可再制造的适于秸杆全量还田的大耕深旋耕刀

摘要

一种可再制造的适于秸杆全量还田的大耕深旋耕刀，其特征是它的刀尖回转半径R不小于280毫米,并采用以下方法制造而得：首先，采用65Mn或60Si2Mn作为原材料经过锻造得到满足尺寸和形状要求的坯料；然后，对所得坯料进行整体热浸渗处理，在坯料表面整体形成一层深度为10-150微米、硬度不小于1000HV的热浸渗硬化层，得到表面整体带有硬化层的中间坯料；第三，将表面整体带有硬化层的中间坯料进行热处理，热处理工艺为整体淬火+中温回火，得到心部为回火屈氏体、表面为热浸渗硬化层的大耕深旋耕刀。本发明旋耕刀具有表面高硬度和心部高韧性及高强度的特性，能保证一次连续或累计150小时大耕深（>20cm）旋耕作业的需要；同时，本发明旋耕刀可重复制造，大大降低了旋耕刀的综合成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种农业机械，尤其是一种农村农田作业中使用的旋耕刀，具体地说是一种可再制造的适于秸杆全量还田的大耕深旋耕刀。

背景技术

目前，多茬留田耕作及秸杆全量还田耕作发展很快，我国将茬口全量还田看成是增加土壤有机质，制止土壤板化，实现农业可持续发展的一项重要举措。但是，一到收获季节，绝大多数秸秆还是被农民偷偷烧掉，这种焚烧秸秆的掠夺性种植行为致使土壤越烧越板、越烧越瘦，同时焚烧秸秆也严重地污染了环境，高速公路被烧得撞车频繁，飞机场被烧得飞机不能起飞，这均成为收获季节各大新闻媒体的热点。据不完全统计，每年全国焚烧秸秆6亿吨，相当于2亿吨化肥的氮当量付之一炬。尽管秸杆的燃料化、颗粒化、饲料化发展很快，但规模还是非常小，秸杆的最主要去处仍然是还田。

秸杆还田耕作分为农场和农村两种作业方法。农场大型机械作业采用犁耕20～22cm深+耙地+播种作业。20～22cm耕深能充分将秸杆与足够的泥土混合，土壤中的秸杆比例小，前茬秸杆腐化过程中与作物争氮的问题达不到影响作物生长的程度，最终达到秸杆无负作用还田的目的。这一工艺全国农垦系统已经用了50多年，到目前为止仍是采用这种工艺。这种工艺需三道工序、三次作业才能完成耕作，它的耕作成本很高。农村一般采用旋耕机作业，将旋耕、埋茬、播种一次性完成。复式作业程度高、省工节本，但该工艺存在的最大缺陷是目前的旋耕机耕作深度小于16cm。大量的前茬秸杆埋在不足16cm深的土壤中，造成土壤中的秸杆比例太高，秸杆在土壤中腐化之前要吸氮，特别是稻后麦，耕播后遇上冬天气温低，秸杆不能马上腐化。来年春天正赶上小麦拔节需要大量拔节肥时，土壤中秸杆遇到温度适宜而腐化吸氮，造成与小麦争拔节肥的局面，严重影响小麦生长发育。对于麦后稻，虽然采用水耕法使得总体耕深略深2cm左右，但仍然不能满足要求，仍存在着秸杆比例太高的问题。由于犁的结构纵向很长，结构上很难实现秸杆全量埋田的复式作业功能。因此，研制大耕深旋耕机成为解决这一问题的重要途径，而与之适配的大耕深旋耕刀更是重中之重。

国内市场上的主流旋耕刀为刀尖回转半径为245mm的旋耕刀，配置国内最大功率（120马力）的旋耕机，其耕深为14-16cm，即使采用GB/T 5669-2008中最大规格的旋耕刀（刀尖回转半径为260mm），其耕深也不足18cm。尽管国际上生产大功率（耕深）旋耕机厂商较多，如法国库恩公司生产的一种EL 201-400型动力驱动方式旋耕机，采用L型锻钢刀，刀尖回转半径为300mm，最大作业深度达26cm。但是，一方面，出于技术保密或者其他原因，我国现阶段大功率（耕深）旋耕机及与之相配的旋耕刀仅能依靠进口，价格非常昂贵；另一方面，由于地理环境和种植作物的不同，国外目前的大耕深旋耕刀均不适合我国主要农业区实施多茬长茬当季茬的作业。

申请人尝试过采用现有旋耕刀制造方法，其主要工艺流程为下料—锻造—淬火—刀身低温回火（获取硬度为48~54HRC的回火马氏体，满足耐磨性的要求）—刀柄中温回火（获取硬度为38~45HRC的回火屈氏体，满足刀柄韧性和抗弯强度的要求）—防锈处理，制造了按同比例放大至刀尖回转半径为300mm的旋耕刀。当旋耕刀厚度不增加时，由于刀身整体组织均为回火马氏体其硬度高、脆性大，在大耕深旋耕作业100小时过程中，旋耕刀折断率高达30%以上；当旋耕刀厚度也同比例增加时，在大耕深旋耕作业100小时过程中，旋耕刀折断率仍为20%左右，且能耗相对于不增加旋耕刀厚度时增加了15%左右。根据上述分析，大耕深旋耕刀应具有表硬心韧的组织结构特征。刘国勋等公开了一种采用二氧化碳气体保护焊在表层焊接一层碳化硅然后经1000~1100℃辊压成型的旋耕刀（CN101473714A）。虽然这种旋耕刀具有表硬心韧的组织结构，但是由于其需要在1000~1100 ℃辊压成型带来一系列的问题。比如，根据本领域已有知识，1000~1100 ℃辊压成型后空冷相当于正火处理，同时由于加热温度太高奥氏体组织粗大，很难获得常规正火处理后性能，更谈不上达到淬火+中温回火处理的性能，旋耕刀心部抗冲击和抗变形的性能较差。再如，由于这种旋耕刀的基体、焊接区和表层属于异种材料，其热物性参数差别很大，若采用辊压成型后旋耕刀进行淬火+中温回火处理改善基体性能的措施，极易造成表层破坏。所以，这种旋耕刀及其制造方法是无法满足大耕深旋耕刀的性能要求。

此外，由于目前旋耕刀刀身硬度偏低，在土壤等的作用下磨损较大，其使用寿命一般为100h左右，若进一步考虑其在酸、碱等介质中极易被腐蚀，使用寿命则会更低，而且报废的旋耕刀只能作为废料回炉重炼，无法实现再制造，其综合成本较高。这也是目前农民宁肯偷偷地将秸秆烧掉而不愿意使其还田的另一重要原因。

因此，到目前为止，我国尚未得到一种经济实用的适于秸秆全量还田大耕深旋耕刀及其制造方法，更没有一种能重复利用的旋耕刀可供使用，很大程度地限制了秸秆全量还田技术的推广，一定程度上制约了我国实现农业可持续发展这项工作的深入开展。

发明内容

本发明的目的是针对现有的旋耕刀因整体韧性及抗弯强度和表面耐磨性无法同时满足大耕深作用要求，导致国内20cm以上耕深旋耕作业基本处于空白状态，使得秸杆全量还田效果较差，农民对秸秆还田抵触情绪严重的问题，设计一种能同时满足整体抗弯强度及韧性和表面硬度要求且在旋耕刀磨损后可再制造的适于秸杆全量还田的大耕深旋耕刀。

本发明的技术方案是：

一种可再制造的适于秸杆全量还田的大耕深旋耕刀，其特征是它的刀尖回转半径R不小于280毫米,并采用以下方法制造而得：

首先，采用65Mn或60Si2Mn作为原材料经过锻造得到满足尺寸和形状要求的坯料；

然后，对所得坯料进行整体热浸渗处理，在坯料表面整体形成一层深度为10-150微米、硬度不小于1000HV的热浸渗硬化层，得到表面整体带有硬化层的中间坯料；

第三，将表面整体带有硬化层的中间坯料进行热处理，热处理工艺为整体淬火+中温回火，得到心部为回火屈氏体、表面为热浸渗硬化层的大耕深旋耕刀，以同时满足大耕深旋耕作业对旋耕刀整体韧性及抗弯强度的要求和大耕深对旋耕刀表面抗磨损性能的要求，使得旋耕刀的连续或累计作业时间不小于150小时。

所述的再制造是指在所述的大耕深旋耕刀作业时间达到150小时或刀刃部分的表面硬化层厚度小于2微米后（此时旋耕刀的磨损量很小，即使是磨损最为严重的刀刃部分其磨损量也不足150微米，旋耕刀整体尺寸及刃形尺寸仍在GB/T 5669-2008中规定的范围之内，再加上热浸渗处理为合金元素浓度驱动的表面处理工艺，即进行再次热浸渗其整体尺寸和渗层尺寸及性能改变不大），将其从作业设备上拆下清洁后再次进行整体热浸渗处理，使所述旋耕刀表面整体再次形成厚度为10-150微米、硬度不小于1000HV的热浸渗硬化层以保证其抗磨损性能的要求，然后再进行整体淬火+中温回火，使所述旋耕刀的心部保持回火屈氏体组织以保证其韧性及抗弯强度能满足大耕深使用要求。

所述的热浸渗硬化层为渗硼、渗铬、渗钛、渗钒和渗铌以及含稀土的所述各种共渗处理获得的渗层。

所述的整体淬火+中温回火的工艺规范为：（830~870℃）×15min油淬，冷至室温后，进行（420~450℃）×2h的中温回火。

本发明的有益效果：

（1）本发明的大耕深旋耕刀，其心部组织均为回火屈氏体，其韧性较现有旋耕刀刀身组织回火马氏体高出1倍以上，能满足大耕深（>20cm）旋耕作业对旋耕刀整体韧性及抗弯强度的要求。

（2）本发明的大耕深旋耕刀，其表层为高硬度（大于1000HV）的热浸渗硬化层，切土更加锋利、阻力小、具有自锐性，硬化层深度为10~150μm，硬度比GB/T 5669-2008中规定质量指标（48HRC~54HRC）高15.5~21.5HRC以上，具有更好的耐磨性。

（3）本发明的大耕深旋耕刀，由于其表面硬化层在酸、碱、盐等介质中具有很好的抗腐蚀性，无需专门进行防锈处理；同时，也降低了旋耕刀作业过程中的腐蚀磨损。

（4）本发明的大耕深旋耕刀，其使用寿命大大超过目前市场上旋耕刀的100h，综合成本下降50%以上。同时，由于其在使用150h后的整体尺寸及刃形尺寸仍在GB/T 5669-2008中规定的范围之内，若及时进行再制造即清洁表面重新浸渗及热处理，可望达到旋耕机年寿命周期，其综合成本将会更低。

（5）本发明也可用于刀尖回转半径R小于280毫米的常规尺寸高品质旋耕刀的设计制造中。

附图说明

图1本发明旋耕刀的示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图1、2中，1-刀柄，2-刀身，3-旋耕刀心部，4-旋耕刀表层，5-刀刃，R-刀尖回转半径。

图3为本发明的大耕深旋耕刀横切面组织形貌示意图，表层为15μm的渗铬层，心部为回火屈氏体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但这不能用于对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。

如图1、2所示。

一种可再制造的适于秸秆全量还田大耕深旋耕刀，它的刀尖回转半径R大于280mm；旋耕刀心部3组织为回火屈氏体，旋耕刀表层4组织为10~150μm的热浸渗硬化层，硬化层的硬度大于1000HV（约相当于69.5HRC以上），如图1、2所示；当旋耕刀作业150h后，旋耕刀整体尺寸及刃形尺寸保持完好，可用于再制造。其中的热浸渗硬化层4为渗硼、渗铬、渗钛、渗钒和渗铌以及含稀土的前述各种共渗处理获得的渗层。其制造工艺流程为：下料—锻造—①喷砂清洁表面—②整体热浸渗处理—③整体淬火+中温回火；当旋耕刀作业150h后或刀刃5表面的硬化层厚度小于2微米后，，重复①、②、③进行再制造，经再制造后的旋耕刀即可作为一把新刀使用。其整体淬火+中温回火的工艺规范为：830~870℃×15min油淬，冷至室温后，进行420~450℃×2h的中温回火。旋耕刀的材料可为GB/T 5669-2008中规定的65Mn或60Si2Mn。

实施例1。

一种可再制造的适于秸秆全量还田大耕深旋耕刀，采用新抚钢公司生产的供应态65Mn，刀尖回转半径R为285mm，经下料、锻造成型后，用喷砂机对其表面进行清洁，去除表面氧化皮等获得清洁表面，将旋耕刀全部埋入渗箱固体粉末渗硼剂中，上面覆盖粘土并用耐高温密封胶将箱盖与箱体密封，然后进行渗硼（或渗铬、渗钛、渗钒和渗铌以及含稀土的所述各种共渗处理）处理，随后空冷至室温；将渗硼后的旋耕刀重新加热至850℃（也可为830、840、860或870℃），保温15min后油淬，冷至室温后，进行420℃×2h（也可为430、440或450℃×2h）的中温回火，即可获得本发明所述大耕深旋耕刀。

经金相检测，其心部3为回火屈氏体，表层4为双相组织（FeB+Fe₂B），渗硼层厚度为112.5μm；测试其硬度，心部3为42.3HRC，表层4为1247HV_0.1。

在模拟旋耕实验台进行大耕深旋耕实验，实验条件为：土壤绝对含水率为10%，土壤坚实度大于0.8Mpa，耕深为21~23cm，旋耕转速为200r/min，总旋耕时间为150h。在150h旋耕作业中刀具未发生断裂、崩刃、表层硬化层剥落等失效，取下旋耕刀进行检测，其表层4尤其是刀刃5处表层仍保留大约20μm的渗硼层，旋耕刀整体尺寸及刃形尺寸保持完好满足再制造要求。

将已使用旋耕刀重复喷砂、渗硼及淬火+中温回火，经检测达到新刀技术指标。

实施例2。

一种可再制造的适于秸秆全量还田大耕深旋耕刀，采用新抚钢公司生产的供应态60Si2Mn，刀尖回转半径R为300mm，经下料、锻造成型后，用喷砂机对其表面进行清洁，去除表面氧化皮等获得清洁表面，将旋耕刀全部埋入渗箱固体粉末渗铬剂中，上面覆盖粘土并用耐高温密封胶将箱盖与箱体密封，然后进行渗铬（或渗硼、渗钛、渗钒和渗铌以及含稀土的所述各种共渗处理），随后空冷至室温；将渗铬后的旋耕刀重新加热至850℃（也可为830、840、860或870℃），保温15min后油淬，冷至室温后，进行450℃×2h（也可为420、430、440℃×2h）的中温回火，即可获得本发明所述大耕深旋耕刀。

经金相检测，其心部3为回火屈氏体，表层4为（Cr、Fe）₇C₃、（Cr、Fe）₂₃C₆、（Cr、Fe）₃C等组成的渗铬层，渗铬层厚度为15μm（图3）；测试其硬度，心部3为41.6HRC，表层4为1435HV_0.1。

在模拟旋耕实验台进行大耕深旋耕实验，实验条件为：土壤绝对含水率为10%，土壤坚实度大于0.8Mpa，耕深为24~26cm，旋耕转速为200r/min，总旋耕时间为150h。在150h旋耕作业中刀具未发生断裂、崩刃、表层硬化层剥落等失效，取下旋耕刀进行检测，其表层4尤其是刀刃5表层处仍保留大约2μm的渗铬层，旋耕刀整体尺寸及刃形尺寸保持完好满足再制造要求。

将已使用旋耕刀重复喷砂、渗铬及淬火+中温回火，经检测达到新刀技术指标。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。