CF-犁壁材料表面特性与土壤粘附间的关系_李建桥

第12卷　第2期 农业工程学报 Vol.12　No.2 1996年 6月 T ransactions of the CSA E Jun.　1996

犁壁材料表面特性与土壤粘附间的关系

李建桥①　任露泉　陈秉聪　蒋　蔓

(吉林工业大学)

提　要　选取机引犁壁和畜力犁壁,研究其表面特性与土壤粘附间的内在联系。首次将材料的土壤粘附特性与表面电化学现象联系起来,从理论与试验的结合上证明提高材料的耐蚀性有利于金属材料表面减粘脱土,为触土部件的材料选取、成分优化以及铁基减粘材料的研制提供了简捷有效的参考指标和理论依据。

关键词　犁壁材料　土壤粘附　腐蚀　接触角

Study on S urface C haracteristics of Materials of

Plough Mouldboard and Their Effects on Soil Adhesion

Li Jian-qiao　R en Lu-quan　C hen Bing-cong　Jian g Man

(J ilin University of Technology,Changchun)

A bstract　This paper studies surface characteristics of iron and steel used fo r tracto r-draw n and traditional animal-draw n ploug h mouldboards and their inherence with soil adhesion.Fo r the first time,the paper puts forw ard that the characteristic of soil adhesion is related to the phenomenon of surface electrochemistry.It is proved by theory analysis and test,that increas-ing the corrosion resistance of materials is of benefit to reducing adhesion and scoring soil.The study could not only provide,in practice,sim ple and reliable references for the content design and material selection of soil-touching parts,and for the development of iron base functional materials of reducing adhesion but also open up,in theory,a new field of vision fo r the study on soil adhesion,and has an significance to the theory construction of soil adhesion and study on the material producing techniques of reducing adhesion and scoring soil.

Key words　Mouldboard material of plough　Soil adhesion　Co rrosion　Contact angle

1　概　述

触土部件在工作中由于土壤粘附将造成很大的能耗〔1～3〕,土壤对固体的粘附是涉及表面与界面的力学行为,因此材料的各种表面特性必然影响土壤粘附系统。本文以典型触土部件—犁壁为例,研究金属材料表面特性与土壤粘附间的内在联系。

液/固表面间的接触角描述了与土壤粘附联系密切的表面润湿性,因其测量方法简单易

收稿日期:1996-02-12

＊国家自然科学基金重点资助项目和机械部教育司发展基金资助项目

①李建桥,工学博士,副研究员,长春市斯大林大街114号　吉林工业大学农机工程学院,130025

上述研究证明,在工程上用接触角大致估算钢铁材料的土壤粘附特性是可行的。

3.2　耐蚀性与土壤粘附

腐蚀试验显示出不同犁镜耐蚀性有明显差别。图2为犁镜样品的腐蚀速度曲线。在两种介质中,阳城犁镜(L —1)的耐蚀性最好,而且随时间延长其腐蚀速度变化较小,仿阳城犁镜(L —2)的腐蚀速度变化趋势与阳城犁镜基本一致,数值略大,而普通犁镜(L —3)的耐蚀性相对较差,特别是在碱性溶液中随腐蚀时间的增加,其腐蚀速度迅速增大。样品的耐蚀性规律与其土壤粘附特性一致,表明良好的耐蚀性有利于减粘脱土

。

图2　

犁镜试样腐蚀速度曲线

图3　回火温度对35钢腐蚀性及粘附力的影响 35钢试样的腐蚀试验表明,回火马氏

体组织与回火索氏体组织比中温回火组织耐

蚀。该结果与高碳钢不同组织试样的试验结

果基本相同〔10〕,说明试验结果是可靠的。

若忽略淬火参数的影响,以回火温度为横轴,

将试样48h 的腐蚀速度与粘附力回归曲线绘

于图3,可直观地看出耐蚀性与粘附力之间

有相同的变化规律。本实验结果表明,可以

用材料的耐蚀性来定性评价其土壤粘附特

性,二者间的定量关系还有待于进一步研究。和土壤粘附的力学效应一样,钢铁腐蚀

也是在微观结构作用下产生的宏观变化。对于组织细化,由于微电池数目增多腐蚀电流紊乱,有相当部分相互抵消〔11〕

,所以耐蚀,如马氏体低温回火组织,其抵抗土壤粘附的能力也强。对于组织粗化,每个微电极尺寸较大,但相对表面积减少,特别是粗大渗碳体越多,阴极面积大而阳极面积小,从而使腐蚀速度减小,如马氏体高温回火组织及犁镜白口铁的情形,相应的粘附力也较低。组织介于中间状态时钢铁对土壤的粘附能力及其腐蚀速度都较大。这里可再次看出钢铁的耐蚀性与其土壤粘附性具有明显对应关系。

钢铁中的杂质多数以能量低、电极电位高的化合物形式存在,如硫化铁、硫化锰,它们将增加电极面积,增大腐蚀电势,给耐蚀性和脱土性带来不利影响。这也是含硫少的阳城犁镜47第2期 李建桥等:犁壁材料表面特性与土壤粘附间的关系

具有良好耐蚀性和脱土性的原因之一〔8〕。较之复杂的土壤粘附特性试验,接触角和耐蚀性的试验过程易于控制,试验结果数据也相对稳定。这一点对减粘材料的研制和开发十分重要。

4　结　论

1)犁壁材料与土壤间的粘附同时伴生有表面润湿和电化学反应。因此,在工程上采用易于控制、数据稳定的接触角和耐蚀性来评价金属材料对土壤的粘附特性是可行的。

2)犁壁材料与水的接触角能够反映其土壤粘附特性。随着接触角增加,粘附力下降,本试验条件下,35钢土壤粘附力f与接触角θ存在线性关系。

3)犁壁材料表面耐蚀性与其对土壤的粘附特性间有明显的对应关系,耐蚀性越高,脱土性越好。35钢的马氏体低温或高温回火组织均有较低的腐蚀速度和土壤粘附强度,中温回火组织的耐蚀性和脱土性较差。阳城白口铁犁镜表现出较高的耐蚀性,脱土性优良。

参　考　文　献

1　任露泉,陈德兴,陈秉聪.土壤粘附研究概述.农业工程学报,1990,6(1):1～7

2　James G H and C B Alvin.Determining components of soil-metal sliding resistance.T rans of the ASAE, 1982,845～849

3　Robbins D H,Johnson C E,and R L Schafer.M odeling soil-metal sliding resistance.ASAE Paper, 1987,No87-1580

4　任露泉,佟金,陈秉聪等.土壤—固体表面粘附行为的热力学分析.农业工程学报,1990,6(4):7～12

5　李建桥,任露泉,陈秉聪等.35钢粘附特性研究.农业工程学报,1993,9(2):19～25

6　Liu Yao hui,Chen Bingco ng,Tong Jin.Reducing soil adhesion and sliding resistance by functional sur-faces.Ag r Eng Rural Dev,I nter Conf on A gr Engin./Beijing,China/1992,Ⅲ—168～171

7　李建桥,任露泉,陈秉聪.机引犁壁及其脱土性.吉林工业大学学报,1992,22(4):103～108

8　陈秉聪,李建桥,任露泉.传统犁壁材料脱土性分析研究.农业机械学报,1995,26(4):46～49

9　李建桥,任露泉,陈秉聪等.钢的显微组织对其土壤粘附特性影响的研究.农业工程学报,1993,9

(3):14～21

10　蒋金勋,张佩芬,高满同.金属腐蚀学.北京:国防工业出版社,1986.158

11　程兰征,韩世纲.物理化学.上海科技出版社,1981.190

行,故一直受到重视。研究表明,对于不同的材料(搪瓷、金属、高聚物等),接触角与土壤粘附力间不能等效参比〔1〕。因此钢铁材料的接触角与其土壤粘附特性间的对应关系还有待于进一步探讨。

材料表面硬度与土壤粘附特性的关系也受到关注〔4〕。最近的研究发现,硬度虽然不能直接作为影响土壤粘附特性的独立因素,但其影响与材料的显微组织有关〔5〕。

耐蚀性也是材料表面特性之一,其与土壤粘附特性间的关系正在逐渐被人们所注意。最近的试验表明,加入耐蚀合金的材料或电镀表面具有较好的脱土性

〔6〕。本文首次对耐蚀

性与土壤粘附特性的内在联系进行研究。2　试验材料及方法

机引犁壁材料主要为亚共析钢,本文取最常用的35钢〔7〕

,采用文献[5]中的回归设计方案进行热处理。畜力犁壁(习惯上也称之为犁镜)材料为白口铁,取阳城犁镜、仿阳城犁镜和普通白口铁犁镜,分别编号为L —1,L —2及L —3,其化学成分及性能见表1。接触角及土壤法向粘附力试验的方法同文献[5]。

表1　犁镜样品化学成分及性能编号

化学成分/w t %

性 能C

Si M n P S 接触角脱土性L -1

4.270.050.070.580.0381.1°良好L -2

3.991.710.500.240.1979.3°较好L -33.151.430.960.120.1676.5°

一般图1　35钢粘附力与接触角关系曲线 我国土壤pH 值在3.6～10.5之间,大部分为酸

性土。故腐蚀介质采用pH =5的酸性盐溶液及pH =

10的碱性盐溶液,以失重法评价试样的耐蚀性。试

验方法同文献[8]。

以上各试验环境温度均为20℃。

3　结果讨论

3.1　接触角与土壤粘附

根据试验结果以接触角θ为自变量,可以得到35

钢粘附力f 的回归方程

f =10.46-0.1157θ　(kPa )

统计检验表明回归方程的相关系数γ=0.789>

γ0.05=0.482。回归曲线及其95%置信区间如图1所示。图中粘附力值的离散度较大,反映出土壤粘附的复杂多变性。白口铁犁壁材料(表1)的接触角数据也与其脱土性有相同的对应关系。实际上钢铁材料的土壤粘附特性随测试条件(土壤条件、法向压力、加压时间)而变化〔9〕,但其接触角可视为定值,这说明接触角与粘附力毕竟是材料不同的表面特性。然而