基于JMatPro的深松铲尖耐磨材料的设计与试验

沙 龙，胡 军，刘昶希，车宁飞，李庆红

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江省保护性耕作工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

农业机械的使用在农业生产中起到重要作用，保护性耕作作为新兴的农业生产模式，成为农业机械发展的新趋势，但同时，如何提高其触土部件的耐磨性能是一个亟待解决的问题。磨损普遍存在于机械产品中，每年因磨损在农机领域造成的损失巨大，国内外专家对如何提高金属材料的耐磨性方面做了大量研究[1]。

本文以深松铲尖为研究对象，使用JMatPro软件辅助设计一种新成分耐磨铸钢，进行性能模拟计算，并将其与农场最常用的三种深松铲的成分(高锰钢65Mn，低合金钢45钢，球墨铸铁QT600-3)进行对比研究，使用显微硬度计、万能磨损试验台等设备，通过硬度检测与耐磨性等方面进行分析，探究了不同的材质对深松铲尖耐磨性能的影响。

1 成分设计

综合考虑合金元素在钢中的作用，以低合金耐磨铸钢ZG40CrMnSiMo钢为基体，在其化学成分上进行固有元素的增减和新元素的增加[2]，用JMatPro软件对新成分的热力学性能和机械性能模拟计算，选取最佳成分[3]。最终在ZG40CrMnSiMo钢的化学成分中提高碳(C)元素含量来提高钢的屈服强度、抗拉强度和硬度[4]，增添钒(V)元素与碳(C)形成碳化物、细化晶粒，增强钢的耐磨性的同时减弱碳(C)元素降低韧性的影响[5]，以期能得到具有综合优良性能的新材料。ZG40CrMnSiMo钢化学成分见表1，自设试验钢1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo的化学成分见表2。将自设试验钢的化学成分输入JMatPro软件的得出相组成图见图1。

表1 ZG40CrMnSiMo钢的化学成分 单位：wt%

表2 新成分试验钢的化学成分 单位：wt%

图1 自设试验钢相组成图

由图1可知自设试验钢的液相线温度为1 431.97 ℃，固相线温度为1 280.00 ℃，此时奥氏体相含量达到最大值99.31%，A1温度为759.95 ℃，A3温度为882.25 ℃。在室温下自设试验钢的平衡组织为87.05%F+9.03%Fe3C+2.84%M7C3+0.88%M(C，N)+0.148%M2P。

2 耐磨性试验

2.1 试验材料

该研究主要是设计研制适合农机触土部件使用的新成分低合金耐磨铸钢，耐磨性是重要指标，适用性是综合因素。除考虑自设试验钢的性能外，还应考虑自设试验钢是否拥有实际应用价值。故选择农场常用于深松铲尖的三种钢材加入研究对比。所选三种材料分别是高锰钢65Mn，球墨铸铁QT600-3，低合金钢45钢。该研究中使用的自设试验钢深松铲尖由合作单位沈阳工业大学制作，深松铲尖的制作采用浇铸法，工艺流程为：配料→熔炼→浇铸→脱模→去冒口。熔炼设备选用30 kg中频感应炉，熔炼温度1 500 ℃，使用硅铁作为变质剂，脱氧后出炉采用砂型铸造法进行浇铸，浇注温度为1 450～1 480 ℃。浇铸完成后对其进行热处理，处理方法为淬火+回火。将铸件放入预热至750 ℃的箱式电阻炉中，加热至880 ℃，保温2 h后取出，进行油淬，然后放入预热至230 ℃的箱式电阻炉中保温40 min，冷却至室温。三种对比钢材的深松铲尖取用从农场得来的成品铲尖。因实验室试验所用的设备限制，需先将试验材料处理成合适形状以便使用，故将设计的自设试验钢经过热处理后用金相切割机切成40 mm×20 mm×10 mm的试块，三种对比钢材的深松铲尖也进行同样处理，每种成分的钢材制备若干以备试验。

2.2 硬度检测试验

使用显微维氏硬度计对四种钢材试块进行硬度测试，在试样上随机取 10 个点测量其硬度，通过计算机汇总，所得结果为自设试验钢、65Mn钢、45钢、球墨铸铁QT600-3四种材料的平均硬度分别为697.31HV、432.46HV、212.34HV、213.6HV。自设试验钢的硬度要高于其他三种材料。

2.3 摩擦磨损试验分析

在本次的试验研究中，采用万能磨损试验机为主要工作机械进行磨损试验，探究四种试验材料的耐磨性能。在磨损试验进行时，选用了直径为 6 mm 的氧化锆磨球，磨损半径为 6 mm，试验时机器的转速设置为80 r·min-1，磨损压力为 50 N，试验时间为 7 200 s。在该试验中，有一个不可忽视的重要因素，即试验误差。出于对试验所得数据的准确性考虑，将每一组都准备了三块相同的试样，分三组进行试验[6]。在试验前，先用精密电子天平对试样进行质量的测量,对各组试件称量三次取平均值，称重后记录其重量为m0。在完成本次试验之后，使用无水乙醇浸泡磨损的试验样本，并使用超声波清洗机将该试样外层残余的杂质洗净，使用干燥设备烘干，称重后记录其重量为m1。并依据此计算磨损失重Δm。磨损失重数值如表3所示。

表3 摩擦磨损试验失重值 单位：mg

Δm=m0-m1

(1)

由表3可知，在相同试验条件下四种试验材料磨损失重结果为，45钢 >球墨铸铁QT600-3> 65Mn钢>自设试验钢 ，即四种材料中自设试验钢耐磨性最好。 自设试验钢磨损失重为65Mn钢的79%，为球墨铸铁QT600-3的58%，为45钢的53%，即四种材料中，自设试验钢耐磨性最好。

2.4 摩擦系数分析

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。摩擦系数由表面粗糙度决定，摩擦系数越小越不容易产生磨损，相应的耐磨性越好。通过物体运动的性质分析得出，其可分为两类，即动摩擦系数与静摩擦系数。滑动摩擦力的产生原因是两物体相互接触发生相对滑动。在 500 N 的压力作用下，摩擦 3 600 s，得到图2，从图中可以发现，开始时摩擦系数迅速上涨，在300～900 s之间四种材料的摩擦系数处于波动阶段，然后摩擦系数逐渐趋于平稳。四种材料的摩擦系数平均值，自设试验钢为0.51，65Mn钢为0.53，45钢为0.62，球墨铸铁QT600-3为0.58，只从摩擦系数考虑四种材料的耐磨性，自设试验钢>65Mn钢>球墨铸铁QT600-3>45钢，与磨损失重基本吻合。

1.45钢；2.球墨铸铁；3.65Mn；4.自设试验钢

2.5 田间试验

深松铲尖田间试验的主要目的是验证不同材料在与土地发生摩擦的工作条件下的作业效果，分析其磨损规律，验证自设试验钢的实用性能。选用了包含自设试验钢在内的四种材料制作深松铲尖，分别为自设试验钢深松铲尖、65Mn钢深松铲尖、45钢深松铲尖、球墨铸铁QT600-3深松铲尖，其主要区别在于深松铲尖材料不同。

试验前，对四种深松铲尖进行质量称量，安装深松铲尖并做好标记，进入试验地点进行深松磨损试验，耕深300 mm。作业完成后清理深松铲，对标记点进行记录，对深松产质量进行称量记录。深松铲的基本参数见表4所示。

表4 不同成分深松铲田间试验参数

由上表可知，在相同的耕作条件下，经过109 h的耕作，自设试验钢深松铲尖的磨损失重为65Mn钢的89%，为球墨铸铁QT600-3的71%，为45钢的70%，即自设试验钢耐磨性>65Mn钢耐磨性>球墨铸铁QT600-3耐磨性>45钢耐磨性，与之前的模拟分析结果和实验室试验结果互相印证。在4种成分的深松铲尖中，自设试验钢的耐磨性最好，其耐磨性大于耐磨钢65Mn和其余两种材料，实用性得到验证。

3 结论

实验室检测试验与田间试验结果表明，自设试验钢1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo与65Mn钢、球墨铸铁QT600-3、45钢三种对比材料相比硬度最高，磨损失重最少，耐磨性最佳，证明自设试验钢1C1Si1.2Mn1.2Cr0.5V0.25Mo耐磨性高于三种对比材料，可以应用于农机触土部件(如深松铲尖)等易磨损部件。