一种高耐磨性的田间触土农具的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高耐磨性的材料的制备方法。

背景技术

田间触土部件主要包括犁铧、耙片、圆盘刀、旋耕刀、锄铲等，是农机耕作作业过程中的核心部件，触土耐磨部件的工作可靠性已成为提升我国大、中型田间耕整地机械作业质量，缩小与国外进口机具差距的关键因素之一。

土壤对农机触土部件的磨损造成了大量的经济损失，农业机械的磨损主要集中在犁铧、旋耕刀、圆盘刀、锄铲等田间触土部件。触土部件抵抗土壤与作物残茬磨损而保持其工作刃口锋利性的能力是影响机具破茬碎土、能耗、耕作效率等性能指标的关键因素。如犁铧磨钝，刃口从1mm增至5mm，耕深降低38％，牵引阻力增加53％，油耗提高25％，机组作业效率下降48％。

目前，农具大部分是低碳钢，硬度低，且不能淬火，高碳钢容易崩刃，且现有提高农具表面耐磨性的方法技术难度大，成本高，耐磨性差。

发明内容

本发明的目的是要解决现有田间触土农具的的硬度低，容易崩刃，耐磨性差和制备方法技术难度大，成本高的问题，而提供一种高耐磨性的田间触土农具的制备方法。

一种高耐磨性的田间触土农具的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、称取田间触土农具的原料：

按照田间触土农具的化学组成计算投料比例，称取原料，得到田间触土农具的原料；

步骤一中所述的田间触土农具的化学成分按照元素质量分数由C：0.28％～0.52％、Mn：0.50％～0.95％、Si：1.80％～2.10％、Cr：0.75％～0.92％、B：0.08％～0.20％、Ti：0.05％～0.13％、Ni：3.00％～4.50％、N：0.10％～0.25％、P≤0.02％、S≤0.02％和余量为Fe组成；

二、将田间触土农具的原料加入到电炉内冶炼成钢水，当钢水温度达到1680℃～1720℃时，将钢水在搅拌和温度为1680℃～1720℃下保温3h～5h，再浇入铸型，得到田间触土农具铸件；

三、将田间触土农具铸件从室温以150℃～200℃的升温速率升温至1050℃～1150℃，在1050℃～1150℃下保温3h～4h，再以100℃～150℃的降温速率从1050℃～1150℃降温至650℃～750℃，在650℃～750℃下保温1h～2h，再以80℃～120℃的降温速率从650℃～750℃降温至450℃～550℃，在450℃～550℃下保温4h～6h，再自然冷却至室温，得到热处理后的田间触土农具铸件；

四、将石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管混合后在氩气的保护下进行差速混合球磨，得到混合粉末；

五、以松香和松油的混合物为粘结剂，将混合粉末混合后涂覆在热处理后的田间触土农具铸件表面，再放入温度为120℃～150℃的干燥箱中干燥2h～3h，得到涂覆后的田间触土农具铸件；

六、将涂覆后的田间触土农具铸件置于高频感应熔覆设备中，再启动高频感应熔覆设备，将电流从400A升至1600A，当混合粉末熔融时，再将电流降至400A，铸件自然冷却至室温，得到高耐磨性的田间触土农具。

本发明的优点：

一、本发明田间触土农具的化学成分中含有C、Mn、Si、Cr、B、Ti、Ni、N、P和S元素；其中P和S元素为杂质元素；C是钢中的基本元素，对钢的强度、硬度和耐磨性都有很大的影响；本发明田间触土农具为中碳钢，解决了农具使用低碳钢导致农具的硬度低，且不能淬火的问题，同时也解决了农具使用高碳钢容易崩刃的问题；Si能强化铁素体，提高抗拉强度和弯曲强度；Cr能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力；B与Ti可形成细小的硼化钛，改善钢的强度和耐磨性，同时Ti能防止晶间腐蚀；Ni与Cr需要配合，Ni可以使高铬钢的组织发生变化，从而改善钢的耐腐蚀性能，同时Ni可以提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力；

二、本发明采用差速混合球磨的方法将石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管混合，差速混合球磨的方法使混合的更均匀，防止在熔覆过程中石墨烯发生团聚的现象；

三、本发明在田间触土农具铸件表面涂覆石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管，再熔覆，显著提高了田间触土农具铸件的耐磨性和抗腐蚀能力；

四、本发明通过严格限定田间触土农具铸件中各元素成分及各元素的含量，使得制备的田间触土农具铸件具有硬度高、高塑性，高温耐磨性好的特点，具有良好的综合力学性能，成本低，利于工业化生产；

五、本发明制备的高耐磨性的田间触土农具的抗拉强度可达1710MPa，屈服强度可达965MPa，洛氏硬度可达74.1HRC。

本发明可获得一种高耐磨性的田间触土农具。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式一：本实施方式一种高耐磨性的田间触土农具的制备方法是按以下步骤完成的：

一、称取田间触土农具的原料：

按照田间触土农具的化学组成计算投料比例，称取原料，得到田间触土农具的原料；

步骤一中所述的田间触土农具的化学成分按照元素质量分数由C：0.28％～0.52％、Mn：0.50％～0.95％、Si：1.80％～2.10％、Cr：0.75％～0.92％、B：0.08％～0.20％、Ti：0.05％～0.13％、Ni：3.00％～4.50％、N：0.10％～0.25％、P≤0.02％、S≤0.02％和余量为Fe组成；

二、将田间触土农具的原料加入到电炉内冶炼成钢水，当钢水温度达到1680℃～1720℃时，将钢水在搅拌和温度为1680℃～1720℃下保温3h～5h，再浇入铸型，得到田间触土农具铸件；

三、将田间触土农具铸件从室温以150℃～200℃的升温速率升温至1050℃～1150℃，在1050℃～1150℃下保温3h～4h，再以100℃～150℃的降温速率从1050℃～1150℃降温至650℃～750℃，在650℃～750℃下保温1h～2h，再以80℃～120℃的降温速率从650℃～750℃降温至450℃～550℃，在450℃～550℃下保温4h～6h，再自然冷却至室温，得到热处理后的田间触土农具铸件；

四、将石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管混合后在氩气的保护下进行差速混合球磨，得到混合粉末；

五、以松香和松油的混合物为粘结剂，将混合粉末混合后涂覆在热处理后的田间触土农具铸件表面，再放入温度为120℃～150℃的干燥箱中干燥2h～3h，得到涂覆后的田间触土农具铸件；

六、将涂覆后的田间触土农具铸件置于高频感应熔覆设备中，再启动高频感应熔覆设备，将电流从400A升至1600A，当混合粉末熔融时，再将电流降至400A，铸件自然冷却至室温，得到高耐磨性的田间触土农具。

本实施方式的优点：

一、本实施方式田间触土农具的化学成分中含有C、Mn、Si、Cr、B、Ti、Ni、N、P和S元素；其中P和S元素为杂质元素；C是钢中的基本元素，对钢的强度、硬度和耐磨性都有很大的影响；本实施方式田间触土农具为中碳钢，解决了农具使用低碳钢导致农具的硬度低，且不能淬火的问题，同时也解决了农具使用高碳钢容易崩刃的问题；Si能强化铁素体，提高抗拉强度和弯曲强度；Cr能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力；B与Ti可形成细小的硼化钛，改善钢的强度和耐磨性，同时Ti能防止晶间腐蚀；Ni与Cr需要配合，Ni可以使高铬钢的组织发生变化，从而改善钢的耐腐蚀性能，同时Ni可以提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力；

二、本实施方式采用差速混合球磨的方法将石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管混合，差速混合球磨的方法使混合的更均匀，防止在熔覆过程中石墨烯发生团聚的现象；

三、本实施方式在田间触土农具铸件表面涂覆石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管，再熔覆，显著提高了田间触土农具铸件的耐磨性和抗腐蚀能力；

四、本实施方式通过严格限定田间触土农具铸件中各元素成分及各元素的含量，使得制备的田间触土农具铸件具有硬度高、高塑性，高温耐磨性好的特点，具有良好的综合力学性能，成本低，利于工业化生产；

五、本实施方式制备的高耐磨性的田间触土农具的抗拉强度可达1710MPa，屈服强度可达965MPa，洛氏硬度可达74.1HRC。

本实施方式可获得一种高耐磨性的田间触土农具。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的田间触土农具的原料的化学成分按照元素质量分数由C：0.28％～0.40％、Mn：0.50％～0.75％、Si：1.80％～1.90％、Cr：0.75％～0.82％、B：0.08％～0.10％、Ti：0.05％～0.08％、Ni：3.00％～3.50％、N：0.10％～0.15％、P≤0.02％、S≤0.02％和余量为Fe组成。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的田间触土农具的原料的化学成分按照元素质量分数由C：0.40％～0.52％、Mn：0.75％～0.95％、Si：1.90％～2.10％、Cr：0.82％～0.92％、B：0.10％～0.20％、Ti：0.08％～0.13％、Ni：3.50％～4.50％、N：0.15％～0.25％、P≤0.02％、S≤0.02％和余量为Fe组成。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中将田间触土农具的原料加入到电炉内冶炼成钢水，当钢水温度达到1680℃～1700℃时，将钢水在搅拌和温度为1680℃～1700℃下保温4h～5h，再浇入铸型，得到田间触土农具铸件。其它步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三中将田间触土农具铸件从室温以150℃～180℃的升温速率升温至1050℃～1100℃，在1050℃～1100℃下保温3h～3.5h，再以100℃～120℃的降温速率从1050℃～1100℃降温至650℃～700℃，在650℃～700℃下保温1h～1.5h，再以80℃～100℃的降温速率从650℃～700℃降温至450℃～500℃，在450℃～500℃下保温4h～5h，再自然冷却至室温，得到热处理后的田间触土农具铸件。其它步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三中将田间触土农具铸件从室温以180℃～200℃的升温速率升温至1100℃～1150℃，在1100℃～1150℃下保温3.5h～4h，再以120℃～150℃的降温速率从1100℃～1150℃降温至700℃～750℃，在700℃～750℃下保温1.5h～2h，再以100℃～120℃的降温速率从700℃～750℃降温至500℃～550℃，在500℃～550℃下保温5h～6h，再自然冷却至室温，得到热处理后的田间触土农具铸件。其它步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤四中所述的混合粉末中石墨烯粉末的质量分数为0.5％～0.8％、超支化聚甘油的质量分数为0.6％～1.0％、碳纳米管的质量分数为1.2％～2.0％，余量为铁粉。其它步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中所述的差速混合球磨的过程为：首先在球磨速度为500r/min的条件下顺时针球磨2h，然后在球磨速度为400r/min的条件下逆时针球磨2h。其它步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤五中所述的松香和松油的混合物中松香与松油的质量比为1:(3～4)。其它步骤与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤五中将混合粉末混合后涂覆在热处理后的田间触土农具铸件表面，涂层厚度为1.5mm～2.5mm。其它步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种高耐磨性的田间触土农具的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、称取田间触土农具的原料：

按照田间触土农具的化学组成计算投料比例，称取原料，得到田间触土农具的原料；

步骤一中所述的田间触土农具的化学成分按照元素质量分数由C：0.40％、Mn：0.75％、Si：1.90％、Cr：0.82％、B：0.10％、Ti：0.08％、Ni：3.50％、N：0.15％、P≤0.02％、S≤0.02％和余量为Fe组成；

二、将田间触土农具的原料加入到电炉内冶炼成钢水，当钢水温度达到1700℃时，将钢水在搅拌和温度为1700℃下保温4h，再浇入铸型，得到田间触土农具铸件；

三、将田间触土农具铸件从室温以180℃的升温速率升温至1100℃，在1100℃下保温3.5h，再以120℃的降温速率从1100℃降温至700℃，在700℃下保温1.5h，再以100℃的降温速率从700℃降温至500℃，在500℃下保温5h，再自然冷却至室温，得到热处理后的田间触土农具铸件；

四、将石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管混合后在氩气的保护下进行差速混合球磨，得到混合粉末；

步骤四中所述的混合粉末中石墨烯粉末的质量分数为0.65％、超支化聚甘油的质量分数为0.8％、碳纳米管的质量分数为1.5％，余量为铁粉；

步骤四中所述的差速混合球磨的过程为：首先在球磨速度为500r/min的条件下顺时针球磨2h，然后在球磨速度为400r/min的条件下逆时针球磨2h；

五、以松香和松油的混合物为粘结剂，将混合粉末混合后涂覆在热处理后的田间触土农具铸件表面，再放入温度为130℃的干燥箱中干燥3h，得到涂覆后的田间触土农具铸件；

步骤五中所述的松香和松油的混合物中松香与松油的质量比为1:3.5；

步骤五中将混合粉末混合后涂覆在热处理后的田间触土农具铸件表面，涂层厚度为2mm；

六、将涂覆后的田间触土农具铸件置于高频感应熔覆设备中，再启动高频感应熔覆设备，将电流从400A升至1600A，当混合粉末熔融时，再将电流降至400A，铸件自然冷却至室温，得到高耐磨性的田间触土农具。

实施例二：本实施例与实施例一的不同点在于：步骤一中所述的田间触土农具的化学成分按照元素质量分数由C：0.30％、Mn：0.90％、Si：2.00％、Cr：0.85％、B：0.20％、Ti：0.05％、Ni：4.20％、N：0.15％、P≤0.02％、S≤0.02％和余量为Fe组成。其它步骤及参数与实施例一均相同。

实施例三：本实施例与实施例一的不同点在于：步骤一中所述的田间触土农具的化学成分按照元素质量分数由C：0.52％、Mn：0.62％、Si：2.10％、Cr：0.76％、B：0.15％、Ti：0.12％、Ni：3.00％、N：0.15％、P≤0.02％、S≤0.02％和余量为Fe组成。其它步骤及参数与实施例一均相同。

实施例一至三的力学性能数据见表1所示。

表1

将实施例二步骤三得到的热处理后的田间触土农具铸件和实施例二步骤六得到的高耐磨性的田间触土农具在M-200磨损试验机上进行对磨试验，磨损时间为40min，结果表明，实施例二步骤六得到的高耐磨性的田间触土农具的磨损量为0.0028g，而实施例二步骤三得到的热处理后的田间触土农具铸件的磨损量为0.1096g，由此可知，利用石墨烯粉末、超支化聚甘油、铁粉和碳纳米管熔覆层的共同作用提高了田间触土农具铸件的耐磨性。