分（质量分数）为：稀土6%，硼砂25%，铁合金25%，还原剂15%，余量为添加剂。碳氮共渗剂组分为：尿素25%，无水碳酸钠8%，稀土5%，无水乙酸钠8%，余量为添加剂。

割刀刃口角度为30o，除后刀面及刀尖外，其余部位均涂覆防渗涂料。按照文献[11]给出的热处理步骤进行共渗处理。渗罐材料为316L 不锈钢，双层盖水玻璃泥密封，到温入炉。共渗工艺为850 ℃×4 h，渗后进行空冷处理。从渗罐中取出共渗割刀清理，刃口处在GY-40 型高频感应设备（山东莱州市新源电子设备厂）上加热，设备的输出功率是40 kW，震荡频率是30～50 kHz，通电加热5 s 后油淬。

1.2 性能测试及组织观察

利用Caikon-4XCE 型金相显微镜（上海蔡康光学仪器有限公司）进行显微组织分析及照相；采用TH51 型显微硬度计（北京时代）进行材料的显微硬度测试；采用SU7000 型扫描电镜（SEM，日立高新技术公司）进行组织分析及微区成分分布检测。

1.3 田间试验

田间试验在淄博市淄川区拙政园林基地进行，试验用草主要是园林绿化树培育基地内自生杂草，高约为0.5～1.2 m，直径约为3～5 mm。采用9G-15 偏置式旋转割草机（石家庄鑫农机械有限公司）进行田间试验，该割草机共有四个刀盘，每个刀盘上又各有两个刀轴，每个刀轴上可安装4 片割刀。将两组碳氮硼共渗自磨刃刀片（16 片）分别安装在两个刀盘上，将另一组市售割刀（65Mn 钢，刃口处感应淬火，16 片）安装到另两个刀盘上，两者进行相同条件下的现场割草试验。刀盘转速1450 r/min，作业效率0.4～0.8 公 顷/h，割茬高度50～150 mm。作业不同时间后，测量两种割刀的磨损失重速率（g/h），最后对比不同割刀刃口处磨损宏观形貌及切割茬口的形貌。

2 结果及分析

2.1 稀土催渗碳氮硼共渗层的显微组织及成分分布

图1 为割刀经850 ℃×4 h 稀土催渗碳氮硼共渗处理后，空冷状态下的显微组织形貌。由图可以看出，共渗割刀的后刀面外层由硼化物层和碳氮共渗层组成，如图1a 所示。最外层的硼化物较为致密，与内层碳氮共渗层界面呈指状楔入，厚度约为50～70 μm。硼化物具有较高的硬度（Fe2B 为1300～1700HV，FeB为1500～2200HV）和优良的耐磨性能。与单一渗硼处理相比，稀土催渗碳氮硼共渗会形成厚度约为750～1000 μm 的碳氮共渗层，如图1b 所示，正火或淬火后，该区的硬度均比基体高，因此硬度梯度变缓，对外层硬的硼化物层起到良好的支撑作用，可使得割刀作业过程中，刃口处的硼化物层不易剥落或崩刃。这对于割刀自磨锐特性的形成，提高工作可靠性及作业效果是极为有利的。

众所周知，碳、氮、硼元素对钢铁材料的硬度及淬透性具有显著的影响，通过SEM 结合微区成分进行这三种元素的线扫描分析（EDS），结果如图2b—d 所示。由检测结果可以看出，硼化物层中，碳元素的含量较低，这与文献[11,14,18]给出的结论一致。主要原因是碳元素在硼化物中的溶解度极低，当外层硼化物形成致密层而逐渐向内层扩展时，表层的碳、氮元素将内迁形成所谓的过渡区，因此在硼化物层中，硼元素含量较高，碳、氮元素含量相对较低，而从过渡区、碳氮共渗区到基体，这两种元素呈梯度均匀变化分布。

进一步对共渗层中Cr 与Fe 元素分布情况进行线扫描分析，结果如图2e、f 所示。图中显示，这两种元素在硼化物区含量较低，在碳氮共渗区含量逐渐增加，这说明在热处理过程中，这两种元素逐渐向基体扩散。与基体相比，碳氮共渗区的C、N、Cr、B 等元素含量较高，显著提高了该区的淬透性及马氏体硬度。

图2 稀土催渗碳氮硼共渗层成分分布 Fig.2 Component distribution of carbon-nitron-boronized layer with rare elements catalysis

基于稀土催渗碳氮硼共渗层成分分布检测结果，可以得到共渗层形成机制：固体渗硼剂及碳氮共渗剂在高温下发生化学反应，生成活性稀土原子、硼原子、碳原子及氮原子。稀土原子首先吸附在钢件表面，沿晶界或其他结构缺陷处向基体扩散，由于原子半径较大，引起表面组织及晶格结构发生严重畸变，这为半 径较小的C、N、B 原子的快速渗入创造了热力学条件[11-15,16-20]。当表层硼元素达到一定浓度时，会形成Fe2B 相并逐渐长大，一部分Cr 原子溶入Fe2B 相，可以大幅度降低Fe2B 的本质脆性[21]。由于C、N 等元素在硼化物中溶解度较小，因此表层的这些元素将逐渐向基体扩散，形成碳氮共渗层。这种成分梯度分布对于提高该区的硬度及对表层硼化物支撑是极为有利的。

2.2 稀土催渗碳氮硼共渗层硬度梯度分布及其割刀的自磨锐特性

前已述及，稀土催渗碳氮硼共渗层实现了成分及组织的梯度分布，图3 为割刀经稀土催渗碳氮硼共渗处理（850 ℃×4 h）后，两种状态（空冷、刃口高频淬火）下剖面沿厚度方向不同部位的硬度分布，其中，图3a 中硬度的测量位置L1 距刀尖处1.0 mm，图3b中L2 距离刀尖处5.0 mm。

由图3 可以看出，割刀的后刀面为硼化物层，硬度较高，从后刀面到顶面的硬度逐渐降低，并且梯度变化较为平缓。同时检测结果表明，刃口处感应淬火后，硼化物硬度有所升高，如L1 处，靠近后刀面0.01 mm 处，淬火后硼化物硬度约为1800HV，而共渗后空冷处理的硼化物只有1500HV。硬度升高的原因可能是由于高频加热时，硼化物与Fe 形成了共晶重熔处理，枝状或锯齿状硼化物层形貌变得非常不明显，与碳氮共渗层结合牢固，初生的硼化物由杂乱无章的分布变为在试样横截面上沿长度方向排列，并增加了其形核率，晶粒得到细化，表层硼化物不易剥落。图4a、b 分别为感应加热前后的硼化物组织形貌对比。

对硼化物进行共晶重熔处理，可以有效提高硼化物层的硬度、耐磨性。刘瑾的研究结果表明[22]，随着高频感应加热电压强度的增大，共晶体凝固过程中形核率的增加程度、晶粒的平均等效直径和所占体积分数都呈减小趋势，因此导致外层硼化物晶粒细化、致密度增加，硬度提高。张艳等[23]对金属模具表面稀土催化共晶渗硼组织及性能进行了研究，发现经共晶重 熔处理后，渗硼层硬度及耐磨性能显著提高。陈树旺等[24]对渗硼层进行高频感应加热共晶重熔处理后，大幅提高了磨损、冲击和在高温条件下工模具的寿命。

图3 稀土催渗碳氮硼共渗割刀剖面的硬度分布 Fig.3 Hardness distribution of carbon-nitron-boronized blade with rare elements catalysis

割刀自磨锐特性形成的基本原理是，工作过程中刃口处的两个刃面产生不同的磨损量，使得刃口始终突出于前沿，这样可较长时间保持割刀锋利的切割性能[2-4]。由此可见，自磨刃是由于刀片工作过程中两刃面（前刀面、后刀面）磨损程度不同而形成的。就材料设计而言，实现刃面硬度不同，就可以实现割刀作业过程中磨损量的差异，进而形成自磨锐特性。采用硬度呈梯度均匀分布的新材料制备自磨刃割刀，可以长时间保证切割锋锐性。宋月鹏[25]及Rostek 等[5]采用不同梯度材料制备饲草料收获机械刃具零件，取得了较好的使用效果。

对割刀进行稀土催渗碳氮硼共渗处理时，前刀面（除刀尖处外）及顶面均涂覆防渗涂料，这些部位的表层无硼化物。显微硬度检测结果发现，共渗割刀刃口淬火后，刀尖处表层硼化物硬度约为1700HV，内层碳氮共渗层硬度约为1000～1400HV，耐磨性好，对刀尖处硼化物有良好的支撑作用，作业过程中不易剥落或崩刃。距后刀面1 mm 处的前刀面硬度约为780HV，前刀面上从刀尖到顶面的硬度分布呈梯度均匀变化，因此刀尖部位始终保持锋锐的切割性能。另一方面，后刀面与割茬或土壤接触时，磨损严重，需要具有较高的硬度，由图3 中L2 测量位置的硬度梯度分布检测结果可以看出，在割刀厚度方向上，硬度梯度比较平缓，这对于割刀作业过程中自磨锐特性的形成具有重要意义。

2.3 田间试验及其结果分析

图5a 为两种割刀（市售割刀、稀土催渗碳氮硼共渗自磨刃割刀）在不同作业时间下的失重曲线，图5b 为相同条件下两种割刀作业40 h 后，割刀刃口及后刀面的宏观形貌比较。

由图5a 可以看出，相同条件下，两种割刀作业初期的磨损失重速率较大，但随着作业时间的延长，割刀的磨损失重速率逐渐趋向于平稳。作业初期8 h内，市售刀片磨损失重速率为1.54 g/h，而碳氮硼共渗割刀的失重速率仅为0.41 g/h。随着作业时间逐渐延长，两种割刀的失重速率均缓慢下降，工作40 h后，市售刀片磨损失重速率为0.297 g/h，而碳氮硼共渗割刀的磨损失重速率为0.04 g/h。从割刀作业过程中的数据可以看出，与国标市售割刀相比，碳氮硼共渗割刀的耐磨性能提高3 倍以上。这充分说明稀土催 渗碳氮硼共渗自磨刃割刀耐磨性、使用寿命大幅度提升，这对于提高我国高端农机关键零件制备水平具有重要的现实意义。

图5 两种割刀在不同工作条件下的失重及宏观磨损状况 Fig.5 Weight loss and macro wear of two blades in the same cutting conditions: a) weight loss for different cutting time; b) macro wear

进一步观察两种割刀作业40 h 后的宏观形貌（图5b 所示），可以明显看出，市售割刀刃口处两个刃面形成了较大的圆弧半径而钝化，磨损极为严重。主要原因在于，市售割刀的处理工艺是，65Mn钢板开刃后，刃口处进行高频感应淬火，此时刃口处前刀面与后刀面硬度相差不大，因此作业过程中两刃面磨损速率比较接近，这样会造成刃口处曲率半径逐渐增大而钝化，作业过程中对牧草茎秆撞击拉拔作用增强，使根部与土壤松动而枯萎。同时，钝化的割刀对牧草的切割作用变弱，使得切口处极为粗糙。图6a 为市售割刀工作40 h 后，继续切割牧草时形成的割茬切口形貌，这种粗糙的切口使牧草的水分及营养物质快速流失，极难愈合，对于像苜蓿之类的再生作物的再生过程具有不利影响，再生周期大幅延长。

而对于稀土催渗碳氮硼共渗割刀，由于后刀面为高硬硼化物，耐磨性好，沿割刀厚度方向上的前刀面硬度梯度均匀缓慢变化，作业时均匀磨损，刃口处曲率半径变化不大，始终保持锋锐的切割性能，这种自磨刃割刀对于牧草的低损伤切割是极为有利的。图6b 为稀土催渗碳氮硼共渗自磨刃割刀工作40 h 后，继续切割牧草时割茬切口的宏观形貌，由图可以看出，切口处比较平齐，茎秆损伤较小，再生芽破损小，非常利于切口的愈合与再生作物的正常生长。

图6 两种割刀作业40 h 后割茬切口的宏观形貌比较 Fig.6 Comparison of macro morphologies in cutting edges of two blades after working for 40 hours: a) blade available in the market; b) carbon-nitron-boronized blade with rare elements catalysis

3 结论

1）40CrMoV 割刀经850 ℃×4 h 稀土催渗碳氮硼共渗后，后刀面外层由硼化物层（约50～70 μm）和碳氮共渗层（约750～1000 μm）组成，割刀刃口处高频油淬后，外层硼化物共晶重熔处理导致硬度有所增加。

2）稀土催渗碳氮硼共渗层实现了割刀厚度方向上组织、成分及硬度分布的梯度均匀变化，后刀面及刃口处表层硼化物硬度高、耐磨性好，碳氮共渗层对硼化物有良好的支撑作用，使得割刀作业过程中可以形成自磨锐特性。

3）田间试验结果表明，稀土催渗碳氮硼共渗割刀耐磨性是市售割刀的3 倍以上，作业40 h 后仍然保持锋锐的切割性能，切口平齐，再生芽破损小，非常利于切口的愈合与再生作物的生长。

[18] YUAN Xing-dong, XU Bin, CAI Yu-cheng. Study on Cr-rear earth-broronizing of the steel 45 at low temprature[J]. Physics procedia, 2013, 50: 82-87.

[19] 郑盼, 商剑, 张越. 稀土添加量对20CrMnTi 钢表面碳铌渗层组织及性能的影响[J]. 表面技术, 2018, 47(7): 167-172. ZHENG Pan, SHANG Jian, ZHANG Yue. Effects of rare earth content on microstructure and properties of composite carbon-niobiumizing coatings prepared on 20CrMnTi steel[J]. Surface technology, 2018, 47(7): 167-172.

[20] TANG L N, FAN M F. Effects of rare earths addition on the microstructure, wear and corrosion resistances of plasma nitrided 30CrMnSiA steel[J]. Surface and coatings technology, 2012, 206: 2363-2370.

[21] 许斌, 宋月鹏, 冯承明. 降低渗硼层本质脆性对其磨粒磨损特性的影响[J]. 中国机械工程, 2001, 12(10): 1194-1197. XU Bin, SONG Yue-peng, FENG Cheng-ming. Effect of decreasing the eigen-brittleness of boride layer on its abrasion wear behavior[J]. China mechanical engineering, 2001, 12(10): 1194-1197.

[22] 刘瑾. 脉冲电流对过共晶Fe-C-B 合金初生硼化物形貌分布的影响[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2013. LIU Jin. Effect of electric pulse on primary boride in hypereutectic Fe-C-B alloy[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2013.

[23] 张艳, 鲍崇高, 侯书增. 金属模具表面稀土催化共晶渗硼组织及其性能[J]. 西安交通大学学报, 2014, 48 (10): 96-100. ZHANG Yan, BAO Chong-gao, HOU Shu-zeng. The metal mold surface and properties of rare earth catalyst eutectic boride[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(10): 96-100

[24] 陈树旺, 陈卫东, 王全胜. 高频感应加热渗硼及共晶化的工艺和组织研究[J]. 热处理, 2014, 29(2): 34-40. CHEN Shu-wang, CHEN Wei-dong, WANG Quan-sheng. Process of boronizing followed by eutecticum treating by high-frequency induction heating and case structure[J]. Heat treatment, 2014, 29(2): 34-40.

[25] 宋月鹏, 高雪, 李法德, 等. 超重力熔铸梯度材料制备饲草料收获机械自磨锐切刀[J]. 中国科学: 技术科学, 2018, 48(1): 94-100. SONG Yue-peng, GAO Xue, LI Fa-de, et al. Study on self-sharpening cutter for forage harvesting machine with functionally gradient material prepared by combustion synthesis melt-casting under ultra-gravity field[J]. Scientia sinica technologica, 2018, 48(1): 94-100.