引言 苜蓿草粉制粒时环模的机械磨损大，寿命只有压制配合饲料时的1/4．磨损是环模失效的主要原因。目前，国内外关于农业机械的摩擦磨损性能研究主要集中于土壤对金属材料摩擦磨损性能的研究，而以植物材料为磨料的软磨料磨损研究较少。 已有研究表明，软磨料与硬磨料的磨损作用实际是相对的，材料的耐磨性不仅取决于材料的硬度，更主要取决于材料硬度Hm与磨料硬度H的比值，当Hm/Ha超过1.3以后，一般称之为“软磨料磨损”。以牧羊MUZL - 420型制粒机为例，草粉的硬度与压辊、环模的硬度相比可以忽略不计，因此环模、压辊与草粉的磨损属于三体软磨料磨损问题。本文模拟三体磨料磨损系统来考察苜蓿草粉对金属材料磨损性能的影响，初步探究其磨损机制，同创新能源销售环模苜蓿制粒机、木屑颗粒机等生物质成型制粒设备。 1、试验材料与方法 1.1试样和磨粒制备 试样选用农业机械制造中常用的材料：未经热处理的45号钢、3Cr13、9SiCr和HT200，试样规格为57 mm×22.5 mmx 6mm。磨料为甘农三号紫花苜蓿，自然风干，经粉碎机粉碎成颗粒尺寸为6 mm的草粉，磨料组成的质量分数为：粗蛋白17.39%、水分7.65%、粗纤维25.06%、粗灰分8.98%。 1.2试验设备与方法 选用与环模制粒工况相似的MLS - 225型湿砂橡胶轮式磨料磨损试验机，橡胶轮直径110 mm、宽10 mm，硬度为50HRA。负荷为40.5 N，橡胶轮的线速度为0.58 m/s．磨料流量为50～80 g/min。每一磨程的时间为2h，进行5个磨程，即总磨程的时间为10 h。采用精度为0.1 mg的分析天平称取试样磨损前、后的质量，计算其磨损失重，用扫描电子显微镜( SEM)观察磨痕表面形貌，用2206型表面轮廓仪测量磨损面的体积磨损，并采用KEVEX型X射线能量色散谱仪分析其组成元素。 2、结果与讨论 2.1磨损累积质量损失试验结果及分析 试验结果如表1所示。由表可见，4种材料的平均磨损质量损失由小到大依次是3Cr13、9SiCr、45号钢、HT200。 2.2试件磨损前后硬度比较 试验中硬度值均是3点平均值，试验结果如表2所示。在磨料磨损作用下，通常金属表面发生塑变强化，大部分区域硬度增加。但从表2知，4种材料磨损前后硬度未见明显变化。 2.3体积磨损量 采用2206型表面轮廓仪测量4种材料磨损表面最大磨痕的体积磨损，即试样的磨损体积损失。由于试验材料的密度有差别，采用质量损失计算磨损量就有误差。因此，在比较不同种类材料的磨损量时采用体积磨损量更符合实际要求。 4种试样的测量总面积均为17.3 mm×4.84 mm,测量深度据磨痕实际情况而定，如表3所示。4种材料的体积磨损量由小到大依次是3Cr13、9SiCr、45号钢、HT200。 2.4磨损表面化学组分的变化和形貌分析 采用KEVEX型X射线能量色散谱仪分析其组成元素。分析前用工业酒精擦洗干净待分析表面，在同等条件下对比材料未磨面和磨损面的化学组分，其结果如表4所示。从表可知，磨损后表面金属元素含量有所降低，而非金属元素(Si、C、P、S、CI等)含量有所升高。这可能是由于草粉磨料中含有非金属元素，在磨损过程中，随着温度的升高，磨料与金属在磨损表面发生元素互渗或化学反应等所致。 采用JSM - 5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观测4种材料磨痕表面形貌。图1为未磨面的SEM图，图2为磨损面的SEM图。 由图2a可知，磨痕表面出现犁沟和犁皱，在犁沟两侧残留一定数量疲劳脆化剥落的金属碎片，在局部区域聚集量较大。这说明苜蓿草粉磨料在挤压下形成坚硬细小颗粒，即“不可压缩团”，坚硬的“不可压缩团”犹如尖锐棱角的磨粒沿材料表面滑移而形成显微切削和犁沟，同时在磨损表面形成塑变型隆起与凹谷，这种塑变隆起最终因反复塑变硬化而疲劳剥落。因此，苜蓿草粉磨料磨损对45号钢除了存在微观切削和材料被挤压推移形成的隆起外，还存在反复塑性变形引发的疲劳脆化剥落。 图2b磨损表面形貌与图2a形貌基本相似。由于3Cr13材料韧性好，且有较好的综合力学性能，在草粉磨料作用下形成的磨沟浅而窄，磨沟两侧的塑变隆起不明显，但任何形式的塑性变形最终都可能因材料的塑变强化和塑性耗尽而转变为脆性断裂。磨屑呈细小颗粒状，磨面形貌则呈韧窝状。 由图2c可知，9SiCr材料硬度与韧性较理想地配合，加之弥散的碳化物质点均匀地分布于强韧的基体中，从而减轻了基体承受磨料的作用，磨痕形貌上微切削磨损较少。磨料对磨面的犁皱情况也大为减轻，从而减少了应变疲劳剥落磨损，只是局部区域由于塑性流变较严重而导致母体材料剥落现象。 由图2d可知，HT200铸铁材料有较大的剥落凹坑，可能是材料受“不可压缩团”磨料反复挤压而产生的塑性变形。因为HT200是由片状石墨、珠光体、铁素体组成的脆性材料且硬度低，在压应力作用下，“不可压缩团”在切削材料前，材料已发生塑性变形而出现脆化剥落，其余草粉磨料局部产生的压应力小，在材料表面产生擦痕而导致材料表面轻微塑性变形和脆性剥落。 3、结论 (1)在本试验条件下，4种材料的磨损失重和体积磨损量由小到大依次是3Cr13、9SiCr、45号钢、HT200。 (2)4种材料磨损前后硬度未见明显变化，磨损面中金属元素含量有所降低，而非金属元素(Si、C、P、S、Cl等)含量有所升高。 (3)在挤压作用下，苜蓿草粉磨料在局部形成的坚硬“不可压缩团”使其对金属表面的“软磨料磨损”中伴有“硬磨料磨损”的特征。 (4)苜蓿草粉磨料对45号钢、3Cr13、9SiCr的磨料磨损在硬磨料磨损条件下以显微切削为主，在软磨料磨损条件下以应变疲劳剥落为主。HT200在“硬、软”磨料作用下的磨损均以脆化剥落为主。