盖板针布耐磨性研究与发展

盖板针布耐磨性研究与发展

姜立新  尹冬冬（金轮科创股份有限公司研究中心）

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1     国产盖板针布的现状

（1）国产盖板针布在型号规格、制造精度近年来有了很大的进步；

（2）国产盖板针布针尖质量水平难以提高，主要反映在耐磨性不足，因为针尖锋利度衰退快，锐度保持差，清梳联用高产针布的国产化率仍然较低；

（3）国内针布制造企业在盖板针布的材质、热处理等方面的研究试验不多，大都以钢丝的应用试验为主，目前尚未看到耐磨性达到国外针布先进水平的报道。

2     针布磨损机理

盖板针布的梳棉方式为柔性梳理，主要是纤维与针布的直接摩擦，属于低应力磨料磨损，或低应力软磨料磨损；或软磨料接触疲劳磨损为主，硬磨料（纤维中尘土等杂质）磨损为副；化纤梳理中有一点腐蚀磨损，而氧化磨损在针布的一般磨损中是微不足道的。

3     决定盖板针布耐磨性的主要因素

3.1   盖板针布用钢丝材质

理论研究和使用，认为随着钢中含碳量的增加，热处理后针布耐磨性会增加，合金钢的耐磨性优于碳钢；细化晶粒比粗大晶粒的耐磨性好。

（1）20世纪80年代初开始，我国棉纺业相继引进各种新型高产梳棉机和国外各主要针布公司的针布，其中包括瑞士Graf、美国Holl.、英国ECC、瑞典ABK、德国PW、日本金井等公司多种型号盖板针布产品。

盖板针布用钢丝，瑞士Graf、美国Holl.、瑞典ABK、德国PW均选取70钢和70MnV高碳低合金钢，合金元素主要采用W、V、Cr和Mn，合金元素总量在0.70%~1.16%之间，其中S、P含量都很低，都在0.03%~0.01%之间；金井、ECC部分采用60钢。

盖板针布的金相组织： Graf、Holl.和ECC针布为隐针状马氏体+少量低温回火马氏体+少量弥散化合物；高碳低合金钢针布为极细隐针状马氏体+低温回火马氏体+小颗粒碳化物。ABK、日本、国内针布的针尖部是隐针状马氏体+较粗回火马氏体+少量碳化物，并有过热现象；也有淬火马氏体+少量残余奥氏体。马氏体针叶以ECC、Graf较细，ABK较粗。即针尖金相组织，以Holl.和Graf较好，ECC也相近，ABK、日本次之。

（2）90年代以来，随着高产优质梳棉的技术工艺不断进步和发展，棉纺对针布耐磨要求更高。盖板针布相继采用70钢、72B、T7A、70CrV等高碳低合金钢钢丝材质。为提高耐磨性能与可加工性双重要求，在高碳钢中加入少量合金元素，既产生固熔强化，又能在针尖内形成许多高硬度的碳化物，促使提高针尖部硬度。合金元素不仅可以克服高碳钢在淬火时的过热敏感性，在退火中合金元素形成的特殊碳化物（WC、VC、MnC）不易聚集长大，使退火后的珠光体组织细小，钢的韧性好，有利于压延，而且能在淬火加热时阻止奥氏体晶粒长大，使淬火后马氏体组织较细，增强针尖耐磨性。

（3）2000年后进口比利时贝卡尔特高碳油回火钢丝已成为必须。表1 为国产与贝卡尔特盖板针布专用钢丝主要技术标准与实测值比较。

通过表1各项对比分析,表明进口贝卡尔特盖板针布钢丝总体上优于国产同类钢丝。由于贝卡尔特盖板针布专用钢丝选用了精炼精轧的盘条,从盘条到成品采用了国际领先的工艺技术和设备全流程生产：  盘条→多道精密连续控制拉拔→多次专利技术热处理→油回火热处理→防锈包装,从而保证了钢丝的各项指标的领先技术。进口钢丝相对国产钢丝的优点为: ①在尺寸公差上两者标准水平相当，贝卡尔特钢丝实测偏差小,表明加工精度高,这对钢丝的弯曲变形一致性有利；②在化学成分方面,贝卡尔特钢丝成分同批偏差较小,有助于保证材质加工性能,并有利于提高盖板针布生产过程中淬火质量稳定性；③金相显微组织方面贝卡尔特钢丝为回火马氏体组织,组织更细小均匀,保证了钢丝具有较高的硬度和良好的韧性,有效改善了钢丝的综合机械性能,这对盖板针布制造中形变加工一致性、提高钢丝抗疲劳性以及成品耐磨性非常重要; ④在机械性能方面,由于钢丝材质选用好,加工工艺先进,使钢丝具有较高而又极差较小的抗拉强度σb、延伸率δ%和硬度值,表明钢丝强韧性好、一致性好，当然有利于盖板针布的制造和使用; ⑤在外观质量方面,贝卡尔特钢丝采用光面钢丝,外观色泽、件重、防锈措施、捆轧包装等均较好,有利于储运、使用和提高效率。但由于钢丝表面未经镀层处理,与国产镀锌钢丝相比更易生锈。

本公司采用贝卡尔特钢丝生产的盖板针布产品在同条件下与国产钢丝比较，反馈的外部质量事故（倒针、乱针，针尖磨损度）发生几率小于0.1%。

因此研究钢丝制造工艺是解决盖板针布耐磨性的一项重要举措，也是当务之急。

3.2   热处理工艺

3.2.1 高频淬火与火焰淬火

盖板针布淬火型式有高频淬火与火焰淬火两种。高频淬火还是沿袭传统工艺操作，主要针对截切盖板针布产品；火焰淬火以Graf淬火技术工艺为蓝本进行消化吸收。淬火机由加热火焰嘴、冷却水槽、牵料装置和电器控制箱组成。针布加热由氢气或液化气、氧气和压缩空气混合燃烧成火焰。火焰嘴大小可以任意调整，燃气、助烧气的多少由流量计指示。氧气管路上装有压力表，调节气体的流量和混合比，可以调节火焰温度，针布条平直及火焰的稳定是保证整条针布齿尖硬度均匀的重要条件。三种气体中燃气为氢气或液化气，助燃气是液氧气化的氧气。各种规格针布的淬火速度和密度大小，使燃气消耗量不同，重要的是充分加热针布针尖使之达到相变，使针尖的奥氏体组织充分形成，为相变成马氏体组织创造条件。

盖板针布经火焰加热后立即进入水槽急剧冷却。淬火针布走带速度6~14 m/min。刷光辊由电机带动刷辊。针布缝接分割装置由一个气缸驱动，带动切片完成。送料装置由送料电机带动，送料辊上连接链轮。支座上的压辊，产生连续传送针布的必要压力，盖板针布是由压辊转动输送，送料速度可自动控制。

3.2.2 盖板针布淬火采取的措施

根据选用钢丝和正确的火焰嘴结构，盖板针布淬火在工艺上采取措施如下。

（1）严格控制淬火加热温度。若淬火加热温度不足，因未能完全形成奥氏体，致使淬火后的组织中除马氏体外，还存有少量铁素体，使针尖部硬度不足。若淬火加热温度过高，因奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体晶粒也粗大，会增加针尖的脆性，致使针布产生微裂、变形倾向。

（2）合理选择淬火介质。淬火时针布的快速冷却是依靠淬火介质来实现的。水和油是最常用的淬火介质。水的冷却能力强，使针尖部易于获得马氏体，但针布的淬火内应力大，易产生针尖崩掉和变形。油的冷却能力较水低，针布不易产生针尖崩掉和变形，但用于高碳钢72B（70）淬火时难以使马氏体转变充分。通常，72B（70）应在水中淬火；合金钢（70MnV等）针布则因淬透性较好，以在油中淬火为宜。介于水、油冷却性能的水熔性聚合物淬火介质，通过对盖板针布的淬火试验应用，经测试：可保证本公司的同材质针布淬火组织与硬度一致性，稳定性得到提高。

（3）正确选择淬火方法。采用适合的淬火方法也可有效地防止针布产生过热（过烧）变形。国内生产中最常用的是单介质淬火法，它是在一种淬火介质中连续冷却到室温。单介质淬火法操作简单，便于实现机械化和自动化生产。对于容易产生过热（过烧）、变形的钢种针布，采用先水后油的双介质淬火法或分级淬火，国内没有试验过。

（4）淬火后盖板针布的回火处理。盖板针布淬火后的组织一般为马氏体加残余奥氏体，是在快速冷却条件下被强制形成的不稳定的组织，会自发地发生转变，从而引起针尖部变化，甚至出现微裂纹。

回火就是盖板针布经过淬火后，重新加热，促使原子活动能力加强，随着温度的升高，马氏体中过饱和的碳将以碳化物形式析出。并使晶格畸变减小，内应力也相应减小，韧性、塑性随之提高。

盖板针布回火处理的主要目的是在保持针尖高硬度的前提下适当降低马氏体的脆性，减小内应力，达到针尖部在梳理过程中不发生秃尖。国内有专业研究，在100~150°C左右进行回火就可以满足这一要求。

低温回火时，从室温加热到250℃左右，随着温度的逐渐升高，原子的活动能力加强，过饱和碳原子开始以某种碳化物的形式逐渐从马氏体中析出；同时，由于温度并不很高，析出的碳化物尚未完全脱离原马氏体组织，即仍处于一定的过饱和状态；不同的是过饱和的碳量比淬火马氏体有所降低，这种组织称为回火马氏体；这种转变对硬度影响不太大，但却消除了一部分内应力。另外，对于高碳低合金钢针布来说，在100°C左右时回火，硬度不仅不下降，反而有提高。

因此，对盖板针布实行低温回火处理可以实现以下两个目标：① 消除低残余应力和脆性，提高弹性；②保持淬火后得到的高硬度和高耐磨性。

中温回火350~500℃，对70MnV合金钢盖板针布，可以使针尖部获得高弹性，具有一定的韧性和硬度，但硬度明显降低。

（5）表2 为2007~2008年国内外盖板针布，针尖未经淬火处理保持原规格钢丝状态回火马氏体，及针尖淬火和回火处理的针尖回火马氏体组织。

可见，国产盖板针布使用寿命较短的重要原因，是针布金相组织水平参差不齐，不一定是针布硬度高低。本公司设计研制的高产高速梳棉用盖板针布，得到了用户的佐证：采用贝卡尔特B-特高耐磨级不淬火的盖板针布比B-普通耐磨级淬火盖板针布使用周期长3~5个月，梳理纤维吨量增加；而B-普通耐磨级淬火盖板针布又比国产镀锌（钢丝）淬火盖板针布使用性能提高更明显。

 
注：梳针采用了新的抗耐磨、抗疲劳、抗弯曲性能更好的钢丝。

3.3   盖板针布平整度与针尖刀口形状

（1）Graf盖板针布平整度≤0.03 mm，国内针布平整度≤0.08 mm。针高差异影响淬火深度不一；Graf侧磨细度极差≤0.02 mm，国内针布侧磨细度极差≤005 mm。侧磨细度大小不匀，影响淬火软硬不一，金相组织变化不定。

（2）针布侧磨细度愈小，压磨刀口愈大，锋利度提高，会使可用的磨损量减少，降低针布寿命；而侧磨细度大，压磨刀口小，针布钝化加快，显得不耐磨。

综述国内外对盖板针布的研究与实践，本人认为，选用合适的材料和改善热处理工艺促进盖板针布向回火马氏体组织转变，并且对磨针针形的尺寸精度控制，是提高耐磨性的关键途径。

4     国内外提高盖板针布耐磨性的研究方向

4.1   金属基体的化合物

取决于钢中化学成分在钢中含有一定量的合金元素，特别是形成碳化物的元素（Cr、Mo 、W、Ti、V、Zr、Nb）强化基体，改善材料的机械、物理、化学特性，提高材料的耐磨性。

4.2   减小摩擦系数

纤维（束）与针布针尖是一对摩擦副。

材质中适当加入降低摩擦系数的合金元素，对针布针尖部表面强化时使之生成降低摩擦系数的组织和结构；降低针布针尖表面粗糙度，改变摩擦条件，减少摩擦发生。

4.3   延缓氧化膜生成

针布针尖淬火后的基体一般会比基体外表生成的氧化膜的耐磨性好，延缓针布针尖部表膜生成速度，会增加基体直接与纤维摩擦的比例，这样会减缓磨损。在针布合金钢中适当增加Cr、Mo、W含量，对抗氧化有利，应限制材质中Al和Si的含量，因为与氧有强的亲和力，它们的存在会加速氧化表膜的生成。

4.4   细化晶粒组织

细化晶粒有利于生成致密的组织结构和弥散的金属碳化物，会明显提高耐磨性。

V和稀土元素有利于细化晶粒组织。

4.5   表面强化处理

（1）快速加热淬火能获得超细化晶粒，大幅度提高材料的强度和韧性。

（2）能进行金属表面快速熔化和合金化，在极短的时间内可以获得一般热处理10小时才能达到的金属渗层。

（3）抛光处理有利于提高盖板针布的耐磨性；而抑制针布针尖表层的氧化和脱碳能减少耐磨性的下降和快速衰退。

参考文献：

［1］费青. 国产针布的成就、问题及对策［Ｊ］.纺织器材，2000，（3）：23－27.

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