于海洋，李慶達(dá)，周桂霞，胡軍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

近些年由于一直采用傳統(tǒng)鏵式犁翻耕作業(yè)，導(dǎo)致土壤流失嚴(yán)重，沙塵暴頻發(fā)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，在土壤下方15～20 cm 左右形成犁底層，犁底層的存在阻礙水汽上下交換，致使作物根系得不到犁底層下方的水分和營養(yǎng)，影響農(nóng)作物生長，導(dǎo)致作物減產(chǎn)，降低農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。查閱文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)顯示，在耕作過程中由于農(nóng)機(jī)具失效導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)生故障率上升了50%左右，在深松期間，由于鏟尖耐磨性不足導(dǎo)致深松機(jī)械頻繁停止更換鏟尖，延長整地時間，增加作業(yè)油耗，提高農(nóng)業(yè)成本[2]。經(jīng)美國首次提出保護(hù)性耕作，其定義為保證作物在正常生長的情況下，即以少耕或免耕的方式取代鏵式犁的翻耕[3]，并保持適宜的殘茬覆蓋在土壤表面，減少表層土壤流失。保護(hù)性耕作過程中，深松土壤是一項(xiàng)重要步驟，即利用深松鏟打破犁底層，使其上下水汽相通，增加作物吸收影響，并且保證地表有殘茬覆蓋，防止風(fēng)蝕水蝕[4-5]。深松鏟是深松的主要部件，深松時鏟尖與土壤直接接觸，土壤中的砂粒以作物殘差對鏟尖產(chǎn)生磨粒磨損以及酸性土壤對鏟尖的腐蝕，嚴(yán)重降低鏟尖的使用壽命，致使鏟尖磨損失效以及斷裂失效[6]。

圖1 磨損后的鏟尖Fig.1 The worn tip of the shovel

農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展帶給人們很大的效率，使在春種及秋收搶時間環(huán)節(jié)作業(yè)效率更高，但是現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)具使用壽命低，易磨損、斷裂的問題一直困擾著人們。研究目的是增強(qiáng)鏟尖的使用壽命，選擇表面自納米化技術(shù)工藝，利用超聲技術(shù)為試驗(yàn)手段，測量表面自納米化的鏟尖的硬度、磨損失重、摩擦系數(shù)及金相顯微組織，確定沖擊時間對表面自納米化效果影響，確定具體的沖擊時間[7]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)研究對象為鑄鋼材料的深松鏟鏟尖，材質(zhì)為Q235 鋼，深松鏟鏟尖分為鑄鋼材料及鑄鐵材料[8]，鑄鋼材料鏟尖硬度較強(qiáng)、綜合性能較高，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，鑄件壁厚對其力學(xué)性能影響較小[9]。但在深松過程中有土壤板結(jié)以及遇到土壤中堅(jiān)硬的雜質(zhì)會使鑄鐵材料的鏟尖變形失效，造成材料的浪費(fèi)[10]，因此，試驗(yàn)材料為鑄鋼材料鏟尖，具體成分見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為鑄鋼材料深松鏟鏟尖，利用超聲波技術(shù)進(jìn)行表面自納米化處理，具體沖擊時間如下表2 所示。

表1 鑄鋼材料鏟尖成分Table 1 Elements components of cast steel material tip（%）

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Test design

1.3 試驗(yàn)方法

表面自納米化是由盧柯提出的表面強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)利用各種物理方法使材料表面晶粒進(jìn)行納米化，從而根據(jù)晶粒的超細(xì)晶粒的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)而提高材料表面強(qiáng)度，提高其耐磨性[11]。表面自納米化無需增加其他材質(zhì)，能夠有效節(jié)約加工成本，且在加工之后納米化層與基體無分界層，不需要考慮其結(jié)合強(qiáng)度，磨損過程中不會由于耐磨層結(jié)合力不夠而導(dǎo)致脫落，能夠具有良好的耐磨性，且操作方法簡單，便于批量生產(chǎn)加工[12]。

一般磨損過程中，一般的磨損失效都是由表面耐磨性不足而引起磨損失效，使材料表面從基體中落，在基體表面形成凹坑，加大土壤與鏟尖的摩擦力，加快摩擦速度[13-15]。在材料表面制備出納米晶結(jié)構(gòu)表層，即實(shí)現(xiàn)表面納米化，就可以利用納米材料的優(yōu)異性能提高材料的整體性能。與其他納米材料制備方法不同的是，表面自納米化只需通過一些常規(guī)的表面加工技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)[16-18]。這些方法所獲得的納米晶表層具有高致密、少污染及與基體結(jié)合緊密的優(yōu)點(diǎn)[11]。

論文的技術(shù)手段是利用超聲波進(jìn)行沖擊，利用聲波技術(shù)使其表面產(chǎn)生納米晶粒，沖擊時間是影響耐磨性的重要指標(biāo)，所以試驗(yàn)的沖擊時間分別為1、3、5、10、15 min，根據(jù)沖擊時間不同測量深松鏟鏟尖的硬度、磨損失重、摩擦系數(shù)、金相以及沖擊韌性[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 維氏硬度測試

硬度是金屬材料一重要指標(biāo)，雖然耐磨性與硬度沒有直接關(guān)系，但是在提高耐磨性研究中一般都對硬度進(jìn)行測量，一般情況下，硬度與耐磨性呈正相關(guān)。試驗(yàn)測量試樣的維氏硬度，維氏硬度測量方法比較簡單，將試樣制備呈長方體形狀，保證其上下表面平行，受力時能夠靜止不動。表面利用砂紙以及拋光機(jī)進(jìn)行打磨干凈，確保壓痕清晰可見，如下圖2 所示。

利用金剛石壓（上圖3）頭對試樣表面進(jìn)行垂直壓入，保持一定時間，卸載壓力，壓痕為菱形，利用計(jì)算機(jī)測量軟件進(jìn)行測量菱形的對角線長度d1、d2，計(jì)算平均值d。在試驗(yàn)表面均勻打12 個點(diǎn)進(jìn)行測量，計(jì)算出金剛石的受力面積，查找對應(yīng)的應(yīng)力值，算出準(zhǔn)確的平均維氏硬度值，用HV 表示。具體測試過程如下圖4 所示。

利用維氏硬度及測量試樣的維氏硬度，測量結(jié)果如表3 所示。

圖2 磨拋試樣Fig.2 Vickers hardness diamond indenter

圖3 維氏硬度金剛石壓頭Fig.3 Grinding and polishing specimen

圖4 球墨鑄鐵顯微硬度測試Fig.4 Ductile iron microhardness test

表3 顯微硬度試驗(yàn)記錄Table 3 Microhardness test record

圖5 超聲沖擊時間對深松鏟鏟尖顯微硬度的影響Fig.5 Effect of ultrasonic impact time on microhardness of deep shovel tips

從圖5 可以看出，基材的平均顯微硬度為172.66 HV，經(jīng)過超聲沖擊處理后，深松鏟鏟尖表面的耐磨性能都有了顯著提高，最高達(dá)到308.75 HV，顯著高于其基材硬度。從上圖5 可以看出，隨著沖擊時間延長深松鏟鏟尖表面硬度越高。距離材料表面150 μm 以下，深松鏟鏟尖表面的顯微硬度值提高不再顯著，其顯微硬度基本接近于基材。

2.2 韌性測試

測量試樣的韌性是指試樣在斷裂時所吸收的能量，一般用AK表示，深松鏟鏟尖在深松時如果硬度較大，但是其韌性較差，則在深松時遇到土壤中作物根茬及堅(jiān)硬物塊會發(fā)生斷裂失效，導(dǎo)致鏟尖報(bào)廢率上升。在保證一定硬度情況下使其鏟尖具有一定的韌性，所以在研究深松鏟鏟尖時韌性也是其重要指標(biāo)。將深松鏟鏟尖放在試驗(yàn)機(jī)上，缺口背對擺錘，將擺出上升到一定高度使其具有一定的重力勢能，放下擺錘，使擺錘的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，遇到工件發(fā)生撞擊，鏟尖在擺錘的作用下斷裂，是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行韌性試驗(yàn)，忽略空氣等影響因素，沖斷試驗(yàn)所需要能量如下：

式中：Ak—試件破壞時的沖擊功；

m—擺錘質(zhì)量；

g—重力加速度；

H1—擺錘抬起高度；

H2—擺錘落下高度。

AK的數(shù)值可以在儀表盤上直接讀出，利用游標(biāo)卡尺測量其截面半徑，計(jì)算截面面積SN，得到?jīng)_擊韌性如下：

式中：SN—斷口處橫截面積，cm2；

σK—沖擊韌性，j/cm2。

根據(jù)沖擊韌性試驗(yàn)方法，利用型號為JB-350 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行韌性檢測，將沖擊試驗(yàn)的試樣制備成長方體試樣，在中間端面加工出V 型，每組測量3 個試樣，取其平均值，分析不同沖擊時間對深松鏟鏟尖韌性影響，測量的結(jié)果如表4。

表4 沖擊溫度對韌性的影響Tab.4 Effects of impact temperature on toughness

2.3 耐磨性測試

2.3.1 摩擦磨損失重測試

提高耐磨性是試驗(yàn)?zāi)康?，試樣材料由于耐磨性不足而在深松過程中磨損失效。利用微機(jī)控制端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（圖6）對試樣進(jìn)行耐磨性檢測，在檢測前將試樣洗凈吹干并且稱其重量。端面磨損試驗(yàn)臺的磨球選用的直徑為6 mm 的氧化鋯磨球，磨損半徑為6 mm，試驗(yàn)時設(shè)置的轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，磨損壓力為50 N。

圖6 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.6 Friction and wear test machine

每組試樣準(zhǔn)備3 個，試驗(yàn)后洗凈稱重5 次取其平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示。

1#是未經(jīng)過超聲處理的基材深松鏟鏟尖，與其他經(jīng)過處理后的鏟尖相比較，磨損失重量較多，為了便于觀察沖擊時間對深松鏟鏟尖耐磨性的影響，利用上述數(shù)據(jù)繪制磨損失重折線圖，如圖7 所示。

根據(jù)上表的折線圖可以看出，沖擊時間為5 min是磨損失重最小，磨損失重為1.60 mg，其他均大于1.60 mg，深松鏟鏟尖耐磨性隨著沖擊時間延長而增強(qiáng)，沖擊時間超過5 min 后，磨損失重反而增加，耐磨性降低，最佳沖擊時間為5 min，但從整體數(shù)據(jù)看，超聲處理后的深松鏟鏟尖耐磨性均有提高，但5 min 之后隨沖擊時間延長耐磨性下降。

表5 各種試樣磨損失重Table 5 Heavy wear loss of various specimens

圖7 沖擊時間對耐磨性的影響Fig.7 Effects of impact time on wear resistance

2.3.2 摩擦系數(shù)測試

摩擦系數(shù)是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。摩擦系數(shù)與試表面粗糙度有直接關(guān)系，所以在試驗(yàn)前保證試樣表面平整，無明顯的凹坑。在500 N 壓力用下，摩擦1 200 s，具體摩擦系數(shù)如表6 所示。

通過上述摩擦系數(shù)數(shù)值可以看出，基材的摩擦系數(shù)是0.159，在6 組數(shù)據(jù)中，摩擦系數(shù)是最大的，說明其耐磨性低、易磨損，超聲沖擊時間分別為1、3、5 min 時，對應(yīng)試樣的摩擦系數(shù)呈下降趨勢，說明耐磨性增強(qiáng)。超聲沖擊時間超過5 min 時，摩擦系數(shù)上升，磨損加劇，根據(jù)這一現(xiàn)象，與磨損失重的特征相吻合。為進(jìn)一步研究分析耐磨性的變化，利用金相顯微鏡對金相組織金相觀察，判斷沖擊時間對其內(nèi)部組織的變化的影響。

2.4 金相試樣的觀察

金相試樣制備是一個復(fù)雜過程，其順序是：沖洗試樣→擦酒精→腐蝕→水沖洗→擦酒精→吹干。利用金相電子顯微鏡根據(jù)試樣內(nèi)部各處反射光線不同，可以清楚觀察試樣內(nèi)部顯微組織特征，若視野不好且劃痕較多不清晰，則需從新制備金相試樣。用金相顯微鏡觀察到深松鏟鏟尖的橫截面晶粒尺寸如圖8 所示。

表6 摩擦系數(shù)平均值Table 6 Average friction coefficient

圖8 金相顯微照片F(xiàn)ig.8 Metallographic micrograph

從上述4 張金相照片中可以看出，經(jīng)過超聲沖擊的基材金相組織均發(fā)生劇烈變形，沖擊時間為5 min 時，在距離基材表面200 μm 之內(nèi)，均發(fā)生劇烈變形，隨著沖擊時間的延長，變形層及過渡層沒有明顯的增加，但是由于長時間沖擊，基材表層晶粒細(xì)化現(xiàn)象更加明顯。在15 min 的沖擊下，距離基材表層200 μm 以下晶粒組織沒有發(fā)生形變，晶粒尺寸、形狀基本保持與沒有超聲沖擊的基材組織一致。

2.5 土壤環(huán)境中耐磨性測試

深松鏟鏟尖屬于農(nóng)機(jī)觸土部件，在工作時一直與土壤直接接觸，摩擦磨損試驗(yàn)臺確實(shí)可以其耐磨性，但與實(shí)際土壤磨損還是具有一定的差異，試驗(yàn)利用超聲沖擊處理的鏟尖進(jìn)行磨損試驗(yàn)，時間為30 min，鏟尖與土壤壓力為50 N。得到磨損失重?cái)?shù)據(jù)如下表7所示：

表7 土壤-金屬磨損試驗(yàn)臺試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 7 Test data on the soil-metal wear test bench

從上表數(shù)據(jù)可以看出，超聲沖擊的鏟尖磨損失重均小于基材的失重量。超聲沖擊5 min 時失重量最低，當(dāng)沖擊時間為10、15 min 時，磨損量有所上升，此時鏟尖耐磨性降低，沖擊時間越長，鏟尖越脆，韌性降低。

3 結(jié)論

研究沖擊時間對深松鏟鏟尖耐磨性影響，通過超聲沖擊對鏟尖表面進(jìn)行納米化處理。使其表面產(chǎn)生納米級晶粒，得出結(jié)論如下：

（1）通過測量試樣的維氏硬度發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲沖擊的試樣硬度均有所提高，均高于基材硬度。且沖擊時間與試樣硬度呈正比，基材表面到內(nèi)部240 μm 之間硬度明顯下降，當(dāng)距離表面150 μm 之后，硬度基本與基材一致。

（2）沖擊韌性是材料斷裂時所需要的能力，使材料具有一定韌性，在工作過程中，提高鏟尖耐磨性而忽略其韌性，則會使鏟尖發(fā)生斷裂失效。通過沖擊功數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過超聲沖擊的鏟尖沖擊功都有所上升，均高于基材沖擊功，沖擊時間為5 min 時，沖擊功最高，之后隨著沖擊時間升高而降低。

（3）通過磨損失重以及摩擦系數(shù)可以看出，經(jīng)過5 min 超聲沖擊處理的鏟尖失重量較小且摩擦系數(shù)較小，證明表面晶粒結(jié)構(gòu)納米化增強(qiáng)基材表面耐磨性，超聲沖擊處理超過5 min 后，其磨損失重及摩擦系數(shù)有所上升，耐磨性下降。

（4）觀察試樣的金相照片，經(jīng)過沖擊處理的試樣表面晶粒都發(fā)生明顯變化，在超過基材表面200 μm以下晶?；w沒有發(fā)生變化，所以從微觀結(jié)構(gòu)可以看出，超聲沖擊可以改變材料的晶粒結(jié)構(gòu)，使晶粒發(fā)生裂變，增強(qiáng)基材耐磨性。