农机部件表面耐磨涂层的 国内外研究现状

武胜金 王星星 施进发 上官林建 李帅 何鹏 龙伟民

摘要：随着现代农业机械向大型化、复合化方向发展，对触土部件的综合性能提出了更高的要求，触土部件的优化设计和表面改性已成为国内外学者关注的热点问题。对近20年国内外有关农业机械耐磨涂层的研究报道进行评述，归纳分析涂层制备技术、耐磨材质方面的报道，概述仿生涂层的研究现状，提出耐磨涂层目前研究的不足及未来发展的方向，以期为农机部件表面改性相关领域的研究和技术发展提供理论依据和参考。

关键词：农业机械;触土部件;表面改性;耐磨涂层

中图分类号：TG506;S23        文献标志码：A       文章编号：1001-2003（2020）09-0232-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.25

0 前言

农业机械设备的触土部件如犁壁、犁铧、耙片等在工作时因磨损、腐蚀、粘附引起的早期失效与报废，严重缩短农机的使用寿命[1-3]。随着现代农业机械向大型化、复合化方向发展，对农业机械触土部件的综合性能的要求越来越高[4]，触土部件的优化设计和表面改性成为国内外学术界和产业界关注的热点问题之一。提高触土部件使用寿命的方法主要有三种[5]：（1）合理设计易损件结构;（2）开发新型整体耐磨材料;（3）对易损件表面进行强化处理。通过合理设计易损件结构以降低磨耗、提高使用寿命是有限度的，而新型整体抗磨材料的开发往往受到金属价格的限制[6]。在实际生产中，磨损失效通常发生在部件表层，如矿山机械钻头、农业机械犁铧及犁壁等表面。利用表面强化技术处理零部件表面，所获得的表面层厚度在几微米到几毫米之间，降低了涂层制备的成本;同时可以显著降低磨耗，有效提高硬度、疲劳强度，从而提高部件寿命[7-9]，在耐磨涂层制备过程中具有独特优势而备受青睐。

针对耐磨涂层与基体难以结合的技术瓶颈，国内外学者进行了系统而又深入的研究，主要有：（1）改进传统耐磨涂层的制备方法，提出加工制造耐磨涂层的新方法，如激光熔覆、钎涂等;（2）开展了耐磨涂层中耐磨材质的研究，如镍铬合金、碳化钨、陶瓷氧化铝等，揭示不同耐磨材质对复合涂层组织性能的影响规律;（3）开展仿生耐磨涂层的研究，依据动植物体表可降低挖掘阻力、土壤粘附和运动磨损，为农机耐磨涂层的设计提供全新的设计思路。

文中主要从制备技术、耐磨材质以及仿生涂层三个方面评述国内外有关农业机械耐磨涂层的研究报道，概述仿生涂层的研究进展，提出耐磨涂层目前研究的不足及未来发展的方向，以期为农机表面改性相关领域的工程研究和技术发展提供理论支撑和参考信息。

1 农业机械耐磨涂层的研究概况

近20年来，国内外学者对农机表面耐磨涂层的制备方法进行了大量研究，耐磨材质的选取主要有镍铬合金、碳化钨、氮化物、陶瓷、氧化铝等。据不完全统计，科研机构有20多家，国内有关耐磨涂层的研究成果已超过50篇（包括期刊、会议论文、学位论文及专利），其中成果最为丰硕的是吉林大学（10篇）。具有代表性的研究成果如表1所示。

2 农业机械耐磨涂层的研究概况

2.1 激光熔覆

激光熔覆是利用高能密度激光束辐照，使涂层材料与基体表面同时熔化，形成稀释率极低、与基体材料呈冶金结合的工艺方法[10-11]。刘燕[12]采用激光熔覆法在灰铸铁表面制备Al2O3/Fe仿生梯度纳米复合涂层，首先选择涂层材料为纳米氧化铝和铁粉、确定涂层材料的添加方式和粘结剂，其次将一定比例的粉末材料在研钵内混合均匀，加粘结剂并攪拌均匀涂覆于铸铁表层，厚度1～2 mm，荫干（24 h）。最后通过正交试验确定合适的激光功率和扫描速度。所制备的纳米表面改性层硬度和耐磨性显著提高，并且涂层中加入一定量的铁粉促进了熔覆层合金与基体良好的冶金结合，满足实际工程的需求。但是，激光熔覆组织及形态受到工艺参数、温度梯度、凝固速度的影响不易控制，因此激光熔覆技术在涂层制备方面仍有一定的局限性，需进一步优化工艺参数。

2.2 热喷涂

热喷涂技术是利用特定热源将喷涂材料加热熔化，借助高速气流将其雾化成极细的熔滴，高速喷射在工件表面的一种表面改性方法[13-14]。梁爱民等[15]通过等离子喷涂技术实现了耐磨涂层的可控制备。具体步骤为：将钼粉和钽粉按质量比为4：1或7：3的比例混合，用球磨机研磨使其颗粒度为42～54 μm;对工件表面除锈、除污;选择合适的工艺参数利用离子喷涂设备进行喷涂，以Ar和H2作为保护气;常温下，所制备的金属涂层在微动摩擦试验中具有高硬度、耐磨、耐蚀的特性，且摩擦系数较低，大幅提高了机械零件的使用寿命，未来有着极佳的应用空间。

2.3 磁控溅射

磁控溅射是在真空中利用高速粒子轰击靶表面，使被轰击的粒子沉积在基体表面的一种表面改性技术。朱琳[16]采用磁控共溅射方法在65Mn钢表面制备TiNx/CFy复合涂层。具体步骤为：清洗Ti靶材和PTFE靶材，放入65Mn基体，抽真空至2.0×10-3 Pa;通入N2气和Ar气，待气压稳定后，开启射频电源和偏压电源至所需参数;开启电机旋转，开始涂层沉积制备;沉积完成后，通入空气冷却，取出制备的复合涂层。所得到的涂层硬度高达1 500 HV，其磨损率可达到纳米Al2O3增强PTFE材料的水平，解决了触土部件在耐冲击、耐腐蚀、抗渗透性差等问题。磁控共溅射方法为新型耐磨涂层的制备提供了全新的思路，但对涂层与基材界面结合的结构特征研究还不够透彻，不具备开发大型的适用于各种农机部件的磁控共溅射装备。

2.4 钎涂法

钎涂法获得的涂层优点为：表面平整、加工精度高;涂层与母材冶金结合，结合强度比机械结合高得多;加热温度低，较小的热应力对母材性能影响小等[17-18]。卢广林[19]通过真空钎焊在45号钢表面制备立方氮化硼（c-BN）耐磨涂层。采用AgCuTi8Sn2活性钎料钎焊c-BN、钎焊温度950 ℃、保温时间20 min时，Ti元素作为活性元素提高了钎料对c-BN单晶颗粒的润湿性，Sn在钎料合金中起到表面活性元素作用，有效改善钎料的流动性，能实现活性钎料、c-BN颗粒与45钢三者间的可靠连接，解决了一般焊接材料很难与c-BN连接的问题。然而贵金属Ag含量高，使得成本较高，在制备复合涂层时具有一定的局限性，并且研究工作缺乏系统性，诸如活性钎料成分、工艺参数、钎料与c-BN界面连接机制与力学性能等。

3 耐磨涂层中耐磨材质的研究进展

目前，国内外学者对农机耐磨涂层中耐磨材质的研究主要有：金属耐磨涂层，包括镍铬合金、碳化钨等合金涂层;非金属耐磨涂层，包括陶瓷涂层、氧化铝涂层。

3.1 金属耐磨涂层的研究进展

A. Salimi等人[20]通过化学镀法，在超细WC颗粒上沉积了薄铜膜。然后，将WC-Cu复合粉体加入镍基钎料中，采用高温真空钎涂制备自流态合金（NiCrBSi）。所制备的涂层硬度高达1 500 HV，满足实际工程的要求，解决了堆焊过程中WC晶粒异常生长现象，并对裸露的WC进行强化。但由于Cu元素的加入，涂层韧性降低，压痕区域的裂纹萌生和扩展显著增加。齐剑钊[21]通过正交实验，研究了不同粒度WC和不同质量分数WC对钎涂层组织结构、力学性能、结合强度及耐磨性能的影响，发现WC颗粒增强的铜基复合涂层可以提高母材表面的耐磨性，最终得出20～30目（较大粒度）的WC含量越高涂层耐磨性越好。但有关WC粒度对复合钎涂层影响机理还没有完全阐述清楚，有待进一步研究。

Xu Xingpei等[22]将具有不同质量分数的WC（30%，50%和80%）的复合涂层成功涂覆到Q345鋼基材上。将WC粉末轧制成柔性布，并与纳米级粘合剂混合，然后根据WC金属布/BNi-2填充布/Q345钢的焙烧顺序，放入焙烧炉。分析涂层的微观结构，并测试涂层界面处结合强度，结果表明：三种涂层均出现了WC颗粒的偏析，随着WC质量分数的增加，涂层中的WC颗粒的偏析逐渐变弱，排列更紧密;涂层与钢基体冶金结合，质量分数为30%的WC涂层剪切强度最大为302 MPa;但涂层中气孔较多，严重降低涂层的机械性能，易发生塑性断裂。

3.2 非金属耐磨涂层的研究进展

卞达[23]等人以磷酸二氢铝黏结剂与陶瓷骨料（氧化铝，硅酸锆，氧化锆）为原料，制备耐磨、耐高温金属基陶瓷涂层;重点研究了复合涂层黏结剂中Al/P比例、骨料粒度变化对耐磨性的影响，但忽略了陶瓷骨料中氧化铝的含量对复合涂层耐磨性的影响。随后，黄国栋等[24]研究了纳米氧化铝对涂层的表面形貌、界面结合情况以及对涂层的摩擦磨损性能的影响，结果表明：当氧化铝的质量占陶瓷骨料总质量的2%时，涂层表面光滑平整，耐磨性最好。氧化铝的加入促进了涂层与基体的紧密结合，获得的涂层质量良好，但对涂层的磨损机理没有完全阐述清楚，有待进一步研究。

宋鹏[25]等人利用热喷涂技术成功制备了高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层，解决了氧化铝基热喷涂陶瓷涂层高温磨损过程中易产生裂纹及裂纹易扩展的问题。通过降低喷涂温度，抑制热裂纹产生;在高温磨损过程中，未熔颗粒周围的微裂纹扩展方向会发生改变，从而抑制裂纹扩展，增强了涂层的韧性，提高了涂层的耐性能，延长了氧化铝基高温耐磨陶瓷复合涂层使用寿命。花国然[26]利用激光熔覆技术在45钢表面制备改性Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层，TiO2的加入降低了涂层的气孔率和硬度，提高了涂层的致密性和耐磨性。姚舜晖等[27]研究了TiO2含量对Al2O3基涂层磨损性能的影响，在干摩擦条件下，Al2O3基涂层的显微硬度随TiO2含量增加而降低，并提出TiO2不利于提高Al2O3基涂层的耐磨性，这与前者的研究是相悖的。总的来说，目前对陶瓷氧化铝涂层的磨损特性研究还不够深入、陶瓷类材料脆性大、耐磨涂层难以成形的问题尚未彻底解决。

4 仿生耐磨涂层的研究进展

经过亿万年的进化，自然界已演化出适应各种土壤环境的动物，动物体表能够降低运动过程中土壤粘附和运动磨损，为农机触土部件的减阻、减粘和耐磨结构设计提供了天然的模板和全新的设计思路。

金俊等人[28]深入研究了土壤动物（如蜣螂、蚯蚓等）的减粘脱附机理，通过合理优化结构参数，开发了仿生非光滑犁壁。新型仿生非光滑犁壁具有翻垡好、碎土率高等特点;具有良好的脱土性和耐磨性，减阻率为11%～20%，在水田犁耕有良好的应用前景。马云海[29]等人根据开沟器和土壤的相互作用过程，并结合蚯蚓非光滑波纹表面形态的减黏脱土机理，制造出仿生开沟器实型，降低作业阻力9%，解决了传统开沟器在工作过程中易粘土、阻力大的问题。徐德生[30]等人采用高频钎焊方法在45钢表面制备了WC/Cu非光滑耐磨复合涂层。复合涂层与45钢基体为良好的冶金结合，界面区组织致密。所制备的涂层具有高耐磨性，是淬火45钢和高铬铸铁的12.4倍和4.9倍。

农机关键零部件的仿生设计取得了阶段性的成果，但随着农业机械化的规模越来越大、触土部件精度和速度的不断提高，单纯针对土壤动物体表特征分析和仿形进行关键部件仿生设计的方法已无法满足工程实际的要求，因此，在以后的研究中需针对关键零部件的使用环境和相适应的动物原型进行分析，将仿生结构设计与土壤动物运动学特性相结合，系统研究减阻耐磨、减粘等特性的作用机理，进一步提高关键部件性能。

5 研究不足及展望

5.1 现有研究的不足

（1）农业机械耐磨涂层的制备缺乏针对性，工艺方法尚未成熟，加工水平低下。激光熔覆法制备的涂层组织及形态受到工艺参数影响，较大的热输入量和冷却速度严重影响涂层的组织性能，还需对工艺参数进一步优化。磁控共溅射法还处于实验室阶段，对涂层与基材界面结合的结构特征研究不够透彻，不具备开发大型的适用于各种农机部件的磁控共溅射装备。钎焊法缺乏对活性钎料成分、工艺参数、钎料与硬质颗粒界面连接机制与力学性能等系统性的研究。

（2）耐磨材质对耐磨涂层组织性能的改善不够明显。金属耐磨涂层中有气孔、裂纹等缺陷产生，严重影响耐磨涂层的力学性能。随着连接手段的不断升级，实现了非金属耐磨材质与钢基体的连接，但受连接强度的限制，无法应用于工况恶劣的环境，并且对涂层的磨损机理研究不够透彻，有待进一步研究。

（3）仿生耐磨涂层的设计无法满足工程实际要求。随着农业机械化的规模越来越大、触土部件精度和速度的不断提高，单纯针对土壤动物体表特征分析和仿形进行关键部件仿生设计的方法已无法满足工程实际的要求。

5.2 未来发展方向

（1）最大限度地发挥交叉学科研究优势，联合具有技术优势的龙头企业和科研院校，改进农机部件表面涂层制备方法，攻克加工工艺和热处理工艺等技术瓶颈，保证农机关键部件的材料性能。

（2）寻找新型高耐磨性材料，针对不同的土壤环境和农作物，开发新型耐磨材料，并应用表面改性技术将其应用在农机关键部件或易磨损件表面，提高农耕的工作质量和效率。

（3）仿生设计农机关键部件需针对零部件的使用环境和相适应的动物原型进行分析，仿生农机部件结构设计与土壤动物运动学特性相结合，系统研究减阻耐磨、减粘等特性的作用机理，进一步提高农机关键部件综合性能。

参考文献：

[1] 徐德生， 任露泉， 邱小明， 等. WC/Cu基仿生非光滑耐磨复合涂层的研究[J]. 农业机械学报， 2004， 35（6）： 148-151.

[2] 任露泉， 徐德生， 邱小明， 等. 仿生非光滑耐磨复合层的研究[J]. 农业工程学报， 2001， 17（3）： 11-13.

[3] 郝建军， 许志兴， 马跃进， 等. 灭茬刀具喷焊NiWC的耐磨粒磨損性能[J]. 农业机械学报， 2005， 36（9）： 135-138.

[4] 贾洪雷， 王万鹏， 陈志， 等. 农业机械触土部件优化研究现状与展望[J]. 农业机械学报， 2017， 48（7）： 6-18.

[5] 徐德生. 仿生非光滑耐磨复合涂层的研究[D]. 吉林：吉林大学， 2004： 26-89.

[6] 苗耀新. WC/Cu基合金非光滑耐磨复合层的研究[D]. 吉林： 吉林大学， 2004： 10-60.

[7] 李庆达， 郭建永， 胡军， 等. 土壤耕作部件耐磨减阻处理的研究现状[J]. 表面技术， 2017， 46（2）： 119-126.

[8] 郝建军， 马跃进， 黄继华， 等. 氩弧熔覆Ni60A基耐磨层在农机刀具上的应用[J]. 农业工程学报， 2005， 21（11）： 73-76.

[9] 杨贤群， 王立楠， 孙逸铭， 等. SiC增强镍基耐磨涂层设计及性能分析[J]. 聊城大学学报（自然科学版）， 2016， 29（1）： 47-51.

[10] ERFANMANESH Mohammad， SHOJA-RAZAVI Reza，ABDOLLAH-POUR Hassan， et al. Friction and wear behavior of laser cladded WC-Co and Ni/WC-Co deposits at high temperature[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2019， 62（81）： 137-148.

[11] SERRES Nicolas， HLAWKA Francoise， COSTIL So-phie， et al. Corrosion properties of in situ laser remelted NiCrBSi coatings comparison with hard chromium coatings[J]. Journal of Materials Processing Technology，  2011（211）： 133-140.

[12] 刘燕. 金属材料表面仿生梯度纳米复合涂层的研究[D]. 吉林： 吉林大学， 2006： 8-42.

[13] SERRES Nicolas， HLAWKA Francoise， COSTIL So-phie， et al. Microstructures and mechanical properties of metallic NiCrBSi and composite NiCrBSi-WC layers manufactured via hybrid plasma/laser process[J]. Applied Surface Science， 2011（257）： 5132-5137.

[14] NIRANATLUMPONG Panadda， KOIPRASERT Hat-haipat. Phase transformation of NiCrBSi-WC and NiBSi -WC arc sprayed coatings[J]. Surface & Coatings Technology， 2011（206）： 440-445.

[15] 梁爱民. 一种热喷涂制备耐磨涂层的方法[P]. 中国： ZL201710320633.4， 2017-07-14.

[16] 朱琳. 磁控共溅射制备农机触土部件材料表面耐磨复合涂层研究[D]. 黑龙江： 东北农业大学， 2015： 26-89.

[17] 张启运， 庄鸿寿. 钎焊手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2018： 449-451.

[18] CHEN Jingbai， DONG Yanchun， WAN Lining， et al.Effect of induction remelting on the microstructure and properties of in situ TiN-reinforced NiCrBSi composite coatings[J]. Surface and Coatings Technology， 2018， 33（340）： 159-166.

[19] 卢广林. 立方氮化硼仿生耐磨复合材料的制备及其研究[D]. 吉林： 吉林大学， 2011： 21-72.

[20] SALIMI A， SANJABI S. Influence of Cu shell on theanomalous WC grain growth in Ni-base brazed cladding[J]. Surface & Coatings Technology， 2019， 360： 335-346.

[21] 齐剑钊. WC增强Cu基钎涂涂层的绿色技术研究[D]. 北京： 机械科学研究总院， 2011： 23-69.

[22] XU Xingpei， HE Lingkun， XIA Chunzhi， et al. Mic-rostructure and Interface Bonding Strength of WC-10Ni/NiCrBSi Composite Coating by Vacuum Brazing[J]. High Temperature Materials and Processes， 2019（38）：  60-68.

[23] 卞达， 黄国栋， 赵治安， 等. 耐磨性金属基陶瓷涂层的制备及其高温抗氧化性能[J]. 陕西师范大学学报（自然科学版）， 2013， 41（6）： 46-49.

[24] 黃国栋， 倪自丰， 卞达， 等. 纳米氧化铝对金属基陶瓷涂层性能的影响[J]. 西北大学学报（自然科学版）， 2014， 44（3）： 429-432， 438.

[25] 宋鹏， 李乔磊， 黄太红， 等. 一种高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法[P]. 中国： ZL201811003786.7， 2018-08-30.

[26] 花国然， 黄因慧， 赵剑锋， 等. 激光熔覆纳米Al2O3等离子喷涂陶瓷涂层[J]. 中国有色金属学报， 2004， 14（2）： 199-202.

[27] 姚舜晖， 苏演良， 高文显. 氧化钛含量对氧化铝基涂层磨损性能和机制的影响[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 2011， 43（3）： 204-208.

[28] 金俊， 李建桥， 张广权， 等. 仿生非光滑水田犁壁的设计及田间应用试验[J].农机化研究， 2015， 37（12）： 160-165.

[29] 马云海， 马圣胜， 贾洪雷， 等. 仿生波纹形开沟器减黏降阻性能测试与分析[J]. 农业工程学报， 2014， 30（5）： 36-41.

[30] 徐德生， 任露泉， 邱小明， 等.  WC/Co基仿生非光滑耐磨复合涂层的研究[J]. 农业机械学报， 2004， 35（6）： 148-151.

Research status on surface wear-resistant coating of agricultural machinery

components at home and abroad

WU Shengjin1， WANG Xingxing1， SHI Jinfa1， SHANGGUAN Linjian1

LI Shuai1， HE Peng2， LONG Weimin3

（1.School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China; 2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China; 3.State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals & Technology， Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.， Ltd， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： With the development of modern agricultural machinery in the direction of large-scale and compound， higher requirements have been put forward for the comprehensive properties of the soil-engaging components. The optimization design and surface modification of the soil-engaging components have become a hotspot for scholars at home and abroad. This thesis mainly reviews the research reports about wear-resistant coatings of agricultural machinery in the past 20 years， summarizes the research status of bionic coatings， and puts forward the shortcomings of current research and future development direction of wear-resistant coatings， which can provide the theoretical guide and reference for the research of surface modification about agricultural machinery components.

Keywords： agricultural machinery; soil-engaging components; surface modification; wear-resistant coating