摘要：耕地是农业生产田间作业中最基本的环节，也是浦耗能量最大的作业项目。土壤耕作部件磨损严重一直是亚待解决的技术难题。耕作部件的磨损会导致土壤耕深减少，牵引阻力增加，施拉机燃油消耗增加等问题。提高部件的耐磨性措施包括表面处理及仿生学技术。本文综述了各种表面工程技术在农机部件上的研究现状、优点及前沿趋势，为进一步研究提供理论指导。

    1 农机耕作部件磨损严重
    耕地是指在种植后或休闲的土地上对土壤进行翻耕、疏松、恢复团粒结构的最初作业，为播种、栽植的苗床做准备。耕地是农业生产作业中消耗能量最大的环节。土壤耕作机械是对耕作层土壤进行加工整理的农业机械，主要完成耕翻、深松和旋耕等作业项目，包括桦式犁、圆盘犁、深松机、旋耕机等。
    土壤耕作部件磨损严重一直是函待解决的技术难题。磨损作为农机耕作部件失效的主要原因，已造成巨大的经济损失。据统计，美国每年因磨损造成的经济损失高达1000亿美元，材料消耗约200亿美元，相当于材料的年产量的7%；以犁桦、耙片、旋耕机刀片、收割机刀片、棉花采摘机刀片、颗粒饲料模、粉碎机锤片以及螺旋杆的螺杆等为主的农机易损件，每年消耗钢材约为150～200万t，占我国钢铁产量的0.4％～0.5%，折合人民币约70亿元，磨损造成的经济损失估计超过150亿人民币，还消耗1/3的总能源。
    耐磨材料及表面工程技术发展以来，在航空航天和工业领域的研究和应用较多，而在农业领域应用较少。我国属于典型的农业大国，农业装备每年因摩擦学问题而导致的损失不容忽视。根据调查显示，我国农业装备行业采用先进的摩擦学技术，每年可以节约资金13.96亿元。
    农机耕作部件的磨损以磨粒磨损为主。土壤中硬的颗粒或突起物在摩擦过程中，由于力的作用使耐磨件表面的部分材料产生脱落或位移。磨粒磨损时，作用在硬质点上的力分为垂直分力和水平分力，前者使硬质点压入材料表面，后者使硬质点与表面之间产生相对位移，其结果使被磨损表面产生犁皱或切屑，形成磨损或沟槽，造成了严重的磨损。国外统计的500种典型农机零件的报废表明，约80％是由于磨损，而磨粒磨损排在第一位，占总额的50%，属于强度原因的损坏部分小于10%。部件的磨损会造成机具牵引阻力的显著增加和工作效率的降低。有资料显示，当犁桦刃从1 mm磨损至5 mm时，耕深减少了38%，牵引阻力增加53%，拖拉机燃油消耗增加25%，机组效率下降48%。
    为防止零件因表面局部故障而导致整个零件报废，国内外都在努力研究各种实用、先进、高效的表面工程技术，提高零件的表面性能。

    2 农机耕作部件提高耐磨性的方法
    目前，国内外提高农机耕作部件耐磨性的方法主要有三种：(1）应用高耐磨性、高硬度的新材料，提高工作部件性能；(2）易磨损件储备材料的备份，如犁桦背部的“钢材储备”结构，利用锻造延伸法延长使用寿命；(3）表面工程技术，包括表面改性、表面涂层等表面技术，将具有优秀抗磨损特性的材料通过一定的工艺技术与基体材料结合，得到耐磨性更好的表面。据资料显示，国外几乎都对耕作部件进行了表面处理，以强化其特殊性能。
    国内农业机械领域对于耐磨材料的应用方面尚处于初级试验阶段。国内的许多学者经过探索研究，获得奥一贝组织、新型铸态贝氏体等，耐磨性明显优于基体材料；对农机触土部件表面进行了喷焊、火焰熔覆、等离子堆焊及等离子喷涂、激光强化等表面处理，提高耐磨性和使用寿命。

    3 典型表面工程技术的特点及应用
    3.1堆焊技术
    堆焊是利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆焊成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法。堆焊具有修复与表面强化两大功能。影响堆焊层性能的主要因素是堆焊层的合金成分和组织性能。由于堆焊主要在于发挥堆焊层的特殊性能，所以除修补零件可用相同或相近于基体金属的焊接材料外，一般都使用具有特殊成分和性能的焊接材料，所以堆焊又有异种材料焊接的特点。为了保证堆焊层的特殊性能，堆焊时要尽量降低稀释率。堆焊合金与基体金属的相变温度和膨胀系数等物理性能要尽量接近。
    堆焊的方法有很多，包括电弧堆焊、等离子弧堆焊、电渣堆焊、氧一乙炔焰堆焊等。根据所采用的工艺不同，堆焊层的厚度为0.8～15 mm。其中，等离子弧堆焊是利用等离子弧高温加热的一种熔化堆焊方法，具有堆焊层性能好、工件熔深浅、堆焊层稀释率低、成形好、加工余量小等一系列优点，且易实现机械化和自动化。
    堆焊技术是农机部件耐磨处理中最常用的技术，但存在热影响区大，工件易变形，且无法堆焊薄壁、具有空间曲面形状的工件，所以对农机部件的厚度和表面形状具有挑剔性，导致此方法无法大面积推广应用。
    黑龙江八一农垦大学的胡军、张新洋等对深松铲尖进行等离子堆焊涂层的制备与性能研究，结果表明，表面等离子弧堆焊处理后的深松铲铲尖的耐磨性相对未处理的国产铲尖的耐磨性提高了约1.7倍。佳木斯大学的王俊发、焦仁宝等对深松铲铲尖进行堆焊处理，试验表明，深松铲的耐磨料磨损性能显著提高，耕作寿命与普通犁铲相比提高2～3倍。河北农业大学韩照坤、樊云飞等对深松铲进行火焰喷焊处理，喷焊后深松铲的显微硬度约为原深松铲的2倍，摩擦系数约为原深松铲的1/2，使用寿命提高1倍，喷焊后的深松铲具有较好的耐磨性。
    由此可见，堆焊方法虽然技术成熟、操作简便，但处理的部件部位均为平面结构。除此之外，堆焊的优势在于熔覆效率比热喷焊要高，但稀释率比热喷焊大得多。
    3.2热喷涂技术
    热喷涂技术可以有效改善基体材料表面的耐磨性、耐蚀性等性能，它是表面工程技术的重要组成部分，约占表面工程技术的三分之一。此技术现已被国家列入“十一五”计划和2020年远景规划中要大力发展的先进制造技术。
    热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术工艺灵活、操作程序少，涂层厚度可以控制。喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制，因此可以在金属、陶瓷、塑料等材料上进行喷涂，并且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形小。
    热喷涂的工艺方法包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂。近年来，热喷涂技术获得了飞速的发展，应用领域不断扩展，且发展到由单一的涂层制备发展到制备各种功能涂层，包括产品失效分析，表面预处理，涂层材料和设备的研制、选择、涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程，成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科。
    在农业机械耕作部件应用方面，黑龙江八一农垦大学的李庆达、胡军、张伟等对农机具触土部件等离子喷涂用耐磨涂层材料、喷涂装置及喷涂方法进行了研究，本发明的涂层材料配方合理，方法和装置结构简单，喷涂效果好，涂层材料与触土零部件基体结合强度高，耐磨性能强，使用寿命长。河北农业大学的郝建军、朱灵晓等研究了等离子喷涂镍基涂层及其在农业刀具上的应用，结果表明涂层显微硬度有所提高，约为910HV 、摩擦系数降低，约为0.23左右，磨损表面表现为轻微的磨粒磨损。李玲、王维新等对犁桦刃面进行火焰喷涂处理，结果表明犁桦刃面耐磨性能大大提高，使用寿命提高数倍以上。甘肃农业大学的杨卉、黄晓鹏等综述了热喷涂技术在农业机械减磨中的应用现状，并对热喷涂技术在农业上应用的研究方向作出预测”。
    3.3激光表面改性技术
    激光表面改性技术种类很多，可分为不改变基材表面成分和改变基材表面成分两种。其中，激光熔覆是材料表面工程的一种先进的改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，形成稀释率极低的、基体与熔覆材料冶金结合的表面熔覆层。激光熔覆技术可达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了贵重稀有金属材料，是一种经济效益很高的新技术。激光熔覆技术具有熔覆层稀释率低、热变形小、微观缺陷少、结合强度高、对环境无污染等优点，是今后表面改性的主要研究方向。
    世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。国外于20世纪80年代开始对激光溶覆研究，我国于20世纪90年代初期开始研究激光熔覆。我国科学工作者在激光熔覆基础理论研究方面处于国际先进水平，为激光熔覆技术的发展做出了巨大的贡献。但另一方面，我国激光熔覆技术的应用水平和规模还不能适应市场的需求。激光熔覆技术的全面工业化应用，仍需重点突破制约其发展的关键因素，解决工程应用中涉及的关键技术。
    目前，激光熔覆技术的研究重点是熔覆设备的研制与开发，熔覆动力学，合金成分设计，微裂纹形成、扩展和控制，熔覆层与基体之间的结合等。激光熔覆技术具有很大的技术经济效益和社会效益，可广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海、航空航天和石油化工等领域。
    激光熔覆技术具有熔覆件变形小、易于实现自动化的特点。激光熔覆处理后的部件强度可达原强度的90％以上。而大部分农机耕作部件，如犁体曲面、旋耕刀表面等均具有空间曲面结构，常用的堆焊方法热影响大，薄壁部件容易变形，严重时则会击穿部件，导致部件无法成型。表面喷涂的方法虽然零部件的尺寸不受限制，但喷涂射流、粉尘、噪音、弧光等对人体和设备都有较大伤害。据所查文献资料，激光熔覆技术在农机耕作部件上的应用很少，若能将激光熔覆技术的优点应用在农机耕作部件上，将是一个创新的研究方向。

    4 结论
    (1）农机部件磨粒磨损严重，各种耐磨材料和耐磨技术在农机耕作部件上的应用还处于初级阶段。
    (2）对农机部件上常用的各种典型表面工程技术的研究现状、优点及前沿趋势进行综述，为耕作部件耐磨技术的研究提供指导。