金屬針布磨損機理探討

奶茶色月季 2019-05-30

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金屬針布磨損機理探討

許鑑良（東華大學）

1 前言

隨著梳棉機高速高產(chǎn)化，針布的使用壽命成為紡紗的突出問題。國內(nèi)從上世紀60年代起，紡織部器材處就組織科研院校和生產(chǎn)制造廠進行合作攻關(guān)。多年來國內(nèi)梳理器材制造商在鋼材材質(zhì)和加工制造工藝等方面也作了大量有益的探索，取得了不少成果，使國產(chǎn)金屬針布的壽命有了很大提高，但與國外先進產(chǎn)品相比，差距還較大。究其原因，是對金屬針布失效的原因——磨損的機理尚未完全清楚，采取的措施針對性尚不夠，收效不大，因此要研究高耐磨金屬針布，首先必需搞清楚金屬針布的磨損機理，然后才能對癥下藥，以便取得長足的進步。

磨損是生產(chǎn)和生活中常見的現(xiàn)象，但磨損機理及影響因素極其復雜，不同工況千差萬別。據(jù)前人大量研究^［1^］，歸結(jié)起來，磨損機理有：磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損和微動磨損等。磨損機理不同，采用的鋼材元素成份、加工工藝和表面處理等均應(yīng)有別。盲目采取措施，則難以收到顯著成效。

金屬針布的磨損機理，國內(nèi)學者已作了不少研究。費青認為^［²^、3^］在給棉板～刺輥和錫林蓋板間，梳理力很小，并根據(jù)電鏡對磨損針布的觀察，磨損面和磨損溝槽內(nèi)都極為光滑，即使放大9600倍，也未見有微小的磨損犁溝紋，因此認為是低應(yīng)力磨料磨損，纖維是磨損針布的主要磨料。加工化纖時，可能有不同程度的腐蝕磨損，但認為即使存在腐蝕磨損，它與主體磨料磨損相比也是輕微的。認為針布平側(cè)磨也屬于低應(yīng)力磨料磨損中固定或半固定磨料磨損。

馮喜奎等則認為^［⁴^］金屬表面存在一層氧化膜，紡織廠梳理車間有足夠的濕度和溫度適宜氧化膜的生成，纖維與氧化膜產(chǎn)生相對滑動時，氧化膜因受超過其強度的作用力而破損脫落，脫落后的基體上又會生成新的氧化膜，這種氧化膜不斷破損脫落，又反復生成的過程，就形成了針布齒部的氧化磨損。

以上探討很有啟發(fā)，但僅是根據(jù)一般的磨損機理所作的推論，均沒有提出有力的實驗論證。

本文用渦流紡和靜電紡分梳輥做試驗，并取梳棉機舊針布作試樣，進行電鏡觀察和磨損量測定，根據(jù)微觀形貌特征，推斷磨損機理；根據(jù)耐磨度、材質(zhì)、金相組織和粗糙度等分析影響針布磨損的因素。提出金屬針布的磨損，在常規(guī)紡紗中，是以軟磨料反復沖刷疲勞和氧化腐蝕相結(jié)合為主的磨損，但也存在硬磨料犁耕的磨損；在靜電紡紗中，分梳輥針布的磨損為電化學腐蝕；在化纖紡中，則以化學腐蝕為主。以此為選材、探索加工工藝和研究表面處理提供依據(jù)。

2 試驗方法

在常規(guī)梳棉機上進行試驗，難以取樣觀察針齒磨損全過程和測定針布磨損量，且試驗周期長，針布用量大，包卷針布費工時。因此，我們選擇渦流紡紗機小刺輥（直徑80 mm，轉(zhuǎn)速7000 r/min）和靜電紡小刺輥（直徑80 mm，轉(zhuǎn)速5000 r/min）進行試驗。一般新包卷的渦流紡小刺輥加工中長腈綸纖維時，二個星期后針齒就嚴重磨損，不得不調(diào)換。靜電紡加工棉和麻纖維，小刺輥轉(zhuǎn)速略低，使用壽命略長些。因此，在渦流紡和靜電紡紗機上做試驗，周期短，小刺輥只數(shù)多，便于多次取樣。渦流紡每臺96頭，靜電紡每臺100頭，有利于增加取樣次數(shù)。每只刺輥鋸條重量僅23~25 g，可用萬分之一精密分析天平進行稱重，可大大提高磨損量的測量精度。刺輥工作狀態(tài)又與梳棉機刺輥相似。由此篩選出的針布專用鋼種和得出的針布磨損規(guī)律，完全適用于一般梳棉機針布和新型紡紗的刺輥鋸條。

渦流紡在WF-2型渦流紡機上進行，全機96頭，加工65MM×3旦、5旦、6旦腈綸纖維，紡3.2支紗，單頭每小時產(chǎn)量1.5 kg。靜電紡機，全機100頭，棉麻混紡，紡21支、11支紗，靜電場3萬伏。

將新鋼種60WV、80WV、80WVRe和老鋼種60鋼分別制成CWA3型刺輥鋸條，每個鋼種包24只分梳輥。包卷上車前，每個鋼種截取24段2.1 m鋸條，先在火油里用毛刷清洗，然后在四氯化碳內(nèi)去除油污，再在無水乙醇內(nèi)吸去水份，置于80℃烘箱內(nèi)烘1小時，在恒溫恒濕環(huán)境內(nèi)用萬分之一分析天平稱每一段鋸條重量，編號。刺輥包好后，剩下鋸條另頭重復上述清洗、烘燥、稱重。紡紗過程中，每天按鋼種分別測定成紗品質(zhì)指標、條干、斷頭等。每連續(xù)運轉(zhuǎn)一星期后，按不同鋼種各取一只刺輥，剝下鋸條，按上述方法清洗、烘干后，在恒溫恒濕環(huán)境內(nèi)稱重。將新針齒和剝下稱重后的針布取齒部樣，在60萬倍掃描電鏡上觀察針齒表面狀態(tài)和針齒磨損情況。

試驗直至刺輥嚴重繞纖維、斷頭大大增加、條干明顯惡化、品質(zhì)指標顯著下降為止，前后共兩個月。

必須指出，用萬分之一分析天平稱重，測量精度高，在整個試驗過程中，每一步操作都必須十分細心，防止鋸齒意外磨損或碰傷，一旦發(fā)現(xiàn)某編號鋸條有意外重量變化，則將此編號除去，并重新取樣。

關(guān)于磨損量測定結(jié)果及其分析，請見文獻^［⁵^］，本文只對磨損前后的微觀形貌作分析討論。

3 新針齒微觀形貌特征

3.1 新針齒形貌

新針齒的微觀形貌如圖1~4所示?？梢钥闯觯盒箩橗X齒尖頂部為小方頭，棱邊棱角清晰；沖切口內(nèi)兩側(cè)棱邊棱角分明，但在斷口側(cè)，有的齒的下棱邊存在較厚的卷邊，如圖4。沖口厚度的上半部為切口，較光滑，但有沖模刀口橫紋。沖口厚度的下半部為斷口，極粗糙，大小微凸體很多。斷口棱邊較切口棱邊粗糙度大得多。齒的各個面上，均存在或多或少的疏松氧化皮，氧化皮脫落處，為基體的粗糙面。60鋼氧化皮脫落較多，殘留較少；60WV、80WV脫落較少，殘留較多；80WVRe界于其間。

圖1 60鋼新齒形

圖2 60WV鋼新齒形

圖3 80WVRe鋼新齒形

圖4 80WV鋼新齒形

3.2 新針齒表面微觀形貌

新針齒表面微觀形貌如圖5~10所示。圖5是60WV齒表面放大300倍的氧化皮表面及氧化皮脫落后的針齒基體的粗糙表面。圖6是60鋼的氧化皮及基體表面放大1500倍的微觀形貌。圖7~10分別是60WV、80WVRe、60鋼和80WV鋼新齒表面放大1500倍的微觀形貌，表面均存在大大小小的許多微凸體。其中60WV基體的微凸體細小，且分布較均勻，80WV其次，60鋼和80WVRe基體表面微凸體粗大，且分布不均勻。這4個鋼種，鋼材不同，但加工工藝相同，表面形貌差異極大。這種極粗糙的微觀表面，對針齒跑合期的耐磨度產(chǎn)生嚴重影響。

圖5 60WV齒表面形貌

圖6 60鋼新齒表面氧化皮

圖7 60WV鋼新齒表面形貌

圖8 80WVRe鋼新齒表面形貌

圖9 60鋼新齒表面形貌

圖10 80WV鋼新齒表面形貌

4 磨損后針齒的微觀形貌特征

4.1 針齒磨損后形貌

針齒磨損后形貌如圖11~16所示。均為渦流紡小刺輥齒條紡紗4周后，放大100倍的磨損齒形?？梢钥闯觯焊麂摲N的齒均產(chǎn)生了嚴重的磨損，但在圖11~15中，磨損溝槽根數(shù)多少、溝槽的寬窄、深淺各不相同，十分隨機；圖15中，溝槽少而寬，齒尖頭和工作面有嚴重腐蝕麻點。圖16中，沒有溝槽，只有腐蝕小麻點。各齒的齒頂小方頭前緣棱邊棱角均被磨圓，齒頂部實際前角大大增大，已失去抓取和握持纖維的能力。圖14的齒頂還產(chǎn)生了較深的溝槽。各齒的前面和兩側(cè)面氧化皮均已被磨掉，針齒基體粗糙度大大改善，光潔度顯著提高。

圖11 60鋼第4周磨損形貌

圖12 80WV第4周磨損形貌

圖13 60WV第4周磨損形貌

圖14 80WVRe第4周磨損形貌

圖15 60WV第4周磨損形貌

圖16 80WV第4周磨損形貌

4.2 磨損溝槽內(nèi)微觀形貌

針齒磨損溝槽內(nèi)微觀形貌如圖17~21所示。其中圖17~19為渦流紡分梳輥鋸齒磨損溝槽內(nèi)的微觀形貌。圖17和19放大3000倍，圖18放大1500倍?？梢郧宄吹巾樦鴾喜鄯较蛴性S多微形犁耕溝，微形溝兩側(cè)有明顯的塑性變形隆起，這是磨粒磨損微切削的典型特征。圖20和21為靜電紡刺輥鋸齒磨損溝槽內(nèi)的微觀形貌，大多數(shù)溝槽內(nèi)存在許多腐蝕斑。圖21的靜電紡鋸齒磨損溝槽內(nèi)，既有腐蝕斑，又有微形犁耕溝槽和波浪狀塑性變形堆積物。這種微觀的磨損形貌特征，與其工況條件密切相關(guān)，將在磨損機理分析內(nèi)作詳細說明。

圖17 磨損溝槽內(nèi)的犁耕溝槽

圖18 磨損溝槽內(nèi)的犁耕溝槽

圖19 磨損溝槽內(nèi)的犁耕溝槽

圖20 靜電紡鋸齒磨損溝槽內(nèi)腐蝕斑

圖21 靜電紡鋸齒磨損溝槽內(nèi)的腐蝕斑、波浪形塑變和犁耕溝槽

4.3 渦流紡鋸齒磨損溝槽內(nèi)磨屑非溶物的電鏡照

渦流紡鋸齒磨損溝槽內(nèi)磨屑，大多為腈綸磨粉，將腈綸磨粉用溶劑二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺等溶劑溶掉后，其非溶物為刺輥胎磨屑和鋸齒磨屑的混合物，如圖22所示。其中（a）有球狀、塊狀，(b)中有片狀、長條狀和（c）帶狀、圓錐狀等。磨屑的形貌特征，是研究磨損機理的重要判據(jù)。

圖22 渦流紡分梳輥磨屑非溶物形貌

5 金屬針布磨損機理

5.1 磨損過程

作者經(jīng)渦流紡分梳輥工作不同時間磨損量的測定^［5^］，分梳輥磨損全過程分三個階段：跑合磨損期、穩(wěn)定磨損期和失效（快速）磨損期。

跑合期磨損，取決于金屬針布的氧化皮多少和氧化皮脫落后針布基體表面粗糙度大小。氧化皮越多，粗糙度越大，磨損量越大，磨損速度越快。工作面光潔度越高，粗糙度越小，越不易形成溝槽。這個階段中，針齒表面疏松的氧化皮在高速纖維流沖刷下大量脫落，針齒基體微凸體中的高峰點與纖維上微凸體高峰點相互切向碰撞、高周波沖擊疲勞而脫落，形成磨屑為球狀、塊狀、長條狀或圓錐狀。針齒表面粗糙度改善，光潔度提高，纖維和針齒表面的實際接觸點逐漸增多，磨損量由大逐漸減少，逐漸進入穩(wěn)定磨損期。

在穩(wěn)定磨損期中，纖維與針齒實際微凸體接觸點大大增多，每個接觸點上切向和法向的平均作用力相應(yīng)減弱，磨損量小而穩(wěn)定。針尖小方頭的棱邊棱角開始被沖刷磨損，纖維易于在工作面兩側(cè)棱邊、斷口粗糙面中的微凸體波谷內(nèi)聚集抽拉，沖刷，逐漸開始集中磨損。這個階段中，磨損的快慢，磨損速度，完全取決于針齒的材質(zhì)、金相組織、鋼材中的夾雜物、是否有齒尖脫碳等因素。

失效（快速）磨損階段，齒頂小方頭前棱邊棱角被磨滅，齒尖前緣的實際前角遠超90°，大于纖維與針齒的自動制動摩擦角。（紡280小時的齒測得齒尖前緣實際前角為84°~131°，平均為96.4°，均方差13.02）。針齒尖已失去抓取和握持纖維的能力，失去分梳作用。針齒工作面（前面）兩側(cè)棱邊、前面和兩側(cè)面產(chǎn)生溝槽，溝槽逐漸加深加寬，產(chǎn)生嚴重集束作用，紡246小時時測得，三角形溝槽截面積為800μm²~2400μm²；梯形溝槽的截面積為1200μm²~3300μm²。纖維截面積一般在314μm²。因此，三角形溝槽內(nèi)可集束2.6~7.6根纖維；梯形溝槽內(nèi)可集束3.8~10.5根纖維。不但失去分梳作用，還產(chǎn)生嚴重繞花。致使斷頭顯著增加，成紗品質(zhì)指標下降，條干顯著惡化，無法進行正常生產(chǎn)^［6^］。

5.2 磨損機理

（1）纖維流對針齒上微凸體的沖擊疲勞。不論握持分梳還是錫林蓋板間的自由分梳，分梳輥與握持纖維的速差極大。分梳輥直徑80 mm，轉(zhuǎn)速7000 r/min，鋸齒的線速度高達175.93 m/min，鋸齒與纖維的速差在175 m/min左右；錫林蓋板間自由分梳時，錫林轉(zhuǎn)速360~500 r/min間，錫林針齒的線速度在1458.85 m/min~2026.33 m/min，減去蓋板速，針齒的線速度仍高達1458m/min~2026 m/min。如此高速作用在纖維上，即使纖維質(zhì)量很小，受到?jīng)_擊時有所避讓，纖維上微凸體對針齒上微凸體的沖擊作用仍然十分巨大。對800 齒/（25.4mm）²齒密的錫林針齒，每根纖維受2.5齒作用時，則每個齒平均受到3.375×10⁶~5.625×10⁷次作用。這屬干高周波沖擊。這樣高周波頻率的沖擊、擠壓作用于針齒的微凸體上，雖纖維硬度遠小于針齒硬度，也足以使其產(chǎn)生彈性變形，當變形足夠大時，將會在針齒表面或次表面產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴展而脫落，形成片狀磨屑。如圖23所示。

圖23 擠壓變形成薄片剝落^［7^］

變形磨損量^［7^］W_D=M（VSinα-K）²/2ε

式中M—沖擊磨粒質(zhì)量；V—磨料與針齒的相對速度；α—沖角；ε—變形磨損系數(shù)；K——常數(shù)。

式中可見：變形磨損量與磨粒質(zhì)量成正比，與速度和沖角成二次方函數(shù)關(guān)系；與變形磨損系數(shù)成反比。

當表面接觸應(yīng)力較小，而摩擦力較大，或針齒表面質(zhì)量較差，表層內(nèi)存在脫碳、燒傷，內(nèi)部存在錯位、空穴或夾雜物等缺陷時，在這些缺陷的界面處，抗剪切強度低而產(chǎn)生裂紋，在反復擠壓和切向摩擦力作用下，裂紋沿缺陷界面不斷擴展，直至脫落，形成磨屑。如圖24所示。這種磨損，最容易將硬磨粒犁耕溝槽兩側(cè)的變形唇和前變形唇（如圖25）磨掉。多次塑變后形成的磨屑呈塊狀、長條狀或片狀。如圖22所示。

圖24 反復擠壓摩擦產(chǎn)生裂紋而脫落

圖25 微切削時的變形唇

（2）纖維內(nèi)硬磨粒犁耕。棉纖維內(nèi)含有許多泥砂、灰塵等硬雜物。泥砂與灰塵的成份，絕大多數(shù)為二氧化硅、三氧化二鋁等材料，相當于砂輪中的磨料。二氧化硅和三氧化二鋁的莫氏硬度分別為7和8.8；化纖中消光劑二氧化鈦（俗稱鈦白粉）的莫氏硬度為6~7 。一般金屬的莫氏硬度均＜5。所以泥砂、灰塵和化纖中的消光劑的硬度遠高于針齒的硬度。這類硬磨粒，夾雜在纖維中，粘附于纖維表面，與針齒表面摩擦時，介于纖維和針齒表面間，成為三體磨損。這些硬磨粒受沖擊、擠壓時，壓入針齒基體表面，在切向摩擦力推動下，針齒的部份材料被擠壓堆積在磨粒前緣，形成前變形唇；部份材料被擠壓到磨粒兩側(cè)，形成兩側(cè)變形唇。如圖25所示。兩側(cè)變形唇在纖維切向沖刷下脫落后，即形成兩側(cè)隆起的邊脊，如圖17~19所示。硬磨粒的犁耕作用誘發(fā)磨損溝槽的形成，并加劇磨損溝槽深度和寬度的擴展，大大縮短了針布的使用壽命。

針布平磨和側(cè)磨，砂輪中硬磨粒對針齒的磨損和罩板軋傷針齒，都為硬磨料磨損。如圖26所示。

圖 26紡62/38/65mm中長滌粘，

20㎏/臺時已生產(chǎn)2年3個月，平磨三次的梳機錫林針布

（3）腐蝕磨損

腐蝕磨損分化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。

①化學腐蝕^［⁸^］。

經(jīng)加工的針齒表面組成較復雜，微觀是凹凸不平的微凸體，而且與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用。大致分為5個部分，污染層：油污、灰塵；吸附層：液體、氣體；氧化層：大氣中氧；貝氏層：加工中表層熔化和表面分子層流動產(chǎn)生的微晶層；變形層：機加工過程中形成的變質(zhì)層。如圖27所示。加工后的金屬表面活性大，容易氧化生成氧化膜，在570℃以下，氧化層中由表層到里層為Fe₂O₃， Fe₃O₄。如圖28所示。Fe₂O₃較脆弱，易于在纖維的摩擦力作用下產(chǎn)生裂紋而脫落，加劇磨損。

圖27 針齒的表面組成

圖28 氧化膜

化學纖維中的油劑，一般含添加劑有：①平滑劑40～60%，②乳化劑25～40%，③抗靜電劑5～25%。主組分占油劑90%以上，付組分占油劑10%以下。還有其他添加劑：PH調(diào)節(jié)劑，防腐劑，抗氧劑，柔軟劑，潤濕劑，粘度改善劑，殺菌劑，勻染劑，消泡劑，集束劑等。PH值6±0.5，以控制在5.5～6.5為最佳。故化纖油劑一般均為酸性。油劑中既有水分，又有一定的酸度，更易促使金屬中某些元素成分與氧化合，產(chǎn)生氧化反應(yīng)，形成斑點狀腐蝕坑，加速磨損進程。圖15中的腐蝕斑，就是明證。

當氧化速度大于摩擦剝落時，則表現(xiàn)為氧化腐蝕；當摩擦剝落速度大于氧化速度時，則表現(xiàn)為磨粒磨損。

②電化學腐蝕^［⁹^、10^］

在靜電紡紗的特殊工況條件下，針齒磨損主要為電化學腐蝕。靜電紡紗時，靜電場電壓高達3萬伏，在電極周圍產(chǎn)生電暈和臭氧；棉條必須給濕至回潮率達12%；相對濕度必須達到70%才能正常紡紗。在這種工況下，臭氧極易使金屬氧化，形成氧化膜；棉條的高回潮率和空氣的高相對濕度，在金屬的波谷內(nèi)極易形成水膜電解質(zhì)，在這層水膜里含有氫離子和氫氧根離子，還溶解了氧等氣體，金屬表面形成的這層電解質(zhì)溶液，它和鋼鐵里的鐵和少量的碳恰好形成無數(shù)微小的原電池。在這些原電池里，鐵是負極，碳是正極。鐵失去電子而被氧化。在金屬與電解質(zhì)間形成的微電池，也使金屬中比較活潑的元素失去電子而被氧化。如鐵和氧，因為鐵的電極電位總比氧的電極電位低，所以鐵是陽極，遭到腐蝕。其特征是在發(fā)生氧腐蝕表面形成許多直徑不等的小鼓包，次層是黑色粉末狀潰瘍腐蝕凹坑（腐蝕斑）。鋼鐵腐蝕的方程^［8~10^］如下：

水膜酸性較強時，析氫腐蝕（正極）：2H⁺+2e=H₂↑

水膜酸性很弱或呈中性時，吸氧腐蝕（正極）：2H₂O+O₂+4e=4OH^-

負極：Fe-2e=Fe²⁺

正極：2H₂O+O₂+4e=4OH^-

鐵銹的生成：

Fe²⁺+2OH^-=Fe（OH）₂↓

4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₃

2Fe（OH）₃=Fe₂O₃·xH₂O+（3-x）H₂O

生成的Fe₂O₃·xH₂O就是鐵銹。

鐵銹分子式為：FeOOH、Fe₂O₃H₂O、xFeO_yFe₂O₃2H₂O。

鋼鐵在大氣中的腐蝕，一般為吸氧腐蝕。

氧化膜或腐蝕斑在大量纖維的擠壓和切向沖刷作用下產(chǎn)生裂紋而被剝落。如圖20所示。靜電紡鋸齒也存在硬磨粒磨損和塑變剝落，如圖21所示。但主要為電化學腐蝕。

綜上所述，金屬針布的磨損極其復雜，是以軟磨料沖刷疲勞剝落為主，以硬磨料磨損為輔，化纖紡中存在化學磨損，靜電紡中以電化學腐蝕磨損為主，也存在硬磨料磨損和塑變剝落。

6 影響磨損的因素

影響金屬針布磨損的因素很多，但主要有：針齒表面狀態(tài)、鋼材元素成分、金相組織和硬度、梳棉機的產(chǎn)量、速度、隔距、加工纖維類別、磨針工藝和溫濕度等。

6.1 針齒表面狀態(tài)對磨損的影響

針齒表面狀態(tài)指的是表面氧化皮和粗糙度。國內(nèi)現(xiàn)有的針布制造，均在空氣中加熱淬火，使冷軋的光潔表面形成或多或少的氧化皮，氧化皮脫落后即為基體的粗糙面。針布在空氣中加熱時間越長，氧化皮越厚越多。氧化皮與針布基體結(jié)合力較脆弱，在纖維和硬雜物沖刷下易于脫落。所以氧化皮越多，磨損越快。氧化皮脫落后的基體表面，是一個粗糙面。粗糙度越大，波峰波谷高度差越大，纖維與針齒初始接觸時首先是微凸體的高點相互碰撞、剪切，或受反復沖擊疲勞而脫落。針齒粗糙度越大，磨損越快。特別是工作面（針齒的前面）和兩側(cè)面與工作面相交的棱邊上的粗糙度，其波谷成為纖維嵌入的溝槽源，引起纖維集中磨損。所以氧化皮和粗糙度均將嚴重影響針布跑合磨損階段的磨損量、磨損速度和跑合期的長短。減小工作面切口、斷口和兩側(cè)面的粗糙度，提高光潔度，可減少纖維嵌入的溝槽源，防止集中磨損，促使均勻磨損，就可延長抱合期磨損，從而提高壽命。經(jīng)我們用基恩斯測定，Graf錫林針布工作面的粗糙度，比國產(chǎn)的小3倍多，如表1和圖29所示。據(jù)金屬偶件的磨損研究^［11^］，光潔度從▽8提高到▽9，壽命可提高2~3倍；光潔度從▽10提高到▽11，壽命提高0.4倍?？梢?，光潔度較低時，提高表面光潔度，將對耐磨度產(chǎn)生顯著影響。Graf針布沖切口粗糙度很小，是其使用壽命長的一個重要原因，它減少和延遲了溝槽的形成，一開始就產(chǎn)生均勻磨損，從而顯著提高了針布的使用壽命。

作者在不同鋼種和表面處理的研究中^［12^］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)表面處理的針齒表面沒有氧化皮，電解拋光的針齒耐磨度優(yōu)于噴砂拋光，其原因就是電解拋光的粗糙度優(yōu)于噴砂拋光，噴砂拋光的齒條表面有砂粒沖擊的凹坑，坑邊緣有變形唇，且有加工硬化，不耐沖擊疲勞。

（a）國產(chǎn)錫林針布沖口粗糙度（其中綠色為測點）

（b）Graf錫林針布沖口粗糙度（其中綠色為測點）

圖29 國產(chǎn)和Graf錫林針布沖口粗糙度對比

6.2 鋼材元素成分對磨損的影響

經(jīng)筆者對不同鋼種磨損量測定^［5^］：60鋼、60WV、80WV和80WVRe四個鋼種中，新鋼種60WV、80WV和80WVRe的磨損率和相對耐磨度均顯著優(yōu)于60鋼，三個新鋼種間則無顯著差異，但磨損率、磨損速度和相對耐磨度的絕對值則以80WVRe最優(yōu)。80WVRe的相對耐磨度是60鋼的1.64倍。在不同鋼種和表面處理的研究中^［12^］，60鋼、T9A、60WV和80WV四個鋼種中，80WV最耐磨，其相對耐磨度是60鋼的2.24~2.28倍；60WV鋼第二，其相對耐磨度是60鋼的1.63~1.74倍；T9A與60鋼相近。

碳鋼中加入合金元素W和V，可以在隱針狀馬氏體中形成硬度極高的WC和VC，它們的維氏硬度分別為HV2400和HV2800，可顯著提高對抗硬磨料的犁耕，從而顯著提高針齒穩(wěn)定磨損期的耐磨度。加入稀土Re，可細化晶粒，提高針齒韌性和抗沖擊疲勞能力，對提高針齒耐磨度有顯著的促進作用。增加鋼中含碳量（＞0.80%），針齒硬度雖有顯著提高（如T9A），但冷熱加工性能顯著惡化（壓延困難、熱處理溫度范圍窄），脆性增大，韌性降低，抗纖維沖擊疲勞性能下降，耐磨度提高不理想。

6.3 金相組織和硬度

金相組織是影響針布穩(wěn)定期耐磨度的主要因素。經(jīng)作者多次不同鋼種磨損對比試驗^［5^、12^］，金相組織以隱針狀馬氏體+低溫回火馬氏體+彌散碳化物，馬氏體評級在1級以內(nèi)的最耐磨。金相組織的晶粒越細，分布越均勻，硬度雖不最高，但強韌性好，耐磨度越好。相反，若馬氏體和碳化物晶粒粗大，大小晶粒不一，分布又不均勻，馬氏體評級在2級及2級以下，即使硬度很高，卻并不耐磨（如T9A）。針齒表面有脫碳和夾雜多，針齒就極易磨損。所以，細化金相組織，減少夾雜，防止淬火時脫碳，是提高針齒耐磨度的關(guān)鍵；針齒的硬度并不是耐磨度的決定性的因素。

Graf和國產(chǎn)錫林針布齒尖金相對比如圖30所示。圖30a（細針狀+隱針狀）回火馬氏體+點狀碳化物，馬氏體與碳化物分布較均勻，圖30b細針狀回火馬氏體+粒狀碳化物，馬氏體與碳化物分布欠均勻。因此Graf錫林針布耐磨度顯著優(yōu)于國產(chǎn)錫林針布。

（a）Graf錫林針布齒尖金相組織

（b）Graf錫林針布齒尖金相組織

圖30 Graf和國產(chǎn)錫林針布齒尖金相對比

6.4 梳理工藝對針布磨損的影響

梳理工藝包括梳棉機產(chǎn)量、速度、隔距、加工纖維類別、磨針工藝和溫濕度等。

（1）梳棉機產(chǎn)量和速度：一般梳棉機產(chǎn)量越高，梳棉機速度也越高，針齒上通過的纖維量隨產(chǎn)量和速度的提高而增加，纖維沖刷針齒的頻次大大增加，故磨損加劇。

（2）隔距：梳理隔距越小，纖維對針齒的擠壓力和梳理力大增，纖維對針齒摩擦加劇，纖維易損傷，針齒易磨損。隔距過緊，還容易接針，燒毀齒尖。為防損傷纖維和齒尖加速磨損，一般新針布上機時，應(yīng)放大隔距2英絲左右。

（3）加工纖維類別：化纖與棉纖維相比，棉型化纖纖維長，摩擦系數(shù)大，又有油劑的化學作用，所以一般紡化纖的針布比紡棉磨損快。中長纖維，長度更比棉型化纖長，梳理力更大，所以紡中長化纖的針布磨損更快，壽命更短?；w中有消光劑氧化鈦，則產(chǎn)生硬磨料犁耕，針齒的壽命更短?；w中油劑的酸、堿度大，針齒易腐蝕磨損，磨損速度快，壽命短。

（4）磨針工藝：砂輪上磨料的硬度，一般遠高于針齒的硬度，故屬于硬磨料磨損，磨損速度非?？臁Ｆ侥ズ蛡?cè)磨，均在齒頂面和兩側(cè)面形成磨損溝痕，甚至在溝痕兩側(cè)和前緣產(chǎn)生變形唇。平磨在一定程度上雖可恢復齒頂面前緣的棱邊、棱角和前角，恢復齒尖抓取和握持纖維的能力，改善磨損針齒的梳理能力，但隨平磨次數(shù)增多，齒頂面積不斷增大，穿刺纖維層的能力隨之下降，又影響分梳。側(cè)磨可減小齒頂寬度，恢復針齒穿刺纖維層的能力，減小前面（工作面）兩棱邊和兩側(cè)面的磨損溝槽，減少集束作用，在一定程度上恢復梳理作用。但側(cè)磨磨片在跨越齒頂時，括擦齒頂面，惡化平整度；側(cè)磨的犁耕溝槽，同時也是纖維易于集束的新溝槽源。所以，平磨和側(cè)磨達到一定次數(shù)后，針布必然報廢。

（5）溫濕度：梳理車間高溫高濕，針齒表面易產(chǎn)生吸附膜，導致腐蝕磨損，縮短針布壽命。放長假后針布鋒利度迅速衰退，也是因氧化腐蝕加劇所致。

7 結(jié)論

金屬針布的磨損機理較復雜，因梳理工況不同，存在不同的主要磨損機理。

（1）一般工況下，金屬針布磨損，以軟磨料沖擊疲勞磨損為主，硬磨料磨損為輔的磨損。

（2）化纖中油劑，促進化學腐蝕磨損；化纖中消光劑，加劇磨粒磨損。

（3）靜電紡中，高壓電場的臭氧，棉條給濕，相對濕度高，在金屬微凸體波谷內(nèi)形成微電池，為典型的電腐蝕磨損，但也存在硬磨料磨損和塑變疲勞磨損。

影響金屬針布磨損的主要因素有：

（1）針齒表面氧化皮和粗糙度影響針布跑合期磨損，減小沖切口粗糙度，有助于均勻磨損，顯著延長針布壽命。

（2）金相組織、脫碳和夾雜是決定穩(wěn)定磨損期的關(guān)鍵因素，硬度不是提高耐磨度的決定因素。細化晶粒，均勻分布，防止脫碳，減少夾雜，可顯著提高針齒的耐磨度。

（3）高速高產(chǎn)，緊隔距，強分梳，大大縮短針布的壽命；化學纖維的油劑、消光劑，加劇針布的腐蝕磨損和硬磨料磨損。

（4）高溫高濕，促使氧化腐蝕，加速金屬針布的磨損。

參考文獻：