釬涂增材在農(nóng)機觸土部件上的應用及發(fā)展趨勢

李宇佳 龍偉民 孫志鵬

摘要：農(nóng)機觸土部件磨損失效快一直是亟待解決的行業(yè)難題，釬涂增材是增材制造的新方向、新突破，采用異質釬涂技術對觸土部件進行增材優(yōu)化，使其耐磨性大幅提高，對于農(nóng)業(yè)機械提高工作能效、助力綠色化轉型具有重要意義。簡述堆焊、熱噴涂、噴焊及熔覆等異質增材技術制備農(nóng)機觸土部件的應用現(xiàn)狀及局限性， 重點論述釬涂技術在增材耐磨觸土部件上的應用優(yōu)勢，并探討釬涂技術制備農(nóng)機觸土部件存在的問題及發(fā)展方向。

關鍵詞：釬涂;增材制造;觸土部件;磨損失效;耐磨涂層

0? ? 前言

圓盤耙、犁鏵、旋耕刀、深松鏟尖等農(nóng)機觸土部件在工作過程中直接與土壤和石英、長石、植物硅酸體、作物秸稈、雜草等物體接觸，摩擦磨損是其失效的主要原因。據(jù)統(tǒng)計，80%以上的農(nóng)機觸土部件因磨損失效而報廢，在農(nóng)業(yè)、礦山等行業(yè)中，中國每年因磨損而消耗的金屬材料達300萬噸以上，直接經(jīng)濟價值達1 000多億元人民幣[1-4]。采用釬涂技術對觸土部件進行增材強化，大幅提高其耐磨性能，對于農(nóng)業(yè)機械提高工作能效、助力綠色轉型具有重要意義。

異質釬涂增材技術是增材制造的新突破、新方向、新應用、新產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的應用空間，尤其在零件修復與表面強化方面具有明顯優(yōu)勢。目前，增材制造的應用以同質材料為主[5-7]，但異質材料組合更有利于發(fā)揮各組分材料性能優(yōu)點，且能通過各組分性能的互補和關聯(lián)獲得單一材料所難以達到的綜合性能。我國增材制造正處在高速發(fā)展期，但與發(fā)達國家相比，我國增材制造技術、材料及裝備還處于劣勢，創(chuàng)新增材制造新方法、拓展增材制造新應用，是另辟途徑、后發(fā)先至、搶占先機的有效途徑。

1 農(nóng)機觸土部件延壽的研究概況

我國屬于典型的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)機觸土部件磨損失效快一直是亟待解決的行業(yè)難題。目前，國內外提高農(nóng)機觸土部件耐磨性的方法主要有四種[8-9]：（1）合理設計觸土部件結構;（2）應用高耐磨性、高硬度的新材料;（3）熱處理提升表面耐磨性;（4）異質增材表面強硬化技術。通過結構設計及熱處理以降低磨耗、提高壽命是有限度的;新型整體耐磨高硬材料的開發(fā)往往受金屬價格所限;而基于釬涂增材技術制備表面耐磨涂層，增材材料可以結合2種或多種材料形成具有特殊性能組合的功能體，增材涂層厚度柔性可控，從幾微米到幾毫米甚至更厚，還可顯著降低磨耗比、有效提高硬度及疲勞強度，以優(yōu)質的性價比備受行業(yè)青睞[10-11]。

異質釬涂發(fā)展時間相對較短，其增材制造機理、工藝、專用設備、應用效果亟待系統(tǒng)研究。簡述了幾種異質增材技術制備農(nóng)機觸土部件的應用現(xiàn)狀及局限性， 重點論述釬涂技術在增材耐磨觸土部件上的應用優(yōu)勢、現(xiàn)存問題及發(fā)展方向。

2 異質增材在農(nóng)機觸土部件上的應用

目前，我國農(nóng)機觸土部件的常用材料如表1所示。農(nóng)機觸土部件常用的異質增材方法主要有堆焊、熱噴涂、噴焊、熔覆、釬涂技術等[9，12-13]。

2.1 堆焊技術

堆焊是農(nóng)機部件耐磨處理的常用技術。堆焊方法有很多，包括電弧堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、氧-乙炔焰堆焊、氣保護堆焊等，堆焊層的厚度為0.8～15 mm。翟鵬飛等[15]在觸土部件常用的60Si2Mn鋼基體上制備了高鉻、高硼合金鑄鐵堆焊層，堆焊層底部區(qū)域硬度最低，中間區(qū)域最高，表層區(qū)域次之，耐磨性也呈先減小后增大的趨勢。東北林業(yè)大學的楊海[16]在65Mn鋼犁鏟鏟尖堆焊高鉻鑄鐵，與普通犁鏟相比耐磨性提高1.93倍。佳木斯大學的焦仁寶[17]在65Mn鋼深松犁鏟鏟尖采用氣保焊-噴射送粉復合堆焊技術制備高鉻鉬合金耐磨涂層，堆焊層硬度達到65 HRC，與普通犁鏟相比，田間試驗耕地壽命提高2～3倍。黑龍江八一農(nóng)墾大學的張新洋[18]對深松鏟尖進行等離子堆焊涂層制備，堆焊層的稀釋率與熔敷率分別為11.5%和89.1%，田間試驗表明，經(jīng)過最佳工藝處理后的深松鏟尖的耐磨性是處理前的2.67倍。

堆焊技術具有結合力強、熔覆效率高、耐磨材料選擇廣和操作方便等特點;但稀釋率大，工件易變形，且無法堆焊薄壁、具有空間曲面形狀的工件[12]，所以對農(nóng)機部件的厚度和表面形狀具有挑剔性，導致此方法難以大面積推廣應用。

2.2 熱噴涂技術

熱噴涂技術可以有效改善基體材料表面耐磨性、耐蝕性等性能[19-20]，是異質增材制備耐磨涂層的重要手段之一，對延長觸土部件的使用壽命具有一定的探索價值。

熱噴涂工藝方法包括火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂等[21]。王照鋒[22]應用高速電弧噴涂技術制備FeCrNi/Ni包覆金剛石復合涂層，涂層組織致密，孔隙率較低，呈現(xiàn)典型的層狀結構，因金剛石硬質相的存在而具有較高的顯微硬度和優(yōu)異的耐摩擦磨損性能。Satit Karoonboonyanan等[23]在旋耕刀基體上進行超音速火焰噴涂（HVOF）制備WC/Co涂層，田間試驗表明，WC/Co涂層旋耕刀的磨損率（0.02 cm3/ha）明顯低于原始刀片（0.86 cm3/ha），表明涂層刀具耐磨性得到很大改善。湖南大學的王群[24]發(fā)現(xiàn)WC顆粒呈雙峰分布的WC/Co（Cr）涂層表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗磨粒磨損性能，與較厚的鍍硬鉻涂層相比，其抗磨粒磨損性能提高9～11倍。湖南農(nóng)業(yè)大學的趙建杰[25]采用超音速火焰噴涂在旋耕刀表面制備厚約300 μm的WC-Ni硬質涂層，涂層硬度為1 020 HV0.3，對比于觸土部件常用65Mn鋼，WC-Ni硬質涂層磨損失重僅為65Mn鋼磨損失重的1/14，優(yōu)良的耐磨損性能可大幅延長觸土部件的使用壽命。

熱噴涂技術制備自熔合金涂層、Co基WC涂層以及氧化物陶瓷涂層都已獲得廣泛應用。然而，一方面，噴涂射流、粉塵、噪聲、弧光等對人體和設備都有較大傷害;另一方面，噴涂層與基材以機械咬合為主，結合強度不高，在高應力磨損條件下，極易引起粒子整體脫落造成材料損失與涂層失效[26-27]，導致熱噴涂技術在農(nóng)機觸土部件中的應用受到一定限制。

2.3 噴焊技術

噴焊技術是將經(jīng)預熱的自溶性合金粉末涂層再加熱至1 000～1 300 ℃，使顆粒熔化，造渣上浮到涂層表面，生成的硼化物和硅化物彌散在涂層中，使顆粒間和基體表面達到良好結合。噴焊層與基體之間的結合是溶解擴散冶金結合，區(qū)別于堆焊層的熔化冶金結合、噴涂層的機械結合，但由于重熔過程中基體局部受熱后溫度達900 ℃會產(chǎn)生較大熱變形，因此噴焊的使用范圍有一定局限性。

趙建國等[28]采用火焰噴焊技術在深松鏟鏟尖上制備了鐵基合金涂層，并利用噴焊后的余溫對其進行了淬火處理，結果表明噴焊余溫淬火使涂層組織得到細化，提高了涂層耐磨性。張旭等[29]采用氧乙炔火焰噴焊技術在滅茬刀上制備了Fe6涂層，結果顯示噴焊Fe6涂層的滅茬刀硬度和耐磨性顯著提高，使用壽命得到有效延長。吳雁楠等[30]利用等離子弧噴焊技術，以純Ti粉與Ni60粉的混合粉末作為噴焊材料，在Q345鋼表面制備原位碳化鈦顆粒增強鎳基噴焊層，結果表明，原位TiC顆粒與Ni基體界面強度高，可形成近似完全共格界面，噴焊層與Q345鋼相比具有更小的摩擦系數(shù)，磨損失重降低了86.4%。郝建軍等[31]利用氧乙炔火焰噴焊技術在鞭式滅茬刀具上制備了Ni-WC噴焊層，結果表明WC能夠對鎳基合金產(chǎn)生彌散強化、晶界強化和固溶強化的作用，提高噴焊層耐磨性。

2.4 熔覆技術

熔覆技術通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能束能量使其與基體材料表面薄層一起熔凝，使熔覆材料與基體形成冶金結合，制備出稀釋率極低的表面熔覆層[32-33]。根據(jù)熱源的不同，熔覆技術可以分為激光熔覆、等離子熔覆、氬弧熔覆、感應熔覆、真空熔覆及復合熔覆等[34-35]。其中感應熔覆制備的熔覆層表面平整，但熱量傳遞不充分、工藝控制困難[36];真空熔覆可以調節(jié)冷卻速率，基體變形小，但對環(huán)境要求嚴格[37];復合熔覆應用前景廣闊，但工藝復雜[35]。以上原因導致感應熔覆、真空熔覆及復合熔覆應用范圍受限，而激光熔覆、等離子熔覆以及氬弧熔覆技術的應用較為廣泛，成為觸土部件異質增材技術的研究熱點。

2.4.1 激光熔覆

激光熔覆技術是以高能量密度的激光束為熱源，對基體表面的熔覆材料進行激光輻照，形成稀釋度極低的表面涂層，以完成改性或修復，具有高效率、可控性高、加熱與冷卻速率快、熔覆后涂層晶粒細小、熱影響區(qū)窄等優(yōu)點[38-39]。但由于激光制造成本較高，目前在農(nóng)機觸土部件制造中的應用尚不普遍，仍需重點突破制約其發(fā)展的關鍵因素，解決工程應用中涉及的關鍵技術。

許令峰等[40]為提高農(nóng)用割刀耐磨性并使割刀形成自磨刃，采用同軸送粉方式在65Mn刀具刃口表面制備Ni基WC復合涂層，熔覆層組織均勻致密、硬度大幅提高;熔覆層摩擦系數(shù)與磨損量相比于65Mn基體分別降低約65%和80%，滿足農(nóng)用割刀形成自磨刃的性能要求。陳希章等[41]在Q235基體上利用激光熔覆技術，原位合成了WC鐵基熔覆層，其硬度提升約4～5倍，耐磨性能顯著增強。

2.4.2 等離子熔覆

等離子熔覆技術以等離子弧為熱源，制備的熔覆層組織均勻致密，與基體為牢固的冶金結合，與激光熔覆技術相比，該技術尺寸精度略低，但設備成本僅為激光熔覆的1/5，且對工作環(huán)境無特殊要求，具有較高的穩(wěn)定性和熱效率[42-43]。但等離子弧近萬度的高溫，會對刀體造成較大影響，且對于形狀復雜的刀具難以實現(xiàn)自動化制造。

河北農(nóng)業(yè)大學的韓照坤[43]在深松鏟鏟尖利用等離子熔覆技術制備了Ni60+50%WC復合涂層，其顯微硬度約為基體的4倍，摩擦系數(shù)約為基體的50%，在3.5%NaCl溶液中的腐蝕速率約為基體的25%，對比堆焊深松鏟使用壽命提高了3倍。屈平等[44-45]利用等離子熔覆技術在犁鏵表面制備了Ti（C，N）-WC/Ni60A基、Al2O3-Ti（C，N）基復合涂層，Ti（C，N）-WC/Ni60A熔覆層表層中多角片狀WC較多，次表層由呈芯-環(huán)結構的硬質相埋置于粘結相之中，耐磨性比65Mn鋼及Q235基體分別提高6倍及16倍;Al2O3-Ti（C，N）熔覆層由硬質相Al2O3、Ti（C，N）與粘結相Fe-Ni之間相互包裹、互相嵌套形成空間網(wǎng)狀骨架結構，其耐磨性比65Mn鋼及Q235鋼分別提高7倍及17倍。

2.4.3 氬弧熔覆

氬弧熔覆技術以氬弧焊的電弧作為熱源，以氬氣作為保護氣，熱量集中，能量密度較高，涂層制備過程中無氧化燒損現(xiàn)象[46]。但存在焊接效率低、氬弧弧光對眼睛有害等缺點，所以應用受限。

王海淞等[47]利用氬弧熔覆技術在淬火后的65Mn深松鏟鏟尖上制備了TiC顆粒增強鎳基復合涂層，TiC顆粒呈彌散分布，熔覆后的深松鏟具有較好的耐磨性。董世知等[48]利用氬弧熔覆技術制備了FeAlCoCrCuTi0.4，WC/Al2O3-FeAlCoCrCuTi0.4

高熵合金涂層，WC和Al2O3的添加對涂層稀釋率的降低有明顯作用，并可顯著提高涂層耐沖蝕磨損性能。郝建軍等[49]研究了氬弧熔覆Ni60A耐磨層在農(nóng)機刀具上的應用，磨損試驗表明熔覆層耐磨性比常規(guī)淬火回火處理的65Mn鋼提高2～4倍。

2.5 釬涂技術

釬涂技術本質上是海量級微粒間的復雜釬焊，其原理是采用釬焊的方式將高硬度、耐磨損、耐侵蝕或抗氧化的硬質顆粒連結到基體表面，形成釬料與硬質顆粒復合制備增材涂層的方法。具有如下優(yōu)點：涂層與母材冶金結合，結合強度遠比機械結合高;釬涂層厚度從5 μm至無限大可調;釬涂層表面平整、加工精度高;熱影響區(qū)小，對母材的損傷小等[50-52]。

常見的釬涂方法主要有真空釬涂、感應釬涂、激光釬涂、氬弧釬涂、火焰釬涂，其中以真空釬涂研究最多、應用最廣[53-55]。陸善平等[56]采用真空釬焊技術，在45鋼基體表面制備了WC-Co/NiCrBSi復合釬焊涂層，涂層表面成型性佳，焊后加工余量小，抗磨粒磨損性好，其磨損性能高于同配比的火焰堆焊涂層及CoCrW堆焊涂層，相對耐磨性是堆焊層的1.5～2.1倍。徐德生等[57]采用高頻釬焊技術在45鋼基體表面制備了WC/Cu非光滑耐磨復合涂層，WC質量分數(shù)為50%時涂層耐磨性最好，能夠達到高鉻鑄鐵和淬火45鋼的4.9倍和12.4倍。周許升等[52]研究發(fā)現(xiàn)，隨著WC粒度的增加，Ni釬料與WC增強相的冶金反應程度減弱;WC粒度為400 μm時，涂層的洛氏硬度最高，涂層的耐磨性最好。秦建等[58]采用真空釬焊方法在65Mn鋼表面制備了金剛石/NiCrBSi復合涂層，涂層預置示意如圖1所示，涂層表面形貌如圖2所示;涂層與鋼基體之間形成了厚度約為20 μm的釬焊反應界面，冶金結合良好;在相同磨損試驗條件下，金剛石/NiCrBSi復合涂層失重僅為65Mn基體的1/6。

作者團隊近期采用非真空環(huán)境下金剛石感應釬涂技術，在旋耕刀表面制備0.1～2.5 mm厚度的金剛石耐磨釬涂層，如圖3所示，涂層硬度≥55 HRC，與傳統(tǒng)刀具相比，耐磨性提高5～8倍，壽命提高4～10倍。金剛石釬涂技術在耐磨領域的應用，既可拓寬超硬材料的應用，又能提升智能農(nóng)機裝備的性能，并已將此技術應用推廣到盾構裝備、煤礦機械、碼頭裝卸等耐磨過流部件，壽命均得到大幅提高。但釬涂技術發(fā)展時間相對較短，還存在一些不足之處，釬涂溫度較高，可能導致基體力學性能降低;釬涂裝備的自動化、成套化程度還不夠高。

3 基于農(nóng)機觸土部件釬涂中的問題及發(fā)展

3.1 現(xiàn)存問題

制備表面增材涂層是目前釬涂技術在農(nóng)機觸土部件上的最主要應用，經(jīng)過多年的發(fā)展，已有部分研究成果應用于實際生產(chǎn)中去，但總體來看仍存在以下幾個問題：

（1）農(nóng)機觸土部件增材層結構待優(yōu)化。

農(nóng)機觸土部件類型多種多樣，由于運動方式及工作環(huán)境的不同，所受的磨損條件更是千差萬別，針對一種部件設計的增材層，往往不能直接移植應用到其他部件上，甚至同一種增材層在不同的使用環(huán)境下應用效果也不盡相同。目前的應用研究多集中在采用某種現(xiàn)有較為成熟的工藝制備出具備耐磨、減摩功能的涂層，比如采用激光熔覆技術或熱噴涂技術在觸土部件表面制備耐磨層，但往往較少對耐磨層進行深入的結構設計，只是簡單的技術推廣應用，最終在觸土部件上的應用情況并不理想。

（2）農(nóng)機觸土部件專用增材設備待開發(fā)。

增材制造技術和設備已有長足的發(fā)展，但針對于農(nóng)機觸土部件的專用型增材設備研究卻鮮有開展。農(nóng)機觸土部件形式多種多樣，增材技術各不相同，如何能在合適的部位快速、高效、穩(wěn)定地制備高性價比增材層，是增材制造技術能夠真正有效利用到農(nóng)機觸土部件上的關鍵。然而目前對于這些專用設備的研究鮮有報道，利用常規(guī)增材設備開展的技術及工藝研究，很難快速穩(wěn)定地推廣應用到農(nóng)機觸土部件增材制造上，且多數(shù)設備制造的增材層成本居高不下，這大大限制了增材技術在農(nóng)機觸土部件上的應用。

（3）農(nóng)機觸土部件增材材料及工藝待拓展。

目前在農(nóng)機觸土部件表面應用的增材材料主要有高鉻、高硼鐵基耐磨材料，含WC、TiC等的鐵基、鎳基、鈷基材料，及化學鍍/滲材料，工藝上當前的主要方向為電弧增材、激光增材、等離子增材等，然而由于觸土部件形式多樣工況復雜，且觸土部件增材后使用壽命測試對比周期長，更增加了系統(tǒng)研究對比的難度。

3.2 展望

采用釬涂增材技術在農(nóng)機觸土部件表面制備耐磨層可有效延長觸土部件的使用壽命，有利于搶耕搶播，因此對釬涂技術在農(nóng)機觸土部件上的應用提出以下展望：

（1）開展釬涂層結構設計。針對不同地域土壤特性、作物品種、種植模式等差異，不斷迭代新材料、開發(fā)新工藝，研究硬質顆粒空間分布結構與涂層耐磨性的關系，設計高適配功能涂層。

（2）開發(fā)專用釬涂增材設備。研究綠色高效連續(xù)釬涂增材設備，進一步降低成本，提高產(chǎn)品市場占有率。

（3）建立觸土部件耐磨性評價體系。系統(tǒng)評估釬涂材料、釬涂工藝與涂層耐磨性、田間作業(yè)壽命的適配關系，建立一套較為完善的觸土部件耐磨性評價體系。

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