深松铲刃耐磨技术研究
张金波 王洋 王晨超 周远航 温晓鑫 李佳航 李瞳 沈文豪
摘要深松是保护性耕作的一种典型模式，然而深松的关键部件——深松铲的土壤磨料磨损是导致其失效甚至报废的主要因素之一。本文对提高深松铲刃耐磨性的方法进行了探讨，并提出了利用仿生技术来提高深松铲刃耐磨性的新方法。结果表明，仿生设计方法能够使深松铲刃的耐磨性能提高20%～30%。
关键词深松铲刃仿生技术耐磨
Study on Wear-resistant Techniques of Subsoiler Spear
Zhang Jinbo， Wang Yang， Wang Chenchao， Zhou Yuanhang， Wen Xiaoxin， Li Jiahang， Li Tong， Shen Wenhao
（College of mechanical engineering， Jimusi Unversity， Jiamusi，154007）
Abstract： Subsoiling is a typical mode of conservation tillage， however， abrasive wear of subsoiler spear with soil is one of main factors which can lead to failure even scrap. The methods of improving wear-resistance of subsoiler spear is discussed in this paper， a new method to improve the wear-resistance of suboiler spear based on bionic technique is put forward， the results showed that wear-resistance of subsoiler spear is improved by 20%～30% using bionic design method.
Key words： suboiler spear， bionic techniques， wear-resistance
基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531700）；佳木斯大学科技面上项目（L2012-011）；黑龙江省高校科技成果产业化前期研发培育项目；黑龙江省大学生创新创业训练项目（201310222051）
作者简介：张金波（1976-），男，博士，讲师，主要从事农业耕作机械减阻及磨损研究，E-mail：zhangjinpo9872@sina.com。
深松作业是少耕、免耕农作的一种重要模式，目前在世界范围内得到了广泛的应用[1]。深松不仅能够打破坚硬的犁底层，增厚耕作层，使土壤的通透性增强，而且可以极大改善作物根系的生长环境。由于只松土而不翻土，所以在一定程度上避免了耕作造成的水土流失现象的产生。深松技术可以大幅增加作物的产量，尤其是深根系作物产量，是一项重要的增产技术[2-4]。然而，在作业过程中，由于土壤的磨料磨损而导致深松关键部件—深松铲的磨损失效过快问题一直未能得到很好的解决。
我国对于深松铲等农机触土关键部件的耐磨性研究始于20世纪80年代初。最初只是采用金相技术和大量的室内、田间试验对磨损后的深松铲进行磨损表面的显微组织观察，并分析部件的磨损机理和失效形式，为下一步寻求如何提高其耐磨性提供技术支撑。而随着我国农机使用量的逐年增加和农业机械化水平的不断提高，加工制造具有较高耐磨性能的深松铲等关键农机触土工作部件的新方法、新工艺不断涌现。一般的传统方法主要有以下几种：
（1）采用耐磨材料如65Mn、60Si2Mn、30MnB5、65SiMnRE等加工制造关键部件。
（2）对触土部件磨损表面进行特殊热处理。随着热处理工艺技术的飞速发展，人们开始研究如何通过热处理工艺对耐磨钢材料的触土工作部件进行等温淬火、渗硼、渗碳等热处理，以提高深松铲、犁铧等部件的使用寿命。高原等[5]在Q235钢表面渗入钨、钼、钇和碳，表面合金化，并辅以特殊的淬火和回火工艺以强化表面合金层的性能，测试结果表明，材料显示出良好的耐磨性能。王小明等[6]采用特殊的热处理工艺对65Mn钢卷进行了处理，获得了可用于加工输送混凝土和砂浆的超耐磨65Mn钢材。邢泽炳等[7]在20钢表面进行渗碳和淬火以及低温回火等热处理工艺，获得了与基体材料结合良好的耐磨层，使材料的耐磨性提高5倍。何乃如等[8]利用CO2气体激光器对60Si2Mn样件进行了激光表面淬火处理，并进行了以苜蓿草粉为磨料的磨料磨损试验，结果表明，60Si2Mn钢经激光表面淬火后，耐磨性提高了84.2 %。
（3）在触土部件表面采用熔覆及涂层技术。近几年，随着表面强化、表面合金化等强韧化工艺技术的应用，使得农机触土工作部件的耐磨性能得到很大提高，显著延长其使用寿命。丛锦玲等[9]利用氧乙炔镍基合金粉末表面熔敷技术，在犁铧刃口表面熔敷耐磨合金层，结果表明，经过镍基合金粉末表面喷焊技术处理过的犁铧刃耐磨及抗蚀性能显著提高，使用寿命可提高2-3倍。高红霞等[10]采用消失模铸渗工艺、涂敷工艺，在犁铧表面制备WC颗粒增强钢基复合材料耐磨层，并分析了铸渗层的硬度及耐磨性，结果表明，犁铧的铸渗层耐磨性是基体的2.97倍。Muammer等[11]在30MnB5钢表面利用电解法电镀厚度为20 m的硬铬镀层，化学方法制备20 m厚的镍，物理气相沉积法制备4 m厚的TiN层来增加犁铲刃表面的耐磨性能，结果表明，硬质TiN样件的耐磨性明显高于其他两种样件。郝建军等[12]在农机刀具上采用预置法在Q235钢基体上制备了Ni60A合金熔覆层，磨损试验表明，熔覆层耐磨性比常规淬火回火处理的65Mn钢有所提高；在65Mn钢制作的根茬还田刀具易磨损部位喷焊了NiWC合金抗磨涂层，磨损试验表明，喷焊NiWC合金灭茬刀的相对耐磨系数比65Mn钢淬火回火处理的有较大程度的提高；采用预置法在65Mn钢基体上熔覆镍基/碳化钨合金层，对比了熔覆层和65Mn淬火回火钢的耐磨性，结果表明，所制备的熔覆层耐磨性比正常淬火—回火处理后的65Mn钢有所提高。
而仿生学作为一门新兴学科，其研究内容已渗透到解决工程实际问题的各个领域，其中农机触土部件的耐磨性仿生研究即是其中最重要的领域之一。农业机械仿生耐磨技术是将自然界中某些生物体表具有优良耐磨功能的几何结构特征应用于农业机械触土工作部件的耐磨性结构设计，提高其耐磨性。佟金等[13]基于栉孔扇贝壳体外表面的棱纹形耐磨几何结构形态设计制备了仿生棱纹形耐磨几何结构表面样件，并与普通平板形样件进行了磨料磨损对比试验，结果表明，仿生棱纹形耐磨样件的耐磨性明显优于普通平板形，其耐磨性提高了20 %。张永智[14]提取了沙漠中的蜥蜴体表耐磨几何结构特征，设计开发了仿生耐磨秧夹，实验室磨料磨损试验以及田间实际测试结果表明，该部件具有良好的耐磨性能。根据穿山甲鳞片外表面耐磨形态设计的仿生棱纹型深松铲刃的耐磨性比传统平板型深松铲刃的耐磨性提高了20%～30%，耐磨效果明显。
利用仿生技术提高农业机械设备的耐磨性已经成为了当前农业机械领域研究的热点。作为一种新技术、新方法，仿生技术已经在农业工程中得到了广泛的应用，并取得了丰硕的成果。随着其研究范围和研究内容的不断拓展，仿生技术必将为现代化农业的建设提供更大的技术支撑。
参考文献：
[1]Tong Jin， Chen Donghui， Tomataru Yamaguchi， Zhang Sunjun， Ren Luquan. Geometrical features of claws of house mouse mus musculus and biomimetic design method of subsoiler structure[J]. Journal of Bionic Engineering， 2005， 8（1）： 53-63.
[2]徐宗保. 振动式深松中耕作业机的设计与试验研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2009.
[3]Raper R. L. In-row subsoilers that reduce soil compaction and residue disturbance[J]. Applied Engineering in Agriculture， 2007， 23（3）： 253-258.
[4]He Jin， Li Hongwen， Wang Xiaoyan， Mchugh A. D， Li Wenying， Gao Huanwen， Kuhn N. J. The adoption of annual subsoiling as conservation tillage in dryland maize and wheat cultivation in northern China[J]. Soil & Tillage Research， 2007， 94（2）： 493-502.
[5]高原， 张维， 李冰，等. 等离子表面钨钼稀土 （钇） 合金强化层滑动磨损性能[J]. 材料热处理学报， 2012， 33（8）： 130-133.
[6]王小明， 袁浩， 李小蕾. 超耐磨焊管母材65Mn 钢卷的退火工艺[J]. 金属热处理， 2012， 37（10）： 129-131.
[7]邢泽炳， 翟鹏飞， 张静， 等. 低碳钢表面渗碳及其耐磨性能研究[J]. 山西农业大学学报 （自然科学版）， 2012， 32（1）： 81-85.
[8]何乃如， 吴劲锋， 朱宗光，等. 激光强化60Si2Mn钢表面植物磨料磨损试验研究[J]. 甘肃农业大学学报， 2013， 48（4）： 139-143.
[9]丛锦玲， 王维新， 李景彬. 氧乙炔镍基合金粉末喷焊处理技术在犁铧刃表面的应用研究[J]. 石河子大学学报 （自然科学版）， 2010， 28（6）：790-792.
[10]高红霞， 崔晓康， 海伟， 刘建秀. 犁铧表面耐磨层的消失模铸渗工艺研究[J]. 铸造技术， 2010， 31（9）：1205-1208.
[11]Muammer Nalbant， Tufan Palali A. Effects of diff erent material coatings on the wearing of plowshares in soil tillage[J]. Turkey Journal of Agriculture， 2011， 35： 215-223.
[12]郝建军， 马跃进， 黄继华， 等. 氩弧熔覆Ni60A 耐磨层在农机刀具上的应用[J]. 农业工程学报， 2005， 21（11）： 73-76.
[13]佟金， 荣宝军， 马云海， 等. 仿生棱纹几何结构表面的土壤磨料磨损[J]. 摩擦学学报， 2008， 28（3）： 193-197.
[14]张永智. 轮式水稻钵苗行载机关键部件仿生研究[D]. 长春： 吉林大学， 2009.
摘要深松是保护性耕作的一种典型模式，然而深松的关键部件——深松铲的土壤磨料磨损是导致其失效甚至报废的主要因素之一。本文对提高深松铲刃耐磨性的方法进行了探讨，并提出了利用仿生技术来提高深松铲刃耐磨性的新方法。结果表明，仿生设计方法能够使深松铲刃的耐磨性能提高20%～30%。
关键词深松铲刃仿生技术耐磨
Study on Wear-resistant Techniques of Subsoiler Spear
Zhang Jinbo， Wang Yang， Wang Chenchao， Zhou Yuanhang， Wen Xiaoxin， Li Jiahang， Li Tong， Shen Wenhao
（College of mechanical engineering， Jimusi Unversity， Jiamusi，154007）
Abstract： Subsoiling is a typical mode of conservation tillage， however， abrasive wear of subsoiler spear with soil is one of main factors which can lead to failure even scrap. The methods of improving wear-resistance of subsoiler spear is discussed in this paper， a new method to improve the wear-resistance of suboiler spear based on bionic technique is put forward， the results showed that wear-resistance of subsoiler spear is improved by 20%～30% using bionic design method.
Key words： suboiler spear， bionic techniques， wear-resistance
基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531700）；佳木斯大学科技面上项目（L2012-011）；黑龙江省高校科技成果产业化前期研发培育项目；黑龙江省大学生创新创业训练项目（201310222051）
作者简介：张金波（1976-），男，博士，讲师，主要从事农业耕作机械减阻及磨损研究，E-mail：zhangjinpo9872@sina.com。
深松作业是少耕、免耕农作的一种重要模式，目前在世界范围内得到了广泛的应用[1]。深松不仅能够打破坚硬的犁底层，增厚耕作层，使土壤的通透性增强，而且可以极大改善作物根系的生长环境。由于只松土而不翻土，所以在一定程度上避免了耕作造成的水土流失现象的产生。深松技术可以大幅增加作物的产量，尤其是深根系作物产量，是一项重要的增产技术[2-4]。然而，在作业过程中，由于土壤的磨料磨损而导致深松关键部件—深松铲的磨损失效过快问题一直未能得到很好的解决。
我国对于深松铲等农机触土关键部件的耐磨性研究始于20世纪80年代初。最初只是采用金相技术和大量的室内、田间试验对磨损后的深松铲进行磨损表面的显微组织观察，并分析部件的磨损机理和失效形式，为下一步寻求如何提高其耐磨性提供技术支撑。而随着我国农机使用量的逐年增加和农业机械化水平的不断提高，加工制造具有较高耐磨性能的深松铲等关键农机触土工作部件的新方法、新工艺不断涌现。一般的传统方法主要有以下几种：
（1）采用耐磨材料如65Mn、60Si2Mn、30MnB5、65SiMnRE等加工制造关键部件。
（2）对触土部件磨损表面进行特殊热处理。随着热处理工艺技术的飞速发展，人们开始研究如何通过热处理工艺对耐磨钢材料的触土工作部件进行等温淬火、渗硼、渗碳等热处理，以提高深松铲、犁铧等部件的使用寿命。高原等[5]在Q235钢表面渗入钨、钼、钇和碳，表面合金化，并辅以特殊的淬火和回火工艺以强化表面合金层的性能，测试结果表明，材料显示出良好的耐磨性能。王小明等[6]采用特殊的热处理工艺对65Mn钢卷进行了处理，获得了可用于加工输送混凝土和砂浆的超耐磨65Mn钢材。邢泽炳等[7]在20钢表面进行渗碳和淬火以及低温回火等热处理工艺，获得了与基体材料结合良好的耐磨层，使材料的耐磨性提高5倍。何乃如等[8]利用CO2气体激光器对60Si2Mn样件进行了激光表面淬火处理，并进行了以苜蓿草粉为磨料的磨料磨损试验，结果表明，60Si2Mn钢经激光表面淬火后，耐磨性提高了84.2 %。
（3）在触土部件表面采用熔覆及涂层技术。近几年，随着表面强化、表面合金化等强韧化工艺技术的应用，使得农机触土工作部件的耐磨性能得到很大提高，显著延长其使用寿命。丛锦玲等[9]利用氧乙炔镍基合金粉末表面熔敷技术，在犁铧刃口表面熔敷耐磨合金层，结果表明，经过镍基合金粉末表面喷焊技术处理过的犁铧刃耐磨及抗蚀性能显著提高，使用寿命可提高2-3倍。高红霞等[10]采用消失模铸渗工艺、涂敷工艺，在犁铧表面制备WC颗粒增强钢基复合材料耐磨层，并分析了铸渗层的硬度及耐磨性，结果表明，犁铧的铸渗层耐磨性是基体的2.97倍。Muammer等[11]在30MnB5钢表面利用电解法电镀厚度为20 m的硬铬镀层，化学方法制备20 m厚的镍，物理气相沉积法制备4 m厚的TiN层来增加犁铲刃表面的耐磨性能，结果表明，硬质TiN样件的耐磨性明显高于其他两种样件。郝建军等[12]在农机刀具上采用预置法在Q235钢基体上制备了Ni60A合金熔覆层，磨损试验表明，熔覆层耐磨性比常规淬火回火处理的65Mn钢有所提高；在65Mn钢制作的根茬还田刀具易磨损部位喷焊了NiWC合金抗磨涂层，磨损试验表明，喷焊NiWC合金灭茬刀的相对耐磨系数比65Mn钢淬火回火处理的有较大程度的提高；采用预置法在65Mn钢基体上熔覆镍基/碳化钨合金层，对比了熔覆层和65Mn淬火回火钢的耐磨性，结果表明，所制备的熔覆层耐磨性比正常淬火—回火处理后的65Mn钢有所提高。
而仿生学作为一门新兴学科，其研究内容已渗透到解决工程实际问题的各个领域，其中农机触土部件的耐磨性仿生研究即是其中最重要的领域之一。农业机械仿生耐磨技术是将自然界中某些生物体表具有优良耐磨功能的几何结构特征应用于农业机械触土工作部件的耐磨性结构设计，提高其耐磨性。佟金等[13]基于栉孔扇贝壳体外表面的棱纹形耐磨几何结构形态设计制备了仿生棱纹形耐磨几何结构表面样件，并与普通平板形样件进行了磨料磨损对比试验，结果表明，仿生棱纹形耐磨样件的耐磨性明显优于普通平板形，其耐磨性提高了20 %。张永智[14]提取了沙漠中的蜥蜴体表耐磨几何结构特征，设计开发了仿生耐磨秧夹，实验室磨料磨损试验以及田间实际测试结果表明，该部件具有良好的耐磨性能。根据穿山甲鳞片外表面耐磨形态设计的仿生棱纹型深松铲刃的耐磨性比传统平板型深松铲刃的耐磨性提高了20%～30%，耐磨效果明显。
利用仿生技术提高农业机械设备的耐磨性已经成为了当前农业机械领域研究的热点。作为一种新技术、新方法，仿生技术已经在农业工程中得到了广泛的应用，并取得了丰硕的成果。随着其研究范围和研究内容的不断拓展，仿生技术必将为现代化农业的建设提供更大的技术支撑。
参考文献：
[1]Tong Jin， Chen Donghui， Tomataru Yamaguchi， Zhang Sunjun， Ren Luquan. Geometrical features of claws of house mouse mus musculus and biomimetic design method of subsoiler structure[J]. Journal of Bionic Engineering， 2005， 8（1）： 53-63.
[2]徐宗保. 振动式深松中耕作业机的设计与试验研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2009.
[3]Raper R. L. In-row subsoilers that reduce soil compaction and residue disturbance[J]. Applied Engineering in Agriculture， 2007， 23（3）： 253-258.
[4]He Jin， Li Hongwen， Wang Xiaoyan， Mchugh A. D， Li Wenying， Gao Huanwen， Kuhn N. J. The adoption of annual subsoiling as conservation tillage in dryland maize and wheat cultivation in northern China[J]. Soil & Tillage Research， 2007， 94（2）： 493-502.
[5]高原， 张维， 李冰，等. 等离子表面钨钼稀土 （钇） 合金强化层滑动磨损性能[J]. 材料热处理学报， 2012， 33（8）： 130-133.
[6]王小明， 袁浩， 李小蕾. 超耐磨焊管母材65Mn 钢卷的退火工艺[J]. 金属热处理， 2012， 37（10）： 129-131.
[7]邢泽炳， 翟鹏飞， 张静， 等. 低碳钢表面渗碳及其耐磨性能研究[J]. 山西农业大学学报 （自然科学版）， 2012， 32（1）： 81-85.
[8]何乃如， 吴劲锋， 朱宗光，等. 激光强化60Si2Mn钢表面植物磨料磨损试验研究[J]. 甘肃农业大学学报， 2013， 48（4）： 139-143.
[9]丛锦玲， 王维新， 李景彬. 氧乙炔镍基合金粉末喷焊处理技术在犁铧刃表面的应用研究[J]. 石河子大学学报 （自然科学版）， 2010， 28（6）：790-792.
[10]高红霞， 崔晓康， 海伟， 刘建秀. 犁铧表面耐磨层的消失模铸渗工艺研究[J]. 铸造技术， 2010， 31（9）：1205-1208.
[11]Muammer Nalbant， Tufan Palali A. Effects of diff erent material coatings on the wearing of plowshares in soil tillage[J]. Turkey Journal of Agriculture， 2011， 35： 215-223.
[12]郝建军， 马跃进， 黄继华， 等. 氩弧熔覆Ni60A 耐磨层在农机刀具上的应用[J]. 农业工程学报， 2005， 21（11）： 73-76.
[13]佟金， 荣宝军， 马云海， 等. 仿生棱纹几何结构表面的土壤磨料磨损[J]. 摩擦学学报， 2008， 28（3）： 193-197.
[14]张永智. 轮式水稻钵苗行载机关键部件仿生研究[D]. 长春： 吉林大学， 2009.
