CN112935728A - 一种低阻力耐磨犁铲尖的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农机具的生产加工领域，具体地说是一种低阻力耐磨犁铲尖的制造方法。在犁铲尖坯料头部正、背面加工出沟槽，每个沟槽方向与犁铲尖两侧平行边方向呈一定角度有规律的分布于犁铲尖头部正、背面；在沟槽内堆敷耐磨涂层，耐磨涂层高出犁铲尖基体平面；犁铲尖头部两侧基体表面全部直接堆敷耐磨涂层，无需开沟槽。采用本发明生产的犁铲尖，可大幅度降低犁铲尖入土和行进过程中的阻力，同时减少了动力装备前进过程中的部分牵引阻力；由于作业过程中受到的阻力变小，采用本发明生产的犁铲尖的使用寿命会相应增长；采用本发明中犁铲尖的耐磨涂层堆敷在犁铲尖坯料的沟槽内部，通过增加与基体的结合面积提升其稳定性。

Description

一种低阻力耐磨犁铲尖的制造方法

技术领域：

本发明涉及农机具的生产加工领域，具体地说是一种低阻力耐磨犁铲尖的制造方法。

背景技术：

农机触土部件在作业过程中，长期承受来自土壤中石英、长石、植物硅酸体等硬质颗粒以及作物残茬与秸秆、杂草的频繁冲击与磨损。根据不完全统计，约有80％的农机触土部件因磨料磨损过早失效，犁铲、旋耕刀、开沟器等农机触土部件的过早失效严重制约着作业质量和作业效率，还增加了农业生产成本。同时，频繁的更换失效的刀具还增加了劳动强度，延误了农时。为了改善农机触土部件的耐磨性能，众多国内外学者利用氩弧熔覆、激光熔覆、等离子堆焊等方法，在触土部件的易磨损表面制备耐磨层，如：运用氩弧熔覆技术在碳钢表面制备了Ni基合金耐磨层，耐磨层形貌良好，试验结果显示氩弧熔覆技术可用于农机触土部件的制造和修复；利用氧乙炔火焰喷焊技术在灭茬刀具上制备了Ni-WC耐磨层，试验结果表明WC对镍基合金产生弥散强化、晶界强化和固溶强化的作用，提升了耐磨层的耐磨性能；利用等离子喷焊技术在犁铧表面制备了Ti(C,N)-WC复合陶瓷涂层，喷焊处理后的犁铧耐磨性明显有所提高；利用反应氮弧熔覆技术在旋耕刀上制备了TiCN/Fe金属陶瓷涂层，涂层形貌良好，显微硬度高，田间试验表明同种工况下，经过耐磨处理的旋耕刀的使用寿命是普通65Mn旋耕刀的2倍。由此可见，以上技术方法均在不同程度上，对农机触土部件的耐磨性能和使用寿命具有积极的影响，但是上述方法多存在设备价格高昂、工艺流程复杂和耐磨材料成本较高等不足。

在农机具耐磨部件领域中犁铲尖是最具有代表性的入土部件，其使用寿命与产品耐磨性和作业土壤环境等密切相关。农机生产厂家多采用表面涂敷耐磨层的方式来增强犁铲尖的耐磨性、提升使用寿命。目前市场上犁铲尖耐磨层的堆敷方式和外形结构多种多样，但是均是在基体表面直接进行堆敷。然而，犁铲尖耐磨层多采用成本较低铁基材料涂敷而成，这类材料通常具有硬度高、脆性大、易开裂等特点。若犁铲尖涂敷耐磨层后进行常规淬火处理，则耐磨层及与耐磨层结合处会产生开裂造成剥落现象；若犁铲尖涂敷耐磨涂层后不进行淬火处理，其使用性能将严重降低，会出现变形、磨损快等问题。犁铲尖表面堆敷耐磨涂层的形式多种多样，其中以双侧整体表面堆敷形式最为常见，见图1。耐磨合金的硬度一般在HRC60～68，较犁铲尖基体硬度大幅度提高，虽然耐磨性可能提高1～3倍，但在使用过程中，表面堆覆耐磨合金的犁铲尖存在如下问题：

1)堆敷耐磨合金层仅在基体的表面形成冶金结合，虽然硬度高，但脆性大，旋耕刀使用过程中高速旋转下撞击石块时很容易导致耐磨合金层崩裂、脱落，耐磨效果变差；

2)表面熔覆合金层，增加了犁铲尖头部厚度，增加了入土、行进的阻力，特别在土壤硬度高或粘性大的地块，消耗动力显著提高，经济性差。

3)通常为了确保表面涂层的完整性，需要选用韧性较好的高成本涂层原料或者采用复杂的热处理工艺进行焊后热处理，降低了生产效率，增加能耗。

发明内容：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种低阻力、耐磨损、长寿命犁铲尖的制造方法，通过改变堆敷涂层与基体冶金结合面积，对犁铲尖进行局部堆敷耐磨涂层。这种方法改变了传统的表面整体涂敷方式，采用有规律的局部沟槽堆焊方式，局部堆焊的耐磨涂层应力也会相应的减小，降低了应力开裂的几率；同时，沟槽中堆敷耐磨涂层，使犁铲尖基体局部得到强化且增加了与耐磨涂层的冶金结合面积，增加了耐磨涂层的结构稳定性，可以大幅度提高犁铲尖的整体耐磨性，从而达到提升使用寿命的目的。

本发明的技术方案是：

一种低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，在犁铲尖坯料头部正、背面加工出沟槽，每个沟槽方向与犁铲尖两侧平行边方向呈一定角度有规律的分布于犁铲尖头部正、背面；在沟槽内堆敷耐磨涂层，耐磨涂层高出犁铲尖基体平面；犁铲尖头部两侧基体表面全部直接堆敷耐磨涂层，无需开沟槽。

所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，沟槽横截面形状为下底在犁铲尖表面、上底在犁铲尖内部的倒梯形；根据犁铲尖使用需求，正、背两侧沟槽数量为5～11条不等，沟槽间距在7～12mm范围内选定。

所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，沟槽横截面下底长度为7～12mm，沟槽横截面上底长度为3～7mm，沟槽深度为5～10mm。

所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，所有沟槽方向与犁铲尖两侧平行边方向呈10～20°夹角，并朝犁铲尖头部次顶点方向平行分布。

所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，根据犁铲尖的使用需求，沟槽内堆敷耐磨涂层上表面距离基体表面高度在1～6mm范围内选定。

所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，为了确保两侧头部的耐磨性不低于经局部堆敷强化的部位，在犁铲尖头部两侧基体表面直接堆敷1～6mm的耐磨涂层。

所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，犁铲尖基体合金材料为65Mn或60Si2Mn，堆敷的耐磨涂层合金材料为Ni60、Fe60、NiWC或FeWC，或者堆敷的耐磨涂层合金材料为耐磨合金焊条D708、D998或D999，堆敷方式为氩弧、等离子、激光、火焰或电弧，生产流程如下：模锻坯料→表面喷丸→预热→堆焊→焊后缓冷→热处理→喷漆→包装入库。

本发明的设计思想如下：

采用模锻的方式生产犁铲尖坯料；然后通过喷砂、抛丸等方式对犁铲尖进行表面处理；采用氩弧、电弧、等离子弧等热源将耐磨材料熔化后堆敷在沟槽中和犁铲尖两侧头部，堆敷高度高于犁铲尖表面；堆敷工序完成后进行整体淬火+回火处理，主要工艺流程如下：

模锻→表面处理→焊前预热→堆焊→焊后缓冷→热处理→喷漆→成品

本发明的关键技术在于犁铲尖的结构设计，这些结构的参数是依据犁铲尖的安装角度、翻转犁作业需求和作业土壤环境等因素设定和选择的，具体说明如下：

1)在生产犁铲尖坯料时，在其头部正、背面加工出若干有一定间距且具有特定形状的沟槽。

沟槽横截面形状为下底在犁铲尖表面，上底在犁铲尖内部的倒梯形，这种设计结构相当于焊接中的开坡口，其优点是有利于熔融状态下的耐磨材料充分与基体结合，同时获得内部质量良好的耐磨涂层；根据犁铲尖将要装配的设备机型、作业特点和作业土壤环境确定正、背两侧开沟槽的数量，通常为5～11条不等；沟槽间距则受沟槽数量影响一般7～12mm范围内选定；

2)沟槽与犁铲尖两平行边方向呈一定角度有规律的分布于犁铲尖头部，且朝向头部次顶点方向平行分布。

沟槽方向与犁铲尖两侧平行边方向呈10～20°夹角沟槽方向主要受作业设备机型及作业特点影响，通过调整犁体角度可使犁铲尖涂层条带方向与动力装备前进方向平行，从而达到较小阻力的目的。

3)在沟槽内堆敷耐磨涂层，耐磨涂层高出犁铲尖基体平面一定距离；犁铲尖头部两侧基体表面全部直接堆敷耐磨涂层，无需开沟槽。

为了确保犁铲尖的入土性能，犁铲尖头部两侧的属于刃型结构，因此不需选用开沟槽方式进行堆焊。为了确保两侧头部的耐磨性不低于经局部堆敷强化的部位，需要在犁铲尖头部两侧基体表面直接堆敷1～6mm的耐磨涂层；

4)根据犁铲尖的使用需求，犁铲尖头部正、背面的沟槽内堆敷耐磨涂层上表面距离基体表面高度在1～6mm范围内选定。

使用耐磨材料堆敷满的沟槽部位耐磨性和强度大大提升，未堆敷耐磨涂层的部位则相对耐磨性较差，容易磨损。因此，将沟槽部位堆敷高于表面一定高度，使相邻的两个耐磨涂层形成突出屏障，对中间未经堆敷的基体材料形成保护，减少磨损。

以上几点关键技术参数的选择是相辅相成的，例如：在沙土土壤环境中，犁铲尖的沟槽数量就要尽可能的增加，耐磨涂层高度可以适中，这样既可以减少犁铲尖基体材料的磨损又不增加翻转犁前进的阻力；若在石头地中作业，犁铲尖的沟槽数量就要相应减少，耐磨涂层厚度尽可能增加，这样有利于较大减小与大石块的摩擦阻力，减轻翻转犁的作业负担。以局部填充、堆敷方式代替整体涂敷，减少了耐磨材料的使用，降低了成本。

本发明的优点及有益效果如下：

1)采用本发明生产的犁铲尖，可大幅度降低犁铲尖入土和行进过程中的阻力，同时减少了动力装备前进过程中的部分牵引阻力；由于作业过程中受到的阻力变小，采用本发明生产的犁铲尖的使用寿命会相应增长。

2)本发明中犁铲尖的耐磨涂层堆敷在犁铲尖坯料的沟槽内部，通过增加与基体的结合面积提升其稳定性，耐磨涂层的堆敷方式适用于多种类型耐磨材料，完成耐磨涂层堆敷工序后可以采用基体常规热处理工艺进行处理。

3)采用本发明的犁铲尖耐磨性和使用寿命可达到无涂层犁铲尖的3倍以上；堆敷材料相同的情况下，采用本工艺生产的犁铲尖使用寿命是表面整体涂覆耐磨涂层犁铲尖的1.5倍，且耐磨材料用量减少，可降低成本。

4)本发明的生产制造方法易于推广，在现有生产线上进行调整和改进即可实现，改造成本低。

附图说明：

图1为头部整体表面涂敷的进口犁铲尖图片。

图2为犁铲尖入土工作状态示意图。图中，1模型边界，2沙地土壤，3犁铲尖。

图3为实施例1犁铲尖正面涂层堆敷示意图。

图4(a)-图4(b)为实施例1犁铲尖背面涂层堆敷及头部截面示意图。其中，图4(a)为犁铲尖背面涂层堆敷示意图，图4(b)犁铲尖头部A-A截面示意图。

图5为实施例2堆敷方式例示意图。

图6为实施例3堆敷方式例示意图。

图7为实施例4堆敷方式例示意图。

具体实施方式：

在具体实施过程中，本发明采用犁铲尖常用的材料65Mn和60Si2Mn制造刀坯，可选用多种耐磨合金材料进行堆敷，如：Ni60、Fe60、NiWC、FeWC等，还可以选用多种耐磨合金焊条，如：D708、D998、D999等，并根据不同的耐磨合金材料，选择适宜的堆敷方式，如：氩弧、等离子、激光、火焰、电弧等，常规热处理的生产工艺进行处理，生产流程如下：模锻坯料→表面喷丸→预热→堆焊→焊后缓冷→热处理→喷漆→包装入库。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例基体采用60Si2Mn犁铲尖坯料，耐磨合金选用Fe60焊材，使用氩弧焊堆焊进行耐磨涂层制作，具体生产工序如下：

(1)60Si2Mn下料，冲裁成360mm×100mm×22mm长方块；

(2)模锻成型，犁铲尖头部正面开设5条平行均布的沟槽，犁铲尖头部背面开设6条平行均布的沟槽，犁铲尖正面沟槽与背面沟槽交错设置，其作用是：确保犁铲尖基体全部处于耐磨层的加强保护下，有利于提升犁铲尖的磨损均匀性，防止局部磨损现象发生。

如图3、图4(a)所示，沟槽间距为10mm，每个沟槽方向均与犁铲尖两侧平行边方向呈夹角15°，并朝犁铲尖头部次顶点a方向平行分布；沟槽横截面形状为下底在犁铲尖表面、上底在犁铲尖内部的倒梯形，这种设计结构相当于焊接中的开坡口，沟槽横截面下底长度为7～12mm，沟槽横截面上底长度为3～7mm，沟槽深度为5～10mm。

(3)表面抛丸处理；

(4)预热，将犁铲尖加热到500℃，保温30分钟；

(5)氩弧焊堆敷耐磨涂层于沟槽内，且耐磨涂层凸出于犁铲尖基体表面3～4mm，见图4(b)；

另外，犁铲尖头部两侧基体表面全部直接堆敷耐磨涂层，无需开沟槽，耐磨涂层高(厚)度约3～4mm。

(6)缓冷，将堆敷耐磨涂层后的犁铲尖放入550℃以上(本实施例为600℃)烘箱中，随烘箱缓冷至室温；

(7)热处理，将犁铲尖再加热到820℃，保温30分钟，油淬至室温后，在460℃下保温2小时进行回火，经清理、涂漆后，包装入库，完成生产。

犁铲尖基体硬度46～47HRC，平均冲击功8J；耐磨涂层与基体为冶金结合，耐磨涂层硬度HRC 62～63。

实施例2

如图5所示，犁铲尖头部每个沟槽方向均与犁铲尖两侧平行边方向平行，生产制造方式与实施例1完全相同，性能和硬度指标与实施例1基本一致。

实施例3

如图6所示，犁铲尖头部每个沟槽方向均与犁铲尖两侧平行边方向垂直，生产制造方式与实施例1完全相同，性能和硬度指标与实施例1基本一致。

实施例4

如图7所示，犁铲尖头部沟槽为两部分呈鱼刺形分布，一部分沟槽方向均与犁铲尖两侧平行边方向呈夹角12°，另一部分沟槽与犁铲尖两侧平行边方向垂直，生产制造方式与实施例1完全相同，性能和硬度指标与实施例1基本一致。

如图2所示，模型边界1内装有沙地土壤2，犁铲尖3入土工作状态，通过犁铲尖3对沙地土壤2进行作业。经田间作业考核验证：作业相同面积时，实施例1和实施例4的耐磨性能最好，实施例2的耐磨性能次之，实施例3磨损失重量最大；实施例1犁铲尖作业过程中动力装备的受到的阻力最小，油耗相同的情况下，动力装备装配实施例1犁铲尖作业的行进速度比装配实施例2、实施例3和实施例4的犁铲尖时快1km/h。

实施例结果表明，本发明低阻力耐磨犁铲尖主要特点是基体尖部有一定数量相同角度的沟槽，沟槽内部两侧与犁铲尖表面有一定角度呈倒梯形，这些沟槽用于填充以冶金结合方式的耐磨材料制备的涂层。首先将犁铲尖坯料沟槽内部清理干净，采用氩弧、电弧、等离子弧等热源将耐磨材料熔化后堆敷其中，堆敷高度高于犁铲尖表面；堆敷工序完成后进行整体淬火+回火处理，确保犁铲尖基体获得合适的力学性能。

Claims (7)

1.一种低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，其特征在于，在犁铲尖坯料头部正、背面加工出沟槽，每个沟槽方向与犁铲尖两侧平行边方向呈一定角度有规律的分布于犁铲尖头部正、背面；在沟槽内堆敷耐磨涂层，耐磨涂层高出犁铲尖基体平面；犁铲尖头部两侧基体表面全部直接堆敷耐磨涂层，无需开沟槽。

2.按照权利要求1所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，其特征在于，沟槽横截面形状为下底在犁铲尖表面、上底在犁铲尖内部的倒梯形；根据犁铲尖使用需求，正、背两侧沟槽数量为5～11条不等，沟槽间距在7～12mm范围内选定。

3.按照权利要求2所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，其特征在于，沟槽横截面下底长度为7～12mm，沟槽横截面上底长度为3～7mm，沟槽深度为5～10mm。

4.按照权利要求1所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，其特征在于，所有沟槽方向与犁铲尖两侧平行边方向呈10～20°夹角，并朝犁铲尖头部次顶点方向平行分布。

5.按照权利要求1所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，其特征在于，根据犁铲尖的使用需求，沟槽内堆敷耐磨涂层上表面距离基体表面高度在1～6mm范围内选定。

6.按照权利要求1所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，其特征在于，为了确保两侧头部的耐磨性不低于经局部堆敷强化的部位，在犁铲尖头部两侧基体表面直接堆敷1～6mm的耐磨涂层。

7.按照权利要求1所述的低阻力耐磨犁铲尖的制造方法，其特征在于，犁铲尖基体合金材料为65Mn或60Si2Mn，堆敷的耐磨涂层合金材料为Ni60、Fe60、NiWC或FeWC，或者堆敷的耐磨涂层合金材料为耐磨合金焊条D708、D998或D999，堆敷方式为氩弧、等离子、激光、火焰或电弧，生产流程如下：模锻坯料→表面喷丸→预热→堆焊→焊后缓冷→热处理→喷漆→包装入库。

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