沙 龍，胡 軍，劉昶希，車寧飛，李慶紅

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省保護(hù)性耕作工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到重要作用，保護(hù)性耕作作為新興的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，成為農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的新趨勢(shì)，但同時(shí)，如何提高其觸土部件的耐磨性能是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。磨損普遍存在于機(jī)械產(chǎn)品中，每年因磨損在農(nóng)機(jī)領(lǐng)域造成的損失巨大，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)如何提高金屬材料的耐磨性方面做了大量研究[1]。

本文以深松鏟尖為研究對(duì)象，使用JMatPro軟件輔助設(shè)計(jì)一種新成分耐磨鑄鋼，進(jìn)行性能模擬計(jì)算，并將其與農(nóng)場(chǎng)最常用的三種深松鏟的成分(高錳鋼65Mn，低合金鋼45鋼，球墨鑄鐵QT600-3)進(jìn)行對(duì)比研究，使用顯微硬度計(jì)、萬(wàn)能磨損試驗(yàn)臺(tái)等設(shè)備，通過(guò)硬度檢測(cè)與耐磨性等方面進(jìn)行分析，探究了不同的材質(zhì)對(duì)深松鏟尖耐磨性能的影響。

1 成分設(shè)計(jì)

綜合考慮合金元素在鋼中的作用，以低合金耐磨鑄鋼ZG40CrMnSiMo鋼為基體，在其化學(xué)成分上進(jìn)行固有元素的增減和新元素的增加[2]，用JMatPro軟件對(duì)新成分的熱力學(xué)性能和機(jī)械性能模擬計(jì)算，選取最佳成分[3]。最終在ZG40CrMnSiMo鋼的化學(xué)成分中提高碳(C)元素含量來(lái)提高鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度[4]，增添釩(V)元素與碳(C)形成碳化物、細(xì)化晶粒，增強(qiáng)鋼的耐磨性的同時(shí)減弱碳(C)元素降低韌性的影響[5]，以期能得到具有綜合優(yōu)良性能的新材料。ZG40CrMnSiMo鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1，自設(shè)試驗(yàn)鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo的化學(xué)成分見(jiàn)表2。將自設(shè)試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分輸入JMatPro軟件的得出相組成圖見(jiàn)圖1。

表1 ZG40CrMnSiMo鋼的化學(xué)成分 單位：wt%

表2 新成分試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 單位：wt%

圖1 自設(shè)試驗(yàn)鋼相組成圖

由圖1可知自設(shè)試驗(yàn)鋼的液相線溫度為1 431.97 ℃，固相線溫度為1 280.00 ℃，此時(shí)奧氏體相含量達(dá)到最大值99.31%，A1溫度為759.95 ℃，A3溫度為882.25 ℃。在室溫下自設(shè)試驗(yàn)鋼的平衡組織為87.05%F+9.03%Fe3C+2.84%M7C3+0.88%M(C，N)+0.148%M2P。

2 耐磨性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

該研究主要是設(shè)計(jì)研制適合農(nóng)機(jī)觸土部件使用的新成分低合金耐磨鑄鋼，耐磨性是重要指標(biāo)，適用性是綜合因素。除考慮自設(shè)試驗(yàn)鋼的性能外，還應(yīng)考慮自設(shè)試驗(yàn)鋼是否擁有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。故選擇農(nóng)場(chǎng)常用于深松鏟尖的三種鋼材加入研究對(duì)比。所選三種材料分別是高錳鋼65Mn，球墨鑄鐵QT600-3，低合金鋼45鋼。該研究中使用的自設(shè)試驗(yàn)鋼深松鏟尖由合作單位沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)制作，深松鏟尖的制作采用澆鑄法，工藝流程為：配料→熔煉→澆鑄→脫模→去冒口。熔煉設(shè)備選用30 kg中頻感應(yīng)爐，熔煉溫度1 500 ℃，使用硅鐵作為變質(zhì)劑，脫氧后出爐采用砂型鑄造法進(jìn)行澆鑄，澆注溫度為1 450～1 480 ℃。澆鑄完成后對(duì)其進(jìn)行熱處理，處理方法為淬火+回火。將鑄件放入預(yù)熱至750 ℃的箱式電阻爐中，加熱至880 ℃，保溫2 h后取出，進(jìn)行油淬，然后放入預(yù)熱至230 ℃的箱式電阻爐中保溫40 min，冷卻至室溫。三種對(duì)比鋼材的深松鏟尖取用從農(nóng)場(chǎng)得來(lái)的成品鏟尖。因?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)所用的設(shè)備限制，需先將試驗(yàn)材料處理成合適形狀以便使用，故將設(shè)計(jì)的自設(shè)試驗(yàn)鋼經(jīng)過(guò)熱處理后用金相切割機(jī)切成40 mm×20 mm×10 mm的試塊，三種對(duì)比鋼材的深松鏟尖也進(jìn)行同樣處理，每種成分的鋼材制備若干以備試驗(yàn)。

2.2 硬度檢測(cè)試驗(yàn)

使用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)四種鋼材試塊進(jìn)行硬度測(cè)試，在試樣上隨機(jī)取 10 個(gè)點(diǎn)測(cè)量其硬度，通過(guò)計(jì)算機(jī)匯總，所得結(jié)果為自設(shè)試驗(yàn)鋼、65Mn鋼、45鋼、球墨鑄鐵QT600-3四種材料的平均硬度分別為697.31HV、432.46HV、212.34HV、213.6HV。自設(shè)試驗(yàn)鋼的硬度要高于其他三種材料。

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)分析

在本次的試驗(yàn)研究中，采用萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)為主要工作機(jī)械進(jìn)行磨損試驗(yàn)，探究四種試驗(yàn)材料的耐磨性能。在磨損試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，選用了直徑為 6 mm 的氧化鋯磨球，磨損半徑為 6 mm，試驗(yàn)時(shí)機(jī)器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為80 r·min-1，磨損壓力為 50 N，試驗(yàn)時(shí)間為 7 200 s。在該試驗(yàn)中，有一個(gè)不可忽視的重要因素，即試驗(yàn)誤差。出于對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性考慮，將每一組都準(zhǔn)備了三塊相同的試樣，分三組進(jìn)行試驗(yàn)[6]。在試驗(yàn)前，先用精密電子天平對(duì)試樣進(jìn)行質(zhì)量的測(cè)量,對(duì)各組試件稱量三次取平均值，稱重后記錄其重量為m0。在完成本次試驗(yàn)之后，使用無(wú)水乙醇浸泡磨損的試驗(yàn)樣本，并使用超聲波清洗機(jī)將該試樣外層殘余的雜質(zhì)洗凈，使用干燥設(shè)備烘干，稱重后記錄其重量為m1。并依據(jù)此計(jì)算磨損失重Δm。磨損失重?cái)?shù)值如表3所示。

表3 摩擦磨損試驗(yàn)失重值 單位：mg

Δm=m0-m1

(1)

由表3可知，在相同試驗(yàn)條件下四種試驗(yàn)材料磨損失重結(jié)果為，45鋼 >球墨鑄鐵QT600-3> 65Mn鋼>自設(shè)試驗(yàn)鋼 ，即四種材料中自設(shè)試驗(yàn)鋼耐磨性最好。 自設(shè)試驗(yàn)鋼磨損失重為65Mn鋼的79%，為球墨鑄鐵QT600-3的58%，為45鋼的53%，即四種材料中，自設(shè)試驗(yàn)鋼耐磨性最好。

2.4 摩擦系數(shù)分析

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)由表面粗糙度決定，摩擦系數(shù)越小越不容易產(chǎn)生磨損，相應(yīng)的耐磨性越好。通過(guò)物體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)分析得出，其可分為兩類，即動(dòng)摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)?；瑒?dòng)摩擦力的產(chǎn)生原因是兩物體相互接觸發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。在 500 N 的壓力作用下，摩擦 3 600 s，得到圖2，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始時(shí)摩擦系數(shù)迅速上漲，在300～900 s之間四種材料的摩擦系數(shù)處于波動(dòng)階段，然后摩擦系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)。四種材料的摩擦系數(shù)平均值，自設(shè)試驗(yàn)鋼為0.51，65Mn鋼為0.53，45鋼為0.62，球墨鑄鐵QT600-3為0.58，只從摩擦系數(shù)考慮四種材料的耐磨性，自設(shè)試驗(yàn)鋼>65Mn鋼>球墨鑄鐵QT600-3>45鋼，與磨損失重基本吻合。

1.45鋼；2.球墨鑄鐵；3.65Mn；4.自設(shè)試驗(yàn)鋼

2.5 田間試驗(yàn)

深松鏟尖田間試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證不同材料在與土地發(fā)生摩擦的工作條件下的作業(yè)效果，分析其磨損規(guī)律，驗(yàn)證自設(shè)試驗(yàn)鋼的實(shí)用性能。選用了包含自設(shè)試驗(yàn)鋼在內(nèi)的四種材料制作深松鏟尖，分別為自設(shè)試驗(yàn)鋼深松鏟尖、65Mn鋼深松鏟尖、45鋼深松鏟尖、球墨鑄鐵QT600-3深松鏟尖，其主要區(qū)別在于深松鏟尖材料不同。

試驗(yàn)前，對(duì)四種深松鏟尖進(jìn)行質(zhì)量稱量，安裝深松鏟尖并做好標(biāo)記，進(jìn)入試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行深松磨損試驗(yàn)，耕深300 mm。作業(yè)完成后清理深松鏟，對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行記錄，對(duì)深松產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行稱量記錄。深松鏟的基本參數(shù)見(jiàn)表4所示。

表4 不同成分深松鏟田間試驗(yàn)參數(shù)

由上表可知，在相同的耕作條件下，經(jīng)過(guò)109 h的耕作，自設(shè)試驗(yàn)鋼深松鏟尖的磨損失重為65Mn鋼的89%，為球墨鑄鐵QT600-3的71%，為45鋼的70%，即自設(shè)試驗(yàn)鋼耐磨性>65Mn鋼耐磨性>球墨鑄鐵QT600-3耐磨性>45鋼耐磨性，與之前的模擬分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果互相印證。在4種成分的深松鏟尖中，自設(shè)試驗(yàn)鋼的耐磨性最好，其耐磨性大于耐磨鋼65Mn和其余兩種材料，實(shí)用性得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)試驗(yàn)與田間試驗(yàn)結(jié)果表明，自設(shè)試驗(yàn)鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo與65Mn鋼、球墨鑄鐵QT600-3、45鋼三種對(duì)比材料相比硬度最高，磨損失重最少，耐磨性最佳，證明自設(shè)試驗(yàn)鋼1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo耐磨性高于三種對(duì)比材料，可以應(yīng)用于農(nóng)機(jī)觸土部件(如深松鏟尖)等易磨損部件。