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针布高耐磨的技术瓶颈与途径
冯喜奎 （浙江锦峰纺织机械有限公司）
秦汝明 （河南工业大学机电工程学院）
文九巴 （河南科技大学材料科学与工程学院）
世界纺织业向亚洲的转移，为中国纺织的高速发展带来了机遇。在2007年底，中国纺织工业产能已突破1亿纱锭；2010年中国纺织工业纤维加工总量已达4130万t，占世界总量的52%至54%，是世界总量的半壁江山。随着中国经济快速发展，未来的中国必然是一个全球纺织品举足轻重的生产和消费大国。
近年来，我国纺织工业的技术升级和设备改造明显加快，清梳联技术在不断地完善和拓展，加工的品种已从纯棉粗、中、细号普梳纱，细号精梳纱，转杯纱扩展到化纤、麻纤维等非棉纤维并延伸到能加工长绒棉特细号纱。2007年棉纺梳理设备中清梳联的比重已上升到40%以上。清梳联的高产、高速要求配用高耐磨的高端针布，以发挥高端梳理机的效能。全球金融危机造成国内纺织企业盈利不足，要降低成本必然涉及到针布价格，而市场上进口高端针布的价格是国产的三倍以上，可见针布的高端产品制造尚有较大利润空间。清梳联等高端梳理机用针布的国产化对纺织厂和针布制造厂都是一个现实的选择和挑战。笔者在大量检测、比对、分析的基础上，针对高端高耐磨针布耐磨度的现状、技术工艺瓶颈及其突破展开综合分析及探讨。
1 国产针布耐磨度现状
经过10多年的不懈努力，国产针布与进口针布的技术差距已明显缩小。为了生产高端及高耐磨的针布，国内有实力厂家设立研究中心（基地），投资新型罩式炉实施针布钢丝无氧化退火，甚至于直接选用进口成品钢丝（包括耐磨合金钢丝），以解决原气体保护井式炉的脱碳，提高针布的耐磨度和寿命，且已取得一定的进展。
针布耐磨度及寿命主要表现在高速、高产的清梳联上。而大型棉纺织厂显示，进口高档清梳联配用针布几乎被国外名牌针布垄断，国产清梳联主机出厂配套也以进口针布为主，仅在更换针布时才有少量国产针布的配套。国外高端针布在清梳联上能使用3～5年，梳理寿命达700 ～1 000 t 纤维。尽管在与进口名牌针布耐磨度及寿命对比试验时已有好的个案效果，但整体上目前国产针布耐磨度的可靠性和稳定性还未能达到客户的期望。
2 针布高耐磨的技术瓶颈
探讨高耐磨针布瓶颈与突破时需要围绕和关注产品的特征。
产品载体细而小：产品小截面，使投料成品丝直径细，约ø1.0 mm（高齿密锡林）；
产品薄且表层受载：磨损发生在极薄的齿部（高齿密锡林齿尖宽仅0.05 mm）；
产品呈盘卷状：细、薄、长、卷的特征在制约着某些工艺方法的实施。
2.1 盘条表层脱贫碳
国内制造针布采用的大综材料为SWRH系列钢，这是上世纪70年代的日本钢种。这种“控轧控冷”的进口钢材的组织状态、几何精度、成分精度、表面状态当时都远好于国产钢；但40年后的今天，其材质的优越性已难以显现，钢丝脱碳层控制在直径的1.5%［1］（现我国宝钢已控制在1.0%），常可见到0.05 mm脱碳而又合格的盘条产品。图1为盘条钢丝的截面，外层浅色为脱碳层。脱碳0.05 mm的盘条用于其他产品可能无大碍，在常规热处理上仅是一层薄的氧化皮；然而，针布具有超薄的特征，新型锡林齿条齿尖已薄到0.05 mm，这意味着齿尖单侧厚度可薄至0.025 mm，如此的薄层不但发生着磨损并承担着耐磨寿命。
图1 盘条表层脱碳
碳含量不足达钢号标准的区域是盘条表层贫碳区，一般呈梯度分布，它对针布耐磨性的危害随着针布选材碳当量的提高而加剧。若60钢0.3碳当量贫碳处缺失了0.3碳当量，那么材质为SWRH82B时此处将缺失0.41的碳当量。贫碳层必然带到针布的齿体，图2是针布基部表层碳化物分布比较，右图中表层和心部基本一致，左图中表层明显脱碳。另外，轧制时材料流动的结果会加剧原贫碳区向齿尖部的偏聚，如图3所示。表层脱、贫碳对针布用材是一个致命缺陷。
图2 针布基部表层脱贫碳比较
图3 轧制材料流动示意
2.2 磨损机理与材质合金化
提高耐磨性的前提是要深入研究服役条件下针布的磨损机理,针对磨损机理制定抗磨损技术方案，不同磨损机理带来材质优化的方向和侧重将有所不同，故对针布磨损机理的深入研究及材质合金化配比优化是提高耐磨性的关键。
2.3 盘条材质的晶粒度
传统“控轧控冷”盘条可实现细晶粒钢，而当今材料科学进展已经到了超细晶粒钢（ultra-fine grained steel ）［2］。超细晶粒钢在针布乃至纺织器材行业的应用不但前景广阔，而且会产生令人满意的效果［3］。
2.4 高耐磨优化设计
应结合梳理机设备及工艺参数、梳理强度、耐磨要求、磨损机理、衰退轨迹等对针布实施高耐磨优化设计。
2.5 工艺措施的可靠性
在加工过程中要保证工艺可靠性，防止以下几个因素削弱针布的耐磨性：①工艺过程造成脱、贫碳：退火造成脱碳，高频加热氧化脱碳，淬火的加热氧化等；②表面粗糙度不良（轧片及冲切造成的谷峰及毛刺），引起不均匀磨损，加剧针布衰退［4，5］；③ 淬火工艺不当造成不合理金相组织：如粗大马氏体、不合理未溶碳化物分布状态等；④表面处理不当：针齿棱线过度圆钝、喷砂产生粗大微凸体、刷磨过度等。
3 针布高耐磨的突破
3.1 针布专用合金钢
针布材质的选用与其磨损机理密切相关。
3.1.1 关于针布磨损机理
（1）软磨料磨损机理
早期研究认为：针布磨损主要是低应力软磨料磨损，视纤维为软磨料，每根纤维为一连串的质点，针齿表层的微凸体不断受到反复作用的脉冲梳理力后产生疲劳剥落，形成对针齿的磨损［4，6~8］。
（2）表膜摩擦脱落机理
研究表明：金属在大气中（干燥大气）存在着“干氧化”现象，表面会形成厚度仅为几纳米的不可见膜［9］。金属暴露于空气中，其表面自然形成氧化膜［10，11］，厚于500nm的膜为可见膜，40～500 nm显现氧化色，薄于40 nm时为不可见膜［12］。可见针布表面在温、湿度等工作条件下，会形成厚几纳米到几十纳米的结构不同于基体的金属氧化膜——表膜；在梳理过程中，局部表膜在干摩擦条件下会被纤维擦伤破损而脱落，而后又重新生成新的表膜，这些在局部已经破损、正在破损、已经生成及正在生成的状态交织在一起，形成了“亚金属光泽”的动态针布齿部表膜［13］，如图4所示。
图4 针布齿条齿部表膜示意
在梳理机上，针布表膜的色泽主要和表膜厚度、材质、梳理强度、工作状态等有关：表膜愈厚色泽愈深；碳钢表膜色泽较深暗，合金钢表膜色泽较浅亮；同材质时刺辊齿条比锡林齿条表膜更浅亮，因为前者梳理强度大，表膜薄且不完整（破损区域比例大）；持续工作时膜薄且色浅淡，长时间停车膜厚色深暗。
针布磨损过程较复杂，磨损机制并非单一，具有复合和派生的特点。条件（梳理部位、梳理强度、纤维种类、环境等）不同，磨损机制的主导及各磨损机制对磨损量的贡献也有所不同，但就高耐磨针布的主角——锡林针布而言，在连续运转2～4 年的极高磨损频次之后，表面仅产生几十微米的磨损量，可见其单次磨损是轻、薄与微小，应是在干摩擦条件下软磨料摩擦造成针齿的表膜破损脱落，是氧化（腐蚀）磨损在特定条件下的一种表现形式［14］。
3.1.2 针布专用耐磨合金钢
钢的表膜强度和材质有关：碳钢表膜强度较低；某些合金钢表膜强度较高。表膜的结构形式较复杂，与基体的金相组织结构、成分等有关。钢的合金化（加入铬、钼、钨等合金元素），不但提高其抗氧化能力，而且可以生成高强度的不易破损的表膜，显现出耐氧化磨损的特性15］。
软磨料磨损机制引导的是强化齿部的硬度，表膜摩擦脱落机制则引导人们关注齿部表面的抗氧化能力及表膜的强度，由此带来材质优化及合金化的方向和侧重不同，应依据针布的服役条件、磨损机制、磨损发展过程（轨迹）、失效型式等因素优化材质的合金元素组合及化学成分，形成针布专用耐磨合金钢系列。
3.2 超细晶粒钢
传统钢材的晶粒直径一般为100～10 μm，小于30μm（约7级）视为细晶粒钢，约小于6 μm（接近12级）视为超细晶粒钢（ultrafine-grained steel）。材料及冶金科学的发展表明，通过不同的晶粒细化工艺可使钢铁材料组织细化到微米级（10～1 μm）、亚微米级（1～0.1 μm）和纳米级（<100 nm）［16］，使得传统钢材性能得到大幅度提高。超细晶粒钢的工业化生产获得突破，通过新型热机械处理——TMCP（Thermo Mechanical Control Process）、动态相变、动态再结晶、合金元素（加入铌、钒等）细化等可以获得超细晶粒钢［2，3，16，17］。材料的强度与晶粒尺寸的关系可由Hall-Petch公式表达［2］ ：
σs =σ0 + k·d-1/2
式中：σs为屈服强度；σ0为位错在晶内的滑移摩擦力（内摩擦力）；k为晶界对滑移传播阻碍有关的常数；d为晶粒平均直径。即晶粒越小，晶界越多，滑移阻力就会越大，强度也就越大。
常规低合金钢的屈服强度约为400 MPa，抗拉强度约为500 MPa。通过晶粒细化可将低合金钢的屈服强度提高到800～1 200 MPa级。如日本的“超级钢”（SXT221）等［2］。国产达600～1 200 MPa的超细晶粒钢，已被成功应用于不同领域。
3.3 去除钢的贫碳层
去除钢的贫碳层可有效提高针布的耐磨性，此工艺措施可在以下工序（环节）实行：①去除盘条贫碳层；②去除成品丝贫碳层；③去除坯片贫碳层。
采用电化学方法或机械方法去除盘条贫碳层应是成本较低的方式（确保后续钢丝及坯片为无脱碳加工），而在成品丝或坯片环节去除贫碳层效率较低，且成本较高。贫碳层的清除，可确保针布针齿表层不贫碳，以材质原本的碳当量及合金含量生成淬火组织。
轧钢厂应致力于在轧制中对钢坯及盘条采取有效保护措施，阻止脱碳层形成（不大于0.015 mm）。脱碳层的复碳处理在针布生产中，因其长条状盘卷的特殊性而较难实现。
3.4 齿部的高耐磨设计
3.4.1 可用磨损体积
如图5 所示，锡林针布主要失效形式是因磨损而造成齿尖的衰退和消失，图中阴影部分即是可供磨损的齿尖体积［18］。齿尖宽（b3）、齿尖角（β）和齿尖形状是可用磨损体积的三个主要影响因素。
图5 可供磨损的齿尖体积
3.4.2 齿尖的高耐磨设计
在不影响齿尖锋利度、穿刺能力和纤维伸直度的前提下，应保证齿尖区域有足够的宽度（尤其是高速高产梳理、化纤梳理专用针布）和较大的齿尖角β，以确保足够可用磨损体积。优化设计齿尖形状（鹰嘴形、弧尖形、弧顶形、折尖形等），可增加齿尖部的可用磨损体积。图6所示是其一例，弧尖和直尖相比较，A是二者共有面积，B、C是各自多出的面积，显然C＞B。若图中三条曲线分别代表齿尖部不同的磨损边界，则磨损到第1、2、3边界时弧尖齿的可用磨损面积分别是直尖齿的1.90倍、1.46倍、1.33倍，越靠近齿尖，越是早期磨损，越能体现弧尖齿的耐磨性［18］。另外，弧尖齿形磨损后的锐度保持优于直尖齿形，如图7、图8所示，如此可以延长磨针周期以减少磨针，延长针布寿命。研究并结合衰退轨迹的齿部优化设计，有广阔的创新空间和前景。
图6 齿尖部位优化设计之一
图7 直齿磨损后的钝化形态
图8 弧尖齿磨损后的锐度保持
3.5 表层处理
3.5.1 电沉积功能梯度镀膜
功能梯度材料（functionally graded materials）简称“FGM”， 是指材料的组成和结构从一面（侧）向另一面（侧）呈梯度变化，从而使其性能和功能亦呈梯度变化的一种新型材料［19］。其有别于常规渗层或覆层处理，并采用多元化技术制备，其材料可涉及超细，通过与不溶性固体微粒如金属、陶瓷、SiC、Cr2O3、硼化物、PTFE固体润滑离子等的组合，从材料的组成和结构上与基体材料以可控、可设计的梯度变化相结合，可获得减摩、耐磨、耐蚀等超常物理和机械性能［19，20］。而电化学法（电沉积法，简称ECM） 在FGM中被拓展为低温液相FGM制备技术， 生成功能梯度镀膜/镀层（functionallygradeddeposit），简称“FGD”，可生成复合镀膜及合金镀膜，其膜层成分和结构梯度化，相容性好，与基体结合强度大［20，21］，可望满足高耐磨针布耐磨、耐蚀要求。功能梯度材料在钢丝镀膜和成品镀膜上有广阔的应用前景。
3.5.2表面减摩
（1）电化学抛光
电化学抛光也称电解抛光，是被抛工件黏膜作用下的阳极溶解。在去除毛刺和热处理氧化皮的同时，由于表面凸起的溶解度大于低凹，其整平作用使针布表面获得好的表面粗糙度［5，22］。
（2）低温或室温渗硫
低温（180～200 ℃电解渗硫、130～160 ℃碱性液体渗硫）和室温渗硫是较新型的电化学及化学表面硫化处理，它可使工件表面形成一层润滑、减摩、耐磨层［23］。针布淬火处理后再施以渗硫，可降低表面摩擦系数，改善减摩效果。
（3）表面（层）氟化处理
如PTFE处理，施加PTFE固体润滑离子的功能梯度镀膜等。
（4）针齿光洁锋利化
通过提高钢丝及坯片光洁度和冲裁光洁度，改善针齿表面状态，消减不均匀磨损对针布耐磨性的不利影响。
3.5.3 硼化（渗硼）处理
硼化物具有优异的抗磨特性，而针布齿条淬火之前实施低温（约580 ～620 ℃）电解渗硼，相对其他硼化工艺具有一定的可行性。当然在电沉积功能梯度镀膜中生成富含硼化物的功能梯度镀膜，会有更好效果。
3.5.4 表层纳米化
超音速微粒轰击（supersonic fine particles bombarding）可使表层材料多方向强烈塑性变形，在此冲击载荷的应变诱导下将出现高密度位错，位错不断地增植、湮灭、重排而得到纳米结构表层，在纳米晶相的表面与界面效应作用下，有望使其抗疲劳、耐磨、耐蚀等性能得到改善［24，25］。
3.5.5 表膜的一体化融合设计
把针布钢丝加工中的润滑、钢丝镀膜、半成品加热、成品淬火加热实施一体化融合设计，借助原有工序过程，通过附着、渗入、浸润、熔合等手段，形成特殊表层成分及结构，达到改善针布表面特性的目的。
3.5.6 采用其他表面镀覆强化工艺
3.6 特殊热处理工艺
采取特殊热处理工艺方法，以获得特殊效果。如淬火的还原性火焰加热和高频退火的保护气氛加热，以避免表面的氧化、起皮；特殊冷却介质及冷却方法，以获得特殊表膜及光亮、无油效果；适宜的淬火加热温度及其分布，以获得理想的组织状态及分布；能避免齿尖过热、齿根过硬的超深淬火；充分回火以提高针布的强韧性(齿部加压及弯折试验时，进口高端针布表现出优异的强韧性)。
4 结束语
（1）实现针布高耐磨应从三项技术方面突破：材质，工艺处理，设计。材质的突破是物质条件，但加大主材成本；工艺处理类突破方法繁多、特性各异，潜藏变数，对不同针布种类适用效果差别大，需慎选慎用；而设计上的突破针对性强，依据针布使用条件、功效特点、磨损机理、衰退轨迹、失效方式等展开高耐磨优化设计，创新空间大，前景广阔。
（2）针布专用合金钢技术要求特殊且批量小，难以引起材料研发者的重视，偏高的盘条价格又会影响其应用，由协会牵头、行业联手更可行一些。
（3）工艺处理类突破的切入点（执行工序或环节）很关键，切入不当效果不佳，或被其他工序削弱。
（4）应科学设计高耐磨突破方案，各种技术突破都关乎成本，不可过度叠加运用，“选”把握一个准，“用”把握一个度，科学的技术方案设计旨在以较低的成本获得预期效果。
（5）针布高耐磨效果的实现是一个系统工程。优化设计是前提，材质突破是条件，工艺处理是手段，设备精度及状态是基础，工艺处理的可靠性、稳定性是保障。突破技术瓶颈并对系统资源进行科学有效地统筹、优化、整合，才能稳定、可靠、批量地制造出适用于不同用途的高耐磨针布。
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