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摘要：隨著現代農業機械向大型化、復合化方向發展，對觸土部件的綜合性能提出了更高的要求，觸土部件的優化設計和表面改性已成為國內外學者關注的熱點問題。對近20年國內外有關農業機械耐磨涂層的研究報道進行評述，歸納分析涂層制備技術、耐磨材質方面的報道，概述仿生涂層的研究現狀，提出耐磨涂層目前研究的不足及未來發展的方向，以期為農機部件表面改性相關領域的研究和技術發展提供理論依據和參考。

關鍵詞：農業機械；觸土部件；表面改性；耐磨涂層

農業機械設備的觸土部件如犁壁、犁鏵、耙片等在工作時因磨損、腐蝕、粘附引起的早期失效與報廢，嚴重縮短農機的使用壽命[1-3]。隨著現代農業機械向大型化、復合化方向發展，對農業機械觸土部件的綜合性能的要求越來越高[4]，觸土部件的優化設計和表面改性成為國內外學術界和產業界關注的熱點問題之一。提高觸土部件使用壽命的方法主要有三種[5]：(1)合理設計易損件結構；(2)開發新型整體耐磨材料；(3)對易損件表面進行強化處理。通過合理設計易損件結構以降低磨耗、提高使用壽命是有限度的，而新型整體抗磨材料的開發往往受到金屬價格的限制[6]。在實際生產中，磨損失效通常發生在部件表層，如礦山機械鉆頭、農業機械犁鏵及犁壁等表面。利用表面強化技術處理零部件表面，所獲得的表面層厚度在幾微米到幾毫米之間，降低了涂層制備的成本；同時可以顯著降低磨耗，有效提高硬度、疲勞強度，從而提高部件壽命[7-9]，在耐磨涂層制備過程中具有獨特優勢而備受青睞。針對耐磨涂層與基體難以結合的技術瓶頸，國內外學者進行了系統而又深入的研究，主要有：(1)改進傳統耐磨涂層的制備方法，提出加工制造耐磨涂層的新方法，如激光熔覆、釬涂等；(2)開展了耐磨涂層中耐磨材質的研究，如鎳鉻合金、碳化鎢、陶瓷氧化鋁等，揭示不同耐磨材質對復合涂層組織性能的影響規律；(3)開展仿生耐磨涂層的研究，依據動植物體表可降低挖掘阻力、土壤粘附和運動磨損，為農機耐磨涂層的設計提供全新的設計思路。文中主要從制備技術、耐磨材質以及仿生涂層三個方面評述國內外有關農業機械耐磨涂層的研究報道，概述仿生涂層的研究進展，提出耐磨涂層目前研究的不足及未來發展的方向，以期為農機表面改性相關領域的工程研究和技術發展提供理論支撐和參考信息。

1農業機械耐磨涂層的研究概況

近20年來，國內外學者對農機表面耐磨涂層的制備方法進行了大量研究，耐磨材質的選取主要有鎳鉻合金、碳化鎢、氮化物、陶瓷、氧化鋁等。據不完全統計，科研機構有20多家，國內有關耐磨涂層的研究成果已超過50篇(包括期刊、會議論文、學位論文及專利)，其中成果最為豐碩的是吉林大學(10篇)。具有代表性的研究成果如表1所示。

2農業機械耐磨涂層的研究概況

2.1激光熔覆。激光熔覆是利用高能密度激光束輻照，使涂層材料與基體表面同時熔化，形成稀釋率極低、與基體材料呈冶金結合的工藝方法[10-11]。劉燕[12]采用激光熔覆法在灰鑄鐵表面制備Al2O3/Fe仿生梯度納米復合涂層，首先選擇涂層材料為納米氧化鋁和鐵粉、確定涂層材料的添加方式和粘結劑，其次將一定比例的粉末材料在研缽內混合均勻，加粘結劑并攪拌均勻涂覆于鑄鐵表層，厚度1~2mm，蔭干(24h)。最后通過正交試驗確定合適的激光功率和掃描速度。所制備的納米表面改性層硬度和耐磨性顯著提高，并且涂層中加入一定量的鐵粉促進了熔覆層合金與基體良好的冶金結合，滿足實際工程的需求。但是，激光熔覆組織及形態受到工藝參數、溫度梯度、凝固速度的影響不易控制，因此激光熔覆技術在涂層制備方面仍有一定的局限性，需進一步優化工藝參數。2.2熱噴涂。熱噴涂技術是利用特定熱源將噴涂材料加熱熔化，借助高速氣流將其霧化成極細的熔滴，高速噴射在工件表面的一種表面改性方法[13-14]。梁愛民等[15]通過等離子噴涂技術實現了耐磨涂層的可控制備。具體步驟為：將鉬粉和鉭粉按質量比為4:1或7:3的比例混合，用球磨機研磨使其顆粒度為42~54μm；對工件表面除銹、除污；選擇合適的工藝參數利用離子噴涂設備進行噴涂，以Ar和H2作為保護氣；常溫下，所制備的金屬涂層在微動摩擦試驗中具有高硬度、耐磨、耐蝕的特性，且摩擦系數較低，大幅提高了機械零件的使用壽命，未來有著極佳的應用空間。2.3磁控濺射。磁控濺射是在真空中利用高速粒子轟擊靶表面，使被轟擊的粒子沉積在基體表面的一種表面改性技術。朱琳[16]采用磁控共濺射方法在65Mn鋼表面制備TiNx/CFy復合涂層。具體步驟為：清洗Ti靶材和PTFE靶材，放入65Mn基體，抽真空至2.0×10-3Pa；通入N2氣和Ar氣，待氣壓穩定后，開啟射頻電源和偏壓電源至所需參數；開啟電機旋轉，開始涂層沉積制備；沉積完成后，通入空氣冷卻，取出制備的復合涂層。所得到的涂層硬度高達1500HV，其磨損率可達到納米Al2O3增強PTFE材料的水平，解決了觸土部件在耐沖擊、耐腐蝕、抗滲透性差等問題。磁控共濺射方法為新型耐磨涂層的制備提供了全新的思路，但對涂層與基材界面結合的結構特征研究還不夠透徹，不具備開發大型的適用于各種農機部件的磁控共濺射裝備。2.4釬涂法。釬涂法獲得的涂層優點為：表面平整、加工精度高；涂層與母材冶金結合，結合強度比機械結合高得多；加熱溫度低，較小的熱應力對母材性能影響小等[17-18]。盧廣林[19]通過真空釬焊在45號鋼表面制備立方氮化硼(c-BN)耐磨涂層。采用AgCuTi8Sn2活性釬料釬焊c-BN、釬焊溫度950℃、保溫時間20min時，Ti元素作為活性元素提高了釬料對c-BN單晶顆粒的潤濕性，Sn在釬料合金中起到表面活性元素作用，有效改善釬料的流動性，能實現活性釬料、c-BN顆粒與45鋼三者間的可靠連接，解決了一般焊接材料很難與c-BN連接的問題。然而貴金屬Ag含量高，使得成本較高，在制備復合涂層時具有一定的局限性，并且研究工作缺乏系統性，諸如活性釬料成分、工藝參數、釬料與c-BN界面連接機制與力學性能等。

3耐磨涂層中耐磨材質的研究進展

目前，國內外學者對農機耐磨涂層中耐磨材質的研究主要有：金屬耐磨涂層，包括鎳鉻合金、碳化鎢等合金涂層；非金屬耐磨涂層，包括陶瓷涂層、氧化鋁涂層。3.1金屬耐磨涂層的研究進展。A.Salimi等人[20]通過化學鍍法，在超細WC顆粒上沉積了薄銅膜。然后，將WC-Cu復合粉體加入鎳基釬料中，采用高溫真空釬涂制備自流態合金(NiCrBSi)。所制備的涂層硬度高達1500HV，滿足實際工程的要求，解決了堆焊過程中WC晶粒異常生長現象，并對裸露的WC進行強化。但由于Cu元素的加入，涂層韌性降低，壓痕區域的裂紋萌生和擴展顯著增加。齊劍釗[21]通過正交實驗，研究了不同粒度WC和不同質量分數WC對釬涂層組織結構、力學性能、結合強度及耐磨性能的影響，發現WC顆粒增強的銅基復合涂層可以提高母材表面的耐磨性，最終得出20~30目(較大粒度)的WC含量越高涂層耐磨性越好。但有關WC粒度對復合釬涂層影響機理還沒有完全闡述清楚，有待進一步研究。XuXingpei等[22]將具有不同質量分數的WC(30%，50%和80%)的復合涂層成功涂覆到Q345鋼基材上。將WC粉末軋制成柔性布，并與納米級粘合劑混合，然后根據WC金屬布/BNi-2填充布/Q345鋼的焙燒順序，放入焙燒爐。分析涂層的微觀結構，并測試涂層界面處結合強度，結果表明：三種涂層均出現了WC顆粒的偏析，隨著WC質量分數的增加，涂層中的WC顆粒的偏析逐漸變弱，排列更緊密；涂層與鋼基體冶金結合，質量分數為30%的WC涂層剪切強度最大為302MPa；但涂層中氣孔較多，嚴重降低涂層的機械性能，易發生塑性斷裂。3.2非金屬耐磨涂層的研究進展。卞達[23]等人以磷酸二氫鋁黏結劑與陶瓷骨料(氧化鋁，硅酸鋯，氧化鋯)為原料，制備耐磨、耐高溫金屬基陶瓷涂層；重點研究了復合涂層黏結劑中Al/P比例、骨料粒度變化對耐磨性的影響，但忽略了陶瓷骨料中氧化鋁的含量對復合涂層耐磨性的影響。隨后，黃國棟等[24]研究了納米氧化鋁對涂層的表面形貌、界面結合情況以及對涂層的摩擦磨損性能的影響，結果表明：當氧化鋁的質量占陶瓷骨料總質量的2%時，涂層表面光滑平整，耐磨性最好。氧化鋁的加入促進了涂層與基體的緊密結合，獲得的涂層質量良好，但對涂層的磨損機理沒有完全闡述清楚，有待進一步研究。宋鵬[25]等人利用熱噴涂技術成功制備了高溫耐磨氧化鋁陶瓷基復合涂層，解決了氧化鋁基熱噴涂陶瓷涂層高溫磨損過程中易產生裂紋及裂紋易擴展的問題。通過降低噴涂溫度，抑制熱裂紋產生；在高溫磨損過程中，未熔顆粒周圍的微裂紋擴展方向會發生改變，從而抑制裂紋擴展，增強了涂層的韌性，提高了涂層的耐性能，延長了氧化鋁基高溫耐磨陶瓷復合涂層使用壽命。花國然[26]利用激光熔覆技術在45鋼表面制備改性Al2O3+13%TiO2陶瓷涂層，TiO2的加入降低了涂層的氣孔率和硬度，提高了涂層的致密性和耐磨性。姚舜暉等[27]研究了TiO2含量對Al2O3基涂層磨損性能的影響，在干摩擦條件下，Al2O3基涂層的顯微硬度隨TiO2含量增加而降低，并提出TiO2不利于提高Al2O3基涂層的耐磨性，這與前者的研究是相悖的。總的來說，目前對陶瓷氧化鋁涂層的磨損特性研究還不夠深入、陶瓷類材料脆性大、耐磨涂層難以成形的問題尚未徹底解決。

4仿生耐磨涂層的研究進展

經過億萬年的進化，自然界已演化出適應各種土壤環境的動物，動物體表能夠降低運動過程中土壤粘附和運動磨損，為農機觸土部件的減阻、減粘和耐磨結構設計提供了天然的模板和全新的設計思路。金俊等人[28]深入研究了土壤動物(如蜣螂、蚯蚓等)的減粘脫附機理，通過合理優化結構參數，開發了仿生非光滑犁壁。新型仿生非光滑犁壁具有翻垡好、碎土率高等特點；具有良好的脫土性和耐磨性，減阻率為11%~20%，在水田犁耕有良好的應用前景。馬云海[29]等人根據開溝器和土壤的相互作用過程，并結合蚯蚓非光滑波紋表面形態的減黏脫土機理，制造出仿生開溝器實型，降低作業阻力9%，解決了傳統開溝器在工作過程中易粘土、阻力大的問題。徐德生[30]等人采用高頻釬焊方法在45鋼表面制備了WC/Cu非光滑耐磨復合涂層。復合涂層與45鋼基體為良好的冶金結合，界面區組織致密。所制備的涂層具有高耐磨性，是淬火45鋼和高鉻鑄鐵的12.4倍和4.9倍。農機關鍵零部件的仿生設計取得了階段性的成果，但隨著農業機械化的規模越來越大、觸土部件精度和速度的不斷提高，單純針對土壤動物體表特征分析和仿形進行關鍵部件仿生設計的方法已無法滿足工程實際的要求，因此，在以后的研究中需針對關鍵零部件的使用環境和相適應的動物原型進行分析，將仿生結構設計與土壤動物運動學特性相結合，系統研究減阻耐磨、減粘等特性的作用機理，進一步提高關鍵部件性能。

5研究不足及展望

5.1現有研究的不足。(1)農業機械耐磨涂層的制備缺乏針對性，工藝方法尚未成熟，加工水平低下。激光熔覆法制備的涂層組織及形態受到工藝參數影響，較大的熱輸入量和冷卻速度嚴重影響涂層的組織性能，還需對工藝參數進一步優化。磁控共濺射法還處于實驗室階段，對涂層與基材界面結合的結構特征研究不夠透徹，不具備開發大型的適用于各種農機部件的磁控共濺射裝備。釬焊法缺乏對活性釬料成分、工藝參數、釬料與硬質顆粒界面連接機制與力學性能等系統性的研究。(2)耐磨材質對耐磨涂層組織性能的改善不夠明顯。金屬耐磨涂層中有氣孔、裂紋等缺陷產生，嚴重影響耐磨涂層的力學性能。隨著連接手段的不斷升級，實現了非金屬耐磨材質與鋼基體的連接，但受連接強度的限制，無法應用于工況惡劣的環境，并且對涂層的磨損機理研究不夠透徹，有待進一步研究。(3)仿生耐磨涂層的設計無法滿足工程實際要求。隨著農業機械化的規模越來越大、觸土部件精度和速度的不斷提高，單純針對土壤動物體表特征分析和仿形進行關鍵部件仿生設計的方法已無法滿足工程實際的要求。5.2未來發展方向。(1)最大限度地發揮交叉學科研究優勢，聯合具有技術優勢的龍頭企業和科研院校，改進農機部件表面涂層制備方法，攻克加工工藝和熱處理工藝等技術瓶頸，保證農機關鍵部件的材料性能。(2)尋找新型高耐磨性材料，針對不同的土壤環境和農作物，開發新型耐磨材料，并應用表面改性技術將其應用在農機關鍵部件或易磨損件表面，提高農耕的工作質量和效率。(3)仿生設計農機關鍵部件需針對零部件的使用環境和相適應的動物原型進行分析，仿生農機部件結構設計與土壤動物運動學特性相結合，系統研究減阻耐磨、減粘等特性的作用機理，進一步提高農機關鍵部件綜合性能。

作者:武勝金 王星星 施進發 上官林建 李帥 何鵬 龍偉民 單位:1.華北水利水電大學機械學院 2.哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室 3.鄭州機械研究所有限公司新型釬焊材料與技術國家重點實驗室