高耐磨金屬針布齒條鋼材探討(一)

許鑑良(東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 200023)

?技術(shù)專論

高耐磨金屬針布齒條鋼材探討(一)

許鑑良
(東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 200023)

為了探討在當(dāng)代金屬針布齒條加工工藝條件下如何制造高耐磨產(chǎn)品，分析金屬針布的加工工藝和磨損機(jī)理，以轉(zhuǎn)杯紡分梳輥齒條為例，對82B，GRST1，GRST2，3個國產(chǎn)新型鋼種和瑞士格拉夫公司產(chǎn)OK40型齒條在快速磨損模擬試驗機(jī)上進(jìn)行對比試驗和分析；詳細(xì)論述齒條表面氧化皮、表面粗糙度、鋼材元素成分與齒尖金相組織、鋼材夾雜等對齒條耐磨度的影響；以GRST1鋼為基礎(chǔ)，吸收OK40型和ECC公司齒條產(chǎn)品用鋼材元素成分組合，給出高耐磨金屬針布齒條專用鋼材元素成分。指出：OK40型齒條耐磨度最好，其次為GRST1鋼齒條；影響齒條跑合期磨損的主要因素是其表面氧化皮、沖口和兩側(cè)面粗糙度及齒部脫碳層；影響齒條穩(wěn)定期耐磨度的主要因素是鋼材元素成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和金相組織；高耐磨金屬針布齒條專用鋼材元素以GRST1鋼為基礎(chǔ)，加入Mo元素，使其C，Cr，Ni，Al和Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.74%～0.78%，0.18%～0.22%，0.054%和0.10%～0.20%。

高耐磨；金屬針布；OK40型；齒條；鋼材；耐磨度；表面粗糙度；鋼材元素；金相組織

1 概述

金屬針布齒條的鋼材，應(yīng)適合當(dāng)代的金屬針布齒條加工工藝：冷拉不斷裂，軋制不開裂，不易損傷軋輥；沖齒切口的表面粗糙度??；在線加熱淬火溫度區(qū)間寬，淬火穩(wěn)定性好；淬火后齒尖金相組織理想、基部軟，易包卷、易焊接。若鋼材不能滿足這些基本工藝要求，即使加入最耐磨的鋼材元素，也難以得到質(zhì)量穩(wěn)定的高耐磨金屬針布齒條來，除非研究新的齒條加工工藝。

金屬針布齒條的鋼材元素成分選配，要針對金屬針布的磨損機(jī)理：金屬針布以軟磨料沖擊疲勞磨損為主、硬磨粒犁耕磨損為輔，化纖紡存在化學(xué)腐蝕，靜電紡為電化學(xué)腐蝕。據(jù)此磨損機(jī)理配置鋼材元素成分，使齒條經(jīng)淬火后的齒部金相為隱針狀回火馬氏體+細(xì)粒狀碳化物，且均勻分布，齒尖不脫碳、無夾雜，齒尖既韌、又硬，強(qiáng)韌性達(dá)到最佳狀態(tài)，既能耐軟磨料沖擊疲勞，又能抗硬磨粒犁耕，還要具有一定的抗腐蝕能力。達(dá)不到這些要求，就不可能成為高耐磨金屬針布的專用鋼材。

合適的鋼材僅是高耐磨金屬針布的前提條件，若加工工藝未優(yōu)化，最好的鋼材也達(dá)不到高耐磨金屬針布的要求。國內(nèi)企業(yè)常采用價格較貴的合金鋼制造金屬針布齒條，其耐磨度還是遠(yuǎn)不如國外不含貴元素的，其主要原因是加工工藝問題。不同的鋼材只有采用不同的優(yōu)化加工工藝，才能制造出高耐磨的金屬針布齒條。針對不同材質(zhì)，優(yōu)化了拉拔工藝、球化退火工藝、正火工藝、軋坯條工藝、再結(jié)晶工藝、沖齒工藝、淬火和回火工藝等全流程加工工藝，才能制成高耐磨的金屬針布齒條。為了便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)省工、省時、節(jié)電和提高勞動生產(chǎn)率，將不同鋼材、不同尺寸的鋼絲或坯條混爐加熱，采用同一拉拔工藝、淬火工藝的做法，難以制造出高耐磨的金屬針布齒條。

2 高耐磨齒條鋼材試驗

2.1 試驗方法

為探索不同鋼種對耐磨度的影響，試驗采用轉(zhuǎn)杯紡分梳輥齒條，即82B鋼、GRST1鋼、GRST2鋼3個新型鋼種和瑞士格拉夫(Graf)公司OK40型齒條作對比。為消除不同齒條規(guī)格可能對耐磨度的影響，82B鋼、GRST1鋼、GRST2鋼均制成OK40型分梳輥齒條，4個鋼種同時在快速磨損模擬試驗機(jī)上進(jìn)行拋磨試驗?？焖倌p模擬試驗機(jī)[1]每次拋磨3.5 h。拋磨前、后嚴(yán)格清洗、烘干，用0.1 μg分析天平測定其磨損量，并以瑞士格拉夫公司齒條為基準(zhǔn)“1”，比較各鋼種齒條的相對耐磨度。

2.2 快速模擬磨s損試驗結(jié)果

以瑞士格拉夫公司OK40型齒條為基準(zhǔn)“1”，其他各鋼種與之相比較，以確定相對耐磨度[2]。對試驗數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖1～圖3所示。

圖1 不同鋼種齒條的磨損率

圖2 不同鋼種齒條的磨損速度

圖3 不同鋼種齒條的相對耐磨度

由圖1～圖3可以看出：磨損率和磨損速度均以O(shè)K40型齒條為最小，其次是GRST1鋼齒條，GRST2鋼齒條與82B鋼齒條的磨損率和磨損速度相近；在跑合期，82B鋼齒條的磨損率和磨損速度小于GRST2鋼；在晚期，GRST2鋼的磨損率和磨損速度小于82B鋼。

相對耐磨度以O(shè)K40型齒條為基準(zhǔn)“1”，其他鋼種的相對耐磨度均顯著小于它；GRST1鋼、GRST2鋼和82B鋼3個鋼種中，GRST1鋼齒條的相對耐磨度最好；GRST2鋼齒條的相對耐磨度與82B鋼齒條基本相同。在跑合磨損期，GRST2鋼齒條的相對耐磨度比82B鋼齒條差，磨損中期互有上下；在磨損后期，GRST2鋼齒條相對耐磨度優(yōu)于82B鋼齒條。分析相對耐磨度曲線變化規(guī)律，可見在磨礪早期的10 h中：82B鋼齒條的相對耐磨度為0.45%～0.60%，GRST1鋼齒條的相對耐磨度為0.45%～0.62%；GRST2鋼齒條的相對耐磨度僅為0.29%～0.46%。在磨礪后期的60 h～63 h，82B鋼齒條的相對耐磨度提高到0.57%～0.62%，GRST1鋼齒條則提高到0.72%～0.79%，GRST2鋼齒條提高到0.64%～0.72%；其中，GRST1鋼齒條的相對耐磨度提高最多，其次是GRST2鋼齒條，而82B鋼齒條提高最少?？傮w而言，與OK40型齒條相比，國產(chǎn)鋼種齒條的跑合期耐磨度太差，晚期相對耐磨度雖有較大差距，但相對較小。這是3個新鋼種齒條加工制造工藝尚未優(yōu)化的情況。

3 影響齒條耐磨度的因素

影響齒條耐磨度的因素很多，主要因素有表面氧化皮、表面粗糙度、鋼材元素成分，齒尖金相組織、硬度、脫碳，以及鋼材夾雜等。

3.1 表面氧化皮和表面粗糙度

OK40型齒條均經(jīng)電介拋光處理，表面無氧化皮，故影響跑合期耐磨度的主要因素是齒條表面和沖口的表面粗糙度。

在本試驗中，各鋼種隨機(jī)各取樣0.5 m檢測齒部基部側(cè)、側(cè)面各30個齒，測定結(jié)果見表1。并對齒條兩側(cè)表面和沖口進(jìn)行顯微形貌觀察、記錄，其特征見表2。

表1 不同鋼種齒條兩側(cè)表面粗糙度Ra值單位：μm

表2 4個鋼種齒條基部側(cè)面、側(cè)面和齒前面的微觀形貌

齒條鋼種基部側(cè)面?zhèn)让纨X前面OK40光潔如鏡面光潔如鏡面無毛刺82B齒根部有明顯軋制痕有拼?？p和很深的牽料壓痕沖口內(nèi)有微凸體和麻點(diǎn)狀凹坑GRST1齒根部有凹坑、毛刺工作面與圓弧交界處有拼?？p，左側(cè)齒根部有裂紋，基部有很深的牽料壓痕沖口內(nèi)有微凸體和麻點(diǎn)狀凹坑GRST2肩部有大量毛刺、微凸體有嚴(yán)重牽料壓痕沖口內(nèi)有大量微凸體和麻點(diǎn)狀凹坑 注：GRST1鋼齒條齒尖部較光滑。

由表1可見：OK40型齒條基部側(cè)面、側(cè)面粗糙度Ra值最小，均值為0.080 3 μm～0.085 8 μm,而且穩(wěn)定、波動小，均方差σ為0.238 0～0.301 4；國產(chǎn)3個鋼種中，雙側(cè)表面粗糙度均比OK40齒條大一個數(shù)量級。其中，GRST1鋼齒條兩側(cè)表面粗糙度最差，Ra值為0.187 3 μm～0.128 4 μm，其波動也最大，均方差σ側(cè)面為0.393 0、基部側(cè)面高達(dá)1.004 8，這與該齒條表面有凹坑和凸起有關(guān)；82B鋼齒條基部側(cè)、側(cè)表面粗糙度Ra值0.134 4 μm～0.133 9 μm，表面粗糙度波動在3個國產(chǎn)鋼種中較小，但比OK40齒條大，σ值基部側(cè)面為0.355 3、側(cè)面為0.320 1；GRST2鋼齒條的表面粗糙度在3個國產(chǎn)鋼種中較小，基部側(cè)、側(cè)表面粗糙度Ra值為0.113 4 μm～0.131 7 μm，但仍顯著大于OK40齒條，其表面粗糙度波動，σ基部側(cè)面為0.387 0、側(cè)面為0.324 3，但也大于OK40齒條。國產(chǎn)3個鋼種齒條兩側(cè)表面粗糙度波動均是基部側(cè)面大于側(cè)面，這與拋光時齒條包于掛籃上后，基部側(cè)面緊靠陽極，側(cè)面朝向陰極有關(guān)。

齒條拋光后表面粗糙度Ra值大小，與坯片側(cè)面原始表面粗糙度、沖口內(nèi)斷面毛刺、拋光過程中除油、除銹、拋光液配方、拋光液新舊、拋光溫度、拋光液比重、拋光時間長短、電流密度、電壓及鋼材元素成分、金相組織等諸多因素有關(guān)。

表2中的微凸體峰谷、拼?？p、凹坑和軋輥壓痕，均是磨損的溝槽源，使一開始磨損就產(chǎn)生集中磨損。纖維與齒部的摩擦不同于散在磨粒與齒部的摩擦，嵌入溝槽內(nèi)的纖維上某一微凸體與齒部峰谷內(nèi)某一微凸體碰撞剪切后，因纖維上連續(xù)性各質(zhì)點(diǎn)隨纖維的切向抽取轉(zhuǎn)移，纖維上的各微凸體均可能與此峰谷內(nèi)同一微凸體產(chǎn)生碰撞摩擦，即產(chǎn)生集中的磨損，使磨損大大加速；而只有光滑表面才會均勻磨損。跑合期磨礪中，微凸體峰點(diǎn)受到的摩擦阻力最大，最易脫落，故表面粗糙度越大則跑合期磨損越快。齒條齒尖硬度、金相組織及鋼材元素成分雖對跑合期磨損亦有影響，但對早期磨損影響最大的應(yīng)該是表面粗糙度及微觀形貌。

國產(chǎn)3個鋼種的齒條在跑合期很不耐磨，相對耐磨度僅為OK40型齒條的0.294～0.454。主要原因是兩側(cè)面的表面粗糙度Ra值大，沖口內(nèi)有毛刺，存在軋輥壓痕和拼模縫。研制能代替進(jìn)口格拉夫公司產(chǎn)的高耐磨齒條，必須提高軋制坯條的表面粗糙度，減少沖口毛刺、卷邊，改善齒條拋光后的表面粗糙度是關(guān)鍵。

齒尖表面脫碳，也是影響齒尖早期磨損的主要因素之一。經(jīng)檢測，對比的4個鋼種齒條其齒尖金相組織脫碳不明顯。

3.2 鋼材元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

鋼材元素成分在蘭州大學(xué)材料實驗室測定，先用X射線熒光光譜定性分析元素成分；再用原子吸收光譜(ACP)對已確定的元素作定量分析，4種對比鋼材和英國ECC公司產(chǎn)齒條的鋼材元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果列于表3。

對比表3中各鋼種齒條元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可知：

a) C質(zhì)量分?jǐn)?shù)以82B鋼、GRST2鋼和ECC公司產(chǎn)齒條最大，其次是OK40型，GRST1鋼為最小。

b) 各鋼種Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同。

c) Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)以O(shè)K40型最大，82B鋼齒條次之，GRST1鋼、GRST2鋼和ECC公司齒條相當(dāng)。

d) ECC公司產(chǎn)齒條和GRST2鋼齒條Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，GRST1、OK40型相當(dāng)。

e) 除82B鋼齒條外，各鋼種Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)。

f) GRST1鋼齒條含有少量Cu，GRST2鋼齒條含少量Sn。

g) OK40型，ECC公司產(chǎn)齒條和GRST2鋼齒條均含有Al，以ECC公司產(chǎn)齒條的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多，其次是OK40型，GRST2鋼齒條最少。

h) ECC公司產(chǎn)齒條含Mo很多，GRST2含W較多。

i) GRST1鋼齒條、GRST2鋼齒條和ECC公司產(chǎn)齒條均含有一定量的V，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)。

j) GRST1鋼齒條含Nb，其他鋼種均無。

表3 4種國產(chǎn)鋼材和ECC公司產(chǎn)齒條的鋼材元素及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比單位：%

k) GRST1鋼齒條和GRST2鋼齒條均含有Re，其他鋼種均無。

l) OK40的P質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，82B鋼齒條是其2倍，ECC、GRST1和GRST2鋼齒條則為其3倍；82B鋼齒條S質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，其次是OK40型，而GRST1和GRST2鋼齒條是OK40型鋼齒條的2倍，且均含O和N，OK40型和ECC均無O及N。

以上鋼種的顯著差別是：OK40型齒條C質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，有Al而無W，Mo，V，Nb和Re等貴金屬元素；ECC齒條C及Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，且含有V，Al及少量W；GRST1齒條C質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，但含V，Nb和Re等， P，S，O和N等夾雜均較高；GRST2鋼齒條C質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，且含較多W和V，還有一定量的Sn和Al。

(未完待續(xù))

[1] 許鑑良.金屬針布快速磨損模擬試驗研究[J].華東紡織工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,1985,11(1)：15-24.

[2] 許鑑良，陳麗珍，陳文龍，等.新型鋼種的金屬針布磨損研究[J].紡織學(xué)報，1984，15(2)：5-11.

[3] 安繼儒.中外常用金屬材料手冊[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1992:1250-1256.

[4] 崔崑.鋼鐵材料及有色金屬材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[5] 《稀有金屬應(yīng)用》編寫組.稀有金屬應(yīng)用[M].北京： 冶金工業(yè)出版社,1974.

[6] 《稀有金屬知識》編寫組.稀有金屬鉭與鈮[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1974.

[7] 金輪針布(江蘇)有限公司.內(nèi)部技術(shù)資料[Z].

Probing into High Wear-resistant MCC Wires

XU Jianliang
(School of Textiles Donghua University, Shanghai 200023,China)

To explore how to manufacture high wear-resistant products in contemporary MCC wires processing conditions，analysis is done to the processing technology and wear mechanism of MCC.Sampling the wires on the carding roller of the rotor spinning frame,comparative analysis is done to the products of domestic steel 82B,GRST1,GRST2 and wires OK40 from Swiss Graf company after fast wear simulation test.Detailed discussion is made on the oxide scales of the wires,surface roughness,steel element composition and microstructure of the tooth points,inclusions and other effects on the abrasion resistance of the wires;taking GRST1 steel as the foundation,considering the element composition of OK40 and ECC products,components with high wear-resistant MCC wires are given.It is noted that wires OK40 is of good wear-resistant,followed by that of GRST1.Main factors affecting wire running-in include surface oxide scales,notching,roughness on the both sides and tooth decarburized layer while main factors affecting wire wear-resistance in the stable phase include elements of the steel wire and mass fraction and microstructure.The high wear-resistant wires of MCC,in case of special steel element with GRST1 steel,if element of Mo is added,so to make the mass fractions of C，Cr，Ni，Al and Mo are respectively as 0.74%～0.78%,0.18%～0.22%,0.054% and 0.10%～0.20%.

high wear-resistant;MCC;OK40;wire;steel;wear-resistant;surface roughness;steel elements;microstructure

2016-09-18

許鑑良(1936—)，男，江蘇無錫人，副教授，主要從事梳理器材的研究和應(yīng)用。

TS103.82+1

A

1001-9634(2017)02-0001-05