熱處理參數對破茬圓盤刀組織和性能影響的試驗研究

郭明慧，李寶玉

（黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319）

0 引 言

免耕播種機破茬圓盤刀是保護性耕作機具的關鍵作業部件,其破茬性能、耐磨性能以及硬度等的好壞直接影響播種機的播種效果。國外目前已經有很多廠家生產制造圓盤刀，而且產品種類齊全。雖然不同廠家生產的圓盤刀無論從性能上和外形上都有所差異，但是所有的圓盤刀都要求最終具有良好的切茬性能和耐磨性能［1］。國內制作的圓盤刀破茬性能不好，且壽命相對較短。而國外進口的圓盤刀價格又比較昂貴，所以有必要將國外的圓盤刀進行國產化。

目前研究破茬圓盤刀材質及其熱處理的報道很少見，通過實驗分析研究國內外圓盤刀存在的差異，圓盤刀的選材和加工工藝的確定將為今后圓盤刀的國產化提供有力支持，也為試制圓盤刀奠定了基礎［2］。

1 國內外圓盤刀的材質對比分析

1．1 化學成分分析

對進口件與國產件進行掃描電鏡能譜分析，發現國外進口的圓盤刀外形和尺寸基本一樣，圓盤的選材上均是合金鋼［2］，進一步的分析和研究發現進口的圓盤刀材料都是特殊配制的，其中還含有少量的Cr、Al、Ti 等元素，而國產件使用的是65Mn 鋼，這可能是圓盤在性能上和破茬能力上存在很大差異的原因之一。

1．2 顯微組織和顯微硬度

除了對材質化學成分進行分析處，還需進一步對其晶粒度及金相組織等方面進行分析。對進口圓盤刀和國產圓盤刀的金相組織檢驗結果發現，進口圓盤刀的晶粒度較國產圓盤刀的晶粒度細很多，由于圓盤刀的工作環境并不需要很高的溫度，故細化晶?？梢蕴岣唔g性。金相組織檢驗發現國產件的組織主要為珠光體+少量鐵素體+少量馬氏體，而進口圓盤刀的組織主要為馬氏體。由于馬氏體具有較高的強度、硬度及耐磨性，這可能也是進口圓盤刀比國產圓盤刀性能好的另一原因。

1．3 熱處理制度及熱處理參數

在對圓盤刀進行金相組織檢驗時還發現，國產圓盤刀的組織為珠光體和少量的鐵素體、馬氏體，是退火狀態。進口圓盤刀的組織主要為馬氏體組織，經過了退火和低溫回火處理。由于馬氏體是圓盤刀性能差異的重要原因，而熱處理與金相組織的關系是密不可分的，國外的各個廠家的圓盤刀熱處理制度各不相同，所以熱處理制度及熱處理參數的不同是對圓盤刀性能產生差異的重要原因。

2 圓盤刀的國產化研究

由于我國的保護性耕作起步較晚，并且我國科研人員把大部分的時間和精力都投入在對保護性耕作機械（如不同類型的免耕播種機）及其它機具的研究開發上，而沒有重視免耕播種機械上相關部件的研究，圓盤刀就是其中的一種。近年來國內同行也開始意識到圓盤刀的重要性，如中國農機研究院、大興農機研究所及個別企業已做過相關方面的研究，但制作出來的圓盤破茬性能不夠好，而且壽命相對較短，無法滿足目前國內市場的需求，所以仍主要依賴進口，這從很大程度上限制了我國的保護性耕作的整體發展。所以，提高我國圓盤刀的性能非常有必要。而圓盤刀的國產化研究主要是從選材和熱處理制度及參數上進行改善。

2．1 材料的選擇

免耕播種機破茬圓盤刀的工作環境較為惡劣，常在潮濕性的土壤中和帶有腐蝕性的肥料、農藥以及各種復雜的地形、地表周圍進行耕作，土壤中的砂石和硬塊也會對圓盤刀造成一定程度的磨損，機器還會受到沖擊和振動，故對圓盤的韌性、硬度、耐磨性和耐蝕性都有較高的要求。所以圓盤刀材料的選擇顯得尤為重要。通過對國內外圓盤材料的分析發現，雖然均是合金鋼，但外國選用了特殊的鋼材，而國內一直選用65Mn 鋼材。出于對圓盤刀的性能以及經濟適應性等方面考慮，試驗選用了傳統的65Mn 合金鋼材料，然后對所制造的圓盤刀進行相關的檢驗和優化，以提高圓盤刀的性能。

2．2 熱處理方案的制定

表1 試驗用鋼的化學成分質量分數%

將材質為65Mn 的玉米免耕播種機破茬圓盤刀作為研究對象，對其進行熱處理，觀察金相組織和測量洛氏硬度及其耐磨性，從而確定出最佳的工藝參數。

2.2.1 實驗用鋼的化學成分

所用試樣化學成分見表1。

2.2.2 熱處理過程的設計

從對圓盤刀的分析來看，國產圓盤刀的組織為珠光體和少量的鐵素體、馬氏體，是退火狀態，而進口圓盤刀的組織主要為馬氏體組織，經過了淬火和低溫回火處理。

1）正火處理工藝參數的確定。

65Mn 正火的目的之一是為了改善切削加工性能。一般正火加熱溫度為Ac3+（30～50 ℃）。由于正火時一般采用熱爐裝料，加熱過程中工件內溫差較大，為了縮短工件在高溫時的停留時間，而心部又能達到要求的加熱溫度，所以采用稍高于完全退火的溫度。一般正火保溫時間以工件燒透(即心部達到要求的加熱溫度)為準［3］。

對65Mn 進行正火處理的另一個目的是為后續熱處理提供適宜的組織狀態。為了獲得較細的珠光體和分散度較大的鐵素體，應該適當增大冷卻速度［4］，故最終將圓盤刀的正火溫度定為820～840 ℃。

2）淬火工藝參數的確定。

65Mn 淬火最終目的是獲得馬氏體組織，從而提高65Mn 的硬度和耐磨性。淬火加熱是熱處理的核心工藝，所以選擇合理的加熱溫度、保溫時間、淬火介質是提高圓盤刀性能的重要措施［5］。

a.淬火溫度的確定。由鋼的熱處理原理可知，將65Mn加熱到Ac3線以上30～50 ℃，即810～860 ℃，保溫一定時間后，在水或油中快速冷卻，以獲得馬氏體組織。

b.淬火介質的確定。通常淬火介質有水淬、油淬兩種。淬火介質的選擇對于圓盤刀試樣的冷卻速度有著至關重要的作用，由于水淬冷卻速度過快易使圓盤刀產生裂紋，所以本文選擇淬火介質為油。

3）回火工藝參數的確定。

通常熱處理是65Mn 試件工藝的最后一道工序，因此，把淬火和回火的聯合工藝稱為終極熱處理?；鼗鸬哪康氖菫榱私档痛嘈?，減少內應力，防止變形開裂；調整鋼件的力學性能，穩定組織，保證工件尺寸、外形不發生改變。對65Mn 進行回火處理是非常有必要的。本實驗對65Mn 合金鋼采用中溫回火，得到回火屈氏體，既可以保證一定強度和硬度，又有良好的塑性和韌性。

2.3 試驗結果分析

通過對實驗結果的分析，保溫時間對于圓盤刀的硬度影響不大，而淬火及回火溫度是影響圓盤刀硬度、耐磨性的重要因素。其中，在對實驗結束后的試樣進行晶粒度評定和金相組織分析時發現，820 ℃加熱淬火時鋼中有少量未溶鐵素體，而860 ℃淬火時鋼中馬氏體晶粒粗大，雖具有較高強度，但塑性和韌性較差。原因是其亞結構為孿晶，滑移系少，難以塑性變形，而高碳馬氏體在成一定交角的快速成長過程中容易互相碰撞，從而形成裂紋，故易斷裂也是其塑性差的原因之一［6］。所以淬火溫度初步定在840 ℃。在其它條件相同的情況下，回火溫度為390 ℃時，所獲得的圓盤刀硬度為40～46 HRC，硬度較高，耐磨性也較好?；鼗饻囟葹?90 ℃。

2．4 優化熱處理參數

通過對該實驗結果進一步的研究和分析，由于65Mn鋼的淬火介質傳統上使用油當作淬火介質，回火只要在空氣中冷卻即可的特點，需要對初定的兩個溫度進行優化。通過多次試驗和分析，最終確定淬火溫度依然保持在840 ℃，而回火溫度調整至390～400 ℃。

3 結 論

1）通過實驗前的調查研究分析得出了國產與進口圓盤刀性能差異的原因：是國內外的選材不同，二是熱處理制度的不同。

2）通過對所查資料的分析及對實驗的制定以及實驗結果的分析，從根本上改變了熱處理方式和制度，并通過多次實驗最終確定了熱處理的參數，即淬火和回火溫度。

3）圓盤刀合適的熱處理參數的確定，有益于推動免耕播種機圓盤刀的國產化，并將為成功試制圓盤奠定基礎。

［1］ 顏巧燕.免耕播種機開溝圓盤熱處理工藝數值模擬［D］.北京：中國農業大學，2007：32-42.

［2］ 魏小波，李洪文，凌剛，等.免耕播種機開溝圓盤材質與加工工藝的研究［J］.農機化研究，2007（1）：96-99.

［3］ 姜彥鋒.壓力容器熱處理的幾個問題［J］.石油和化工設備，2010，13（9）：26-28.

［4］ 夏立芳.金屬熱處理工藝學［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007：78-81.

［5］ 杜永英，李成華，馬業鵬，等.旋耕滅茬刀熱處理參數對耐磨性影響的試驗研究［J］.農機化研究，2006（3）：120-122.

［6］ 李志仁.65Mn 鋼熱處理工藝的改進［J］.國外金屬熱處理，2000，21（3）：44-45.