金屬針布磨損機(jī)理探討

許鑑良

(東華大學(xué),上海 200051)

?技術(shù)專論

金屬針布磨損機(jī)理探討

許鑑良

(東華大學(xué),上海 200051)

為了提高金屬針布的使用壽命，開發(fā)高耐磨金屬針布齒條，介紹目前國(guó)內(nèi)對(duì)金屬針布磨損機(jī)理研究以及研究需采用的試驗(yàn)方法和幾種不同材質(zhì)新型金屬針布齒條的微觀形貌；通過對(duì)渦流紡和靜電紡用分梳輥金屬針布齒條進(jìn)行電鏡微觀形貌觀察和磨損量測(cè)定，推斷磨損機(jī)理；根據(jù)耐磨度、材質(zhì)、金相組織和表面粗糙度等，分析影響金屬針布磨損的因素。提出：在常規(guī)紡紗中，金屬針布的磨損是以軟磨料反復(fù)沖擊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磨損；在靜電紡紗中，分梳輥金屬針布的磨損為電化學(xué)腐蝕；在化纖紡中，除軟磨料沖擊疲勞對(duì)金屬針布的磨損外，還存在化學(xué)腐蝕磨損；影響金屬針布磨損的主要因素有齒條表面氧化皮、表面粗糙度、鋼材成份、金相組織、梳棉機(jī)高速高產(chǎn)以及小隔距、強(qiáng)分梳紡紗技術(shù)和高溫高濕的紡紗環(huán)境等，為研究金屬針布齒條選材、制造工藝和表面處理，延長(zhǎng)金屬針布使用壽命提供依據(jù)。

金屬針布；齒條；磨損機(jī)理；分梳輥；磨粒磨損；沖擊疲勞磨損；氧化腐蝕；電化學(xué)腐蝕；表面粗糙度；金相組織

0 引言

隨著梳棉機(jī)高速高產(chǎn)的發(fā)展，金屬針布的使用壽命已成為紡紗工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。從20世紀(jì)60年代起至今，國(guó)內(nèi)在金屬針布材質(zhì)和制造工藝等方面進(jìn)行了大量探索，使國(guó)產(chǎn)金屬針布的使用壽命有了很大提高，但與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比，差距還很大。究其原因，是對(duì)金屬針布失效的原因——磨損機(jī)理尚未完全明白，以至采取的技術(shù)措施針對(duì)性不強(qiáng)。

金屬針布的磨損機(jī)理及影響因素極其復(fù)雜，使用工況則是千差萬(wàn)別，歸結(jié)前人研究的磨損機(jī)理，有磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損和微動(dòng)磨損等[1]。因?yàn)槟p機(jī)理不同，制造金屬針布用齒條的材料成分、加工工藝和表面處理等均有區(qū)別；所以，研究梳理用高耐磨金屬針布時(shí)，首先必須熟知金屬針布的磨損機(jī)理，然后“對(duì)癥下藥”，才能取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

1 國(guó)內(nèi)對(duì)金屬針布磨損機(jī)理的研究

費(fèi)青認(rèn)為在給棉板—刺輥和錫林—蓋板間梳理力很小[2-3]；因?yàn)楦鶕?jù)電鏡對(duì)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，所以認(rèn)為是低應(yīng)力磨料磨損，纖維是磨損針布的主要磨料；當(dāng)加工化纖時(shí)，可能有不同程度的腐蝕磨損，但認(rèn)為即使存在腐蝕磨損，與磨料磨損為主體相比也是輕微的；認(rèn)為金屬針布平側(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(rèn)為金屬表面存在一層氧化膜[4]，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(duì)滑動(dòng)時(shí)，氧化膜受到超過其強(qiáng)度的作用力而破損脫落；脫落后的基體上又生成新的氧化膜，這種氧化膜不斷破損脫落、又反復(fù)生成的過程，就形成了金屬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(jī)理所作的推論，均未提出有力的實(shí)驗(yàn)論證。

筆者以渦流紡和靜電紡用分梳輥齒條進(jìn)行試驗(yàn)，并取梳棉機(jī)舊金屬針布作試樣，進(jìn)行電鏡觀察和磨損量測(cè)定，根據(jù)微觀形貌特征推斷磨損機(jī)理；根據(jù)耐磨度、材質(zhì)、金相組織和表面粗糙度等分析影響針布磨損的因素；已證實(shí)：在常規(guī)紡紗中，金屬針布的磨損是以軟磨料反復(fù)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，分梳輥用金屬針布的磨損為電化學(xué)腐蝕；在化纖紡中，則以化學(xué)腐蝕為主。以此探索金屬針布齒條選材、制造工藝和表面處理。

2 金屬針布磨損試驗(yàn)方法

在普通梳棉機(jī)上試驗(yàn)，難以取樣觀察金屬針布磨損全過程，并測(cè)定金屬針布磨損量，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)、金屬針布用量大、包卷金屬針布費(fèi)工時(shí)，因此，試驗(yàn)選擇渦流紡紗機(jī)用直徑為80 mm、轉(zhuǎn)速為7 kr/min的小刺輥齒條和靜電紡用直徑為80 mm、轉(zhuǎn)速為5 kr/min的小刺輥齒條。一般新包卷的渦流紡用小刺輥針布加工中長(zhǎng)腈綸纖維時(shí)，兩個(gè)星期后金屬針布齒尖就嚴(yán)重磨損，必須調(diào)換；靜電紡加工棉、麻纖維時(shí)，小刺輥轉(zhuǎn)速相對(duì)略低，使用壽命略長(zhǎng)。因此，在渦流紡和靜電紡紗機(jī)上做試驗(yàn)的周期短，小刺輥數(shù)量多也便于多次取樣，如：渦流紡每臺(tái)為96頭，靜電紡每臺(tái)為100頭，每只刺輥用齒條質(zhì)量?jī)H為23 g～25 g，用萬(wàn)分之一精密分析天平進(jìn)行稱量，也可大大提高磨損量的測(cè)量精度。該刺輥工作狀態(tài)與梳棉機(jī)刺輥相似，由此篩選出的金屬針布齒條專用鋼種和得出的金屬針布磨損規(guī)律，完全適用于一般梳棉機(jī)金屬針布齒條和新型紡紗用刺輥金屬針布齒條。

試驗(yàn)用WF-2型渦流紡紗機(jī)，全機(jī)共為96頭，加工65 mm×3.3 dtex/5.5 dtex/6.6 dtex腈綸纖維，紡182.2 tex紗，單頭產(chǎn)量為1.5 kg/h；靜電紡紗機(jī)，全機(jī)共為100頭，棉麻混紡27.8 tex/53.0 tex紗，靜電場(chǎng)電壓為30 kV。

用60WV、80WV、80WVRE和60鋼新鋼種，分別制成CWA3型刺輥齒條，以每個(gè)鋼種齒條包卷24只分梳輥。包卷上車前，每個(gè)鋼種截取24段長(zhǎng)2.1 m的齒條，先在煤油里用毛刷清洗，然后在四氯化碳內(nèi)去除油污，再用無(wú)水乙醇吸去水分，放置于80 ℃烘箱內(nèi)烘1 h，在恒溫恒濕環(huán)境下用感量為0.001 mg的分析天平稱量每段齒條的質(zhì)量并編號(hào)。刺輥包好后，剩下的齒條重復(fù)上述清洗、烘燥、稱量。紡紗過程中，每天按鋼種分別測(cè)定成紗品質(zhì)指標(biāo)、條干、斷頭等。每連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一星期后，按不同鋼種各取一個(gè)刺輥，剝下齒條后按上述方法清洗、烘干，在恒溫恒濕環(huán)境下稱量。將新齒條和剝下稱量后的齒條取齒部樣本，在60萬(wàn)倍掃描電鏡上觀察其表面狀態(tài)和齒部磨損情況。

試驗(yàn)直至刺輥針布嚴(yán)重繞纖維、斷頭增加、條干明顯惡化、品質(zhì)指標(biāo)顯著下降為止，前后共2個(gè)月。

必須指出，用感量為0.001 mg的分析天平稱量的精度高，在整個(gè)試驗(yàn)過程中的每一步操作都必須十分細(xì)心，防止齒條意外磨損或碰傷；一旦發(fā)現(xiàn)某編號(hào)齒條有意外質(zhì)量變化，則應(yīng)將此編號(hào)除去，并重新取樣。

關(guān)于磨損量測(cè)定結(jié)果及其分析見筆者文章[5]，下文筆者僅對(duì)磨損前、后的微觀形貌進(jìn)行分析討論。

3 新齒條微觀形貌特征

3.1新齒條微觀形貌

新齒條的微觀形貌如圖1所示：新齒條頂面為小方頭、棱邊棱角清晰；沖切口內(nèi)兩側(cè)棱邊棱角分明，但在有的齒斷口側(cè)下棱邊存在較厚的卷邊，如圖1d)所示；沖口寬的上半部為較光滑切口，但有沖模刀口橫紋；沖口寬的下半部為極粗糙斷口，大小微凸體很多，且斷口棱邊較切口棱邊粗糙；齒條的各個(gè)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鋼齒條氧化皮脫落較多，殘留較少；60WV、80WV脫落較少，殘留較多；80WVRE界于其間。

a) 60鋼 b) 60WV鋼

c) 80WVRE鋼 d) 80WV鋼

3.2新齒條表面微觀形貌

新齒條表面微觀形貌如圖2所示：圖2a)是60WV齒條放大300倍情況下看到的表面氧化皮及氧化皮脫落后的齒部基體的粗糙表面；圖2b)是60鋼的表面氧化皮及基體表面放大1500倍的微觀形貌；圖2c)～圖2f)分別是60WV、80WVRE、60鋼和80WV鋼新齒條表面放大1500倍的微觀形貌，表面均存在大大小小的微凸體。其中，60WV鋼基體的微凸體細(xì)小，且分布較均勻，80WV鋼其次，60鋼和80WVRE鋼基體表面微凸體粗大，且分布不均勻。這4個(gè)鋼種，加工工藝相同，表面形貌差異極大。這種極粗糙的微觀表面，嚴(yán)重影響金屬針布在磨合期的耐磨度。

a) 60WV鋼表面氧化皮(300×) b) 60鋼表面氧化皮(1500×)

c) 60WV鋼(1500×) d) 80WVRE鋼(1500×)

e) 60鋼(1500×) f) 80WV鋼(1500×)

4 齒條磨損后的微觀形貌特征

4.1金屬針布齒條磨損后的形貌

如圖3所示，為渦流紡小刺輥齒條紡紗4周后，當(dāng)放大100倍時(shí)看到的齒部磨損形貌?？梢姼麂摲N齒條的齒部均產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損，但在圖3a)～圖3e)中看到的磨損溝槽數(shù)量、溝槽寬窄、深淺各不相同；且圖3e)中溝槽少而寬，齒尖和齒前面有嚴(yán)重腐蝕麻點(diǎn)；圖3f)中無(wú)溝槽，只有腐蝕的小麻點(diǎn)；各齒條的齒頂面小方頭前緣棱邊棱角均被磨圓，齒前面實(shí)際前角σ極致增大，已失去抓取和握持纖維的能力；圖3d)的齒條齒頂面還產(chǎn)生了較深的溝槽；各齒條齒部的齒前面和兩側(cè)面氧化皮均已被磨掉，齒條基體的表面粗糙度則已大大改善。

a) 60鋼(100×) b) 80WV鋼(100×)

c) 60WV鋼(100×) d) 80WVRE鋼(100×)

e) 60WV鋼(100×) f) 80WV鋼(100×)

4.2齒條磨損溝槽的微觀形貌

齒條磨損溝槽的微觀形貌如圖4、圖5所示。其中，圖4為渦流紡分梳輥齒條磨損溝槽的微觀形貌，可以清楚看到順著溝槽方向有許多微形犁耕溝槽，微形犁耕溝槽兩側(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5為靜電紡刺輥用齒條磨損溝槽的微觀形貌，大多數(shù)溝槽內(nèi)存在許多腐蝕斑。其中，圖5c)的磨損溝槽內(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，這種特征與其工況條件密切相關(guān)，將在磨損機(jī)理分析中作詳細(xì)說(shuō)明。

a) 放大3000倍 b) 放大1500倍 c) 放大3000倍1—犁耕溝槽；2—磨屑。

a) 放大300倍 b) 放大1500倍 c) 放大1000倍1—磨蝕斑；2—磨屑；3—波浪形塑變；4—犁耕溝槽。

4.3渦流紡分梳輥齒條磨損溝槽的磨屑中非溶物的電鏡照

渦流紡分梳輥齒條磨損溝槽的磨屑，大多為腈綸磨粉，將其用二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺等溶劑溶解后，其非溶物為刺輥胎體磨屑和齒條磨屑的混合物，如圖6所示。其中，有球狀、塊狀、片狀、長(zhǎng)條狀、帶狀或圓錐狀等形貌特征，這是研究金屬針布磨損機(jī)理的重要判據(jù)。

5 金屬針布的磨損機(jī)理

5.1磨損過程

筆者通過對(duì)渦流紡分梳輥不同工作時(shí)間磨損量的測(cè)定[5]，將分梳輥金屬針布磨損全過程分為3個(gè)階段：跑合磨損期、穩(wěn)定磨損期和快速失效磨損期。

a) 放大1500倍 b) 放大3000倍 c) 放大3000倍1—塊狀；2—球狀；3—圓錐狀；4—帶狀；5—片狀；6—長(zhǎng)條狀。

在磨合期，磨損取決于金屬針布齒條氧化皮的多少和氧化皮脫落后齒條基體表面粗糙度：氧化皮越多則其表面粗糙度值越大、磨損量越大、磨損速度越快；表面粗糙度值越小則越不易形成溝槽。這個(gè)階段中，齒條表面疏松的氧化皮在高速纖維流沖刷下大量脫落，齒條基體微凸體中的高峰點(diǎn)與纖維上微凸體高峰點(diǎn)相互切向碰撞、高頻沖擊疲勞而脫落，形成的磨屑為球狀、塊狀、長(zhǎng)條狀或圓錐狀的形貌。齒條表面粗糙度改善，纖維和齒條表面的接觸點(diǎn)逐漸增多，磨損量由大減小，逐漸進(jìn)入穩(wěn)定磨損期。

在穩(wěn)定磨損期，纖維與齒條的實(shí)際微凸體接觸點(diǎn)大幅增加，每個(gè)接觸點(diǎn)的切向和法向平均作用力相應(yīng)減弱，磨損量小且穩(wěn)定。齒頂小方頭的棱邊、棱角開始被沖刷磨損，纖維易于在齒前面兩側(cè)的棱邊、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(gè)階段中，對(duì)齒條的磨損量和磨損速度，完全取決于齒條的材質(zhì)、金相組織、鋼材中的夾雜物以及齒尖有無(wú)脫碳問題等因素。

在快速失效磨損期，齒頂小方頭的前棱邊、棱角被磨滅，齒條的實(shí)際前角δ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于90°，大于纖維與齒前面的自動(dòng)制動(dòng)摩擦角。當(dāng)紡280 h時(shí)，測(cè)得齒條前角δ為84°～131°，均值為96.4°，均方差為13.02°，金屬針布已失去抓取和握持纖維的能力，已失去了分梳作用；當(dāng)齒前面兩側(cè)棱邊、齒前面和兩側(cè)面都產(chǎn)生溝槽、且不斷地加深加寬時(shí)，以至產(chǎn)生嚴(yán)重的集束作用。當(dāng)紡246 h時(shí)，測(cè)得三角形溝槽截面積為800 μm2～2400 μm2、梯形溝槽的截面積為1200 μm2～3300 μm2，而纖維截面積約為314 μm2；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，這不但失去分梳作用，還產(chǎn)生嚴(yán)重繞花，致使斷頭顯著增加、成紗品質(zhì)指標(biāo)下降、條干顯著惡化，無(wú)法進(jìn)行正常生產(chǎn)[6]。

5.2磨損機(jī)理

5.2.1纖維流對(duì)齒條上微凸體的沖擊疲勞

無(wú)論是握持分梳還是錫林—蓋板間的自由分梳，分梳輥與握持纖維的速差極大，如分梳輥直徑為80 mm、轉(zhuǎn)速為7 kr/min時(shí)，齒條齒尖線速度高達(dá)1 759.3 m/min，齒尖與纖維速差約為1759 m/min；錫林—蓋板間自由分梳時(shí)，錫林轉(zhuǎn)速為360 r/min～500 r/min，而錫林金屬針布齒尖的線速度約為1.46 km/min～20.26 km/min，以如此高速作用在纖維上，即使纖維質(zhì)量很小，而纖維上微凸體對(duì)齒條上微凸體的沖擊作用仍然巨大。對(duì)于齒密為800齒/(25.4 mm)2的錫林金屬針布而言，每根纖維受到2.5個(gè)齒尖作用時(shí)，則每齒平均受到3.375×106～5.625×107次作用。纖維上的微凸體是相互關(guān)聯(lián)的，不同于散磨粒，當(dāng)纖維上某一微凸體與齒條上某一微凸體接觸、纖維在切向抽取時(shí)，纖維上其他微凸體往往也作用于齒條上這一個(gè)點(diǎn)；因此其作用頻率非常高，屬于高頻率沖擊，這樣的沖擊、擠壓作用于齒條的微凸體上，雖然纖維硬度遠(yuǎn)小于齒條硬度，但足以使其產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)變形足夠大時(shí)，將會(huì)在齒條表面或次表面產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展而脫落，形成片狀磨屑，如圖7所示[7]。

a) 初始表面

c) 繼續(xù)沖擊鍛造

d) 形成薄片

e) 形成磨屑掉落

其變形磨損量WD[8]為：

WD=M(Vsinα-K)2/2ε

(1)

式(1)中：

M——沖擊磨粒質(zhì)量；

V——磨料與齒尖的相對(duì)速度；

α——沖角；

ε——變形磨損系數(shù)；

K——常數(shù)。

從式(1)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(dāng)表面接觸應(yīng)力較小而摩擦力較大，或齒條表面質(zhì)量較差，或齒條表層脫碳、燒傷，或內(nèi)部存在錯(cuò)位、空穴或夾雜物等缺陷時(shí)，在齒條這些缺陷的界面處因抗剪切強(qiáng)度低而產(chǎn)生裂紋，并在反復(fù)擠壓和切向摩擦力作用下的裂紋沿缺陷界面不斷擴(kuò)展、直至脫落形成磨屑，如圖8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磨掉，如圖9所示；多次塑變后形成的磨屑呈塊狀、長(zhǎng)條狀或片狀。

a) 初始裂紋形成 b) 初始裂紋擴(kuò)展

c) 二次裂紋形成 d) 二次裂紋擴(kuò)展

e) 形成磨屑 f) 形成鋸齒形表面

1—兩側(cè)變形唇；2—前變形唇。圖9 微切削時(shí)的變形唇

5.2.2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，其成分絕大多數(shù)為SiO2和Al2O3等，相當(dāng)于砂輪中的磨料。SiO2和Al2O3的莫氏硬度分別為7和8.8；化纖用消光劑TiO2(俗稱鈦白粉)的莫氏硬度為6～7；一般金屬的莫氏硬度均不大于5；所以，泥砂、灰塵和化纖中消光劑的硬度遠(yuǎn)高于齒尖硬度。這類硬磨粒夾雜在纖維中，粘附于纖維表面，與齒條表面摩擦?xí)r介于纖維和齒條間，成為三體磨損。這些硬磨粒受沖擊、擠壓時(shí)，壓入齒條基體表面，在切向摩擦力推動(dòng)下，齒部材料被擠壓堆積在磨粒前緣，形成前變形唇；部分材料被擠壓到磨粒兩側(cè)，形成兩側(cè)變形唇；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；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(kuò)展，以至大大縮短了針布的使用壽命。

對(duì)金屬針布平磨和側(cè)磨，砂輪中硬磨粒對(duì)齒條的磨損和罩板軋傷，都為硬磨料磨損。圖10所示為紡62～65 mm中長(zhǎng)滌粘，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量為20 kg，生產(chǎn)2年3個(gè)月、平磨3次的梳棉機(jī)用錫林金屬針布的表面形貌。

1—磨屑；2—磨損溝槽；3—順向平磨的前變形唇；4—沖齒卷邊。圖10 梳棉機(jī)用錫林金屬針布齒條表面形貌

5.2.3腐蝕磨損

腐蝕磨損分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕[8-10]。

5.2.3.1化學(xué)腐蝕

由于加工后的齒條表面是凹凸不平的微凸體，而且可與環(huán)境中介質(zhì)發(fā)生相互作用，使其表面大致分為5個(gè)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(dòng)產(chǎn)生的微晶層)；變形層(機(jī)加工過程中形成的變質(zhì)層)，如圖11所示。加工后的金屬表面活性大，易氧化生成氧化膜，溫度在570 ℃以下時(shí)的氧化層由表到里的成分分別為Fe2O3、Fe3O4，如圖12所示。其中，F(xiàn)e2O3較脆弱，易于在纖維的摩擦作用下產(chǎn)生裂紋而脫落，加劇磨損。

化學(xué)纖維中的油劑，一般含添加劑：平滑劑40%～60%；乳化劑25%～40%；抗靜電劑5%～25%；主組分占油劑90%以上，副組分占油劑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(rùn)濕劑，粘度改善劑，殺菌劑，勻染劑，消泡劑，集束劑等。因?yàn)閜H值為6±0.5，以5.5～6.5為最佳，故化纖油劑一般為酸性?；w的油劑中既有水分，又有一定的酸度，更易促使金屬中某些元素產(chǎn)生氧化反應(yīng)，并形成斑點(diǎn)狀腐蝕坑，從而加速磨損進(jìn)程。棉紡廠長(zhǎng)假后開機(jī)，梳棉機(jī)針布銳利度迅速衰退問題，也是氧化磨損所致。

圖11 齒條的表面組成

圖12 溫度在570 ℃以下時(shí)齒條上的氧化膜

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

5.2.3.2電化學(xué)腐蝕

在靜電紡紗的特殊工況下，金屬針布磨損主要為電化學(xué)腐蝕。靜電紡紗時(shí)，靜電場(chǎng)電壓高達(dá)30 kV，在電極周圍產(chǎn)生電暈和臭氧；棉條必須給濕至回潮率為12%；相對(duì)濕度必須達(dá)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(duì)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，使金屬表面形成電解質(zhì)溶液與材質(zhì)中的鐵和少量的碳形成無(wú)數(shù)微小的原電池；在這些原電池里，鐵是負(fù)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?yàn)殍F的電極電位總比氧的電極電位低，所以鐵是陽(yáng)極而遭到腐蝕，其特征是在發(fā)生氧腐蝕的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(即“腐蝕斑”)。鋼鐵在大氣中的腐蝕，一般為吸氧腐蝕。鋼鐵腐蝕的方程見文獻(xiàn)[8-10]。

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；靜電紡用齒條也存在硬磨粒磨損和塑變剝落，但主要為電化學(xué)腐蝕。

綜上所述：金屬針布的磨損極其復(fù)雜，是以軟磨料沖刷疲勞剝落為主、硬磨料磨損為輔；化纖紡中存在化學(xué)磨損；靜電紡中以電化學(xué)腐蝕為主，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主要有：齒條表面狀態(tài)，鋼材元素成分，金相組織和硬度，梳棉機(jī)產(chǎn)量、速度、隔距、加工纖維類別、磨針工藝和溫濕度等。

6.1齒條表面狀態(tài)對(duì)磨損的影響

齒條表面狀態(tài)，指其表面氧化皮和表面粗糙度。國(guó)產(chǎn)的金屬針布齒條制造時(shí)，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。齒條在空氣中加熱時(shí)間越長(zhǎng)，氧化皮越厚、越多。因?yàn)檠趸づc齒條基體結(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(gè)粗糙面，其表面粗糙度Ra值越大，波峰波谷高度差也越大，纖維與齒部初始接觸時(shí)首先是微凸體的高點(diǎn)相互碰撞、剪切，或受反復(fù)沖擊疲勞而脫落。齒條表面粗糙度Ra值越大，其磨損越快，特別是齒前面與兩側(cè)面相交棱邊上的表面粗糙度，其波谷成為纖維嵌入的溝槽源而引起纖維集中磨損。綜上，氧化皮和表面粗糙度均嚴(yán)重影響針布磨合磨損階段的磨損量、磨損速度和磨合期的長(zhǎng)短。減小齒前面切口、斷口和兩側(cè)面的表面粗糙度，可減少纖維嵌入的溝槽源，防止集中磨損，促使均勻磨損，可延長(zhǎng)磨合期磨損，從而提高其使用壽命。經(jīng)筆者用基恩士測(cè)量?jī)x測(cè)定，格拉夫(Graf)錫林金屬針布齒條齒前面的表面粗糙度值，見表1和圖13。

表1國(guó)產(chǎn)和格拉夫公司產(chǎn)錫林金屬針布齒條齒前面表面粗糙度值

產(chǎn)地表面粗糙度Ra/μm12348均值國(guó)產(chǎn)0.4330.4460.4480.8790.2900.4995格拉夫公司產(chǎn)0.2030.1460.1130.197/0.1648

a) 國(guó)產(chǎn) b) 格拉夫公司產(chǎn)

據(jù)金屬偶件磨損研究[11]，表面粗糙度Ra值從0.63 μm提高到0.32 μm，壽命則可提高2～3倍；從0.16 μm提高到0.08 μm，壽命可提高0.4倍?？梢姡砻娲植诙葘?duì)耐磨度具有顯著影響。格拉夫公司產(chǎn)金屬針布齒條沖切面表面粗糙度Ra值很小，從而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。

在對(duì)不同鋼種和表面處理的研究中[12]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)表面處理的齒條表面無(wú)氧化皮，電解拋光的齒條耐磨度更優(yōu)于噴砂拋光，其原因就是電解拋光的表面粗糙度優(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，因而不耐沖擊疲勞。

6.2鋼材成分對(duì)磨損的影響

經(jīng)筆者對(duì)不同鋼種磨損量測(cè)定[5]：在60鋼、60WV鋼、80WV鋼和80WVRE鋼4個(gè)鋼種中，后三者的磨損率和相對(duì)耐磨度均顯著優(yōu)于60鋼，且三者間無(wú)顯著差異；但磨損率、磨損速度和相對(duì)耐磨度的絕對(duì)值則以80WVRE鋼最優(yōu)，其相對(duì)耐磨度是60鋼的1.64倍。在對(duì)不同鋼種和表面處理的研究中[12]，在60鋼、T9A鋼、60WV鋼和80WV鋼4個(gè)鋼種中，以80WV鋼最耐磨，其相對(duì)耐磨度是60鋼的2.24～2.28倍；60WV鋼為第二，其相對(duì)耐磨度是60鋼的1.63～1.74倍；T9A鋼與60鋼相當(dāng)。

當(dāng)碳鋼中加入合金元素W和V時(shí)，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2400 HV和2800 HV，可顯著降低硬磨料的犁耕磨損，從而顯著提高金屬針布在穩(wěn)定磨損期的耐磨度。加入稀土元素(RE)則可細(xì)化晶粒、消除氧和夾雜物，提高金屬針布韌性和抗沖擊疲勞能力，對(duì)針布耐磨度有顯著的增強(qiáng)作用。增加鋼種的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(大于0.80%)，針布硬度雖有顯著提高(如T9A鋼)，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，使金屬針布抗纖維沖擊疲勞性能下降、耐磨度提高不理想。

6.3金相組織和硬度對(duì)磨損的影響

金相組織是影響金屬針布穩(wěn)定期耐磨度的主要因素，對(duì)不同鋼種多次磨損對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，齒條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(píng)級(jí)在1級(jí)以內(nèi)的最耐磨。當(dāng)金相組織的晶粒越細(xì)、分布越均勻時(shí)，硬度雖不是最高，但其強(qiáng)韌性、耐磨度越好；相反，若馬氏體和碳化物晶粒粗大、不一致且分布不均勻，馬氏體為2級(jí)或2級(jí)以下，即使其硬度很高也不耐磨(如T9A鋼)；齒條表面脫碳或夾雜多則極易磨損，所以，細(xì)化金相組織、減少夾雜、防止淬火時(shí)脫碳，是提高齒條耐磨度的關(guān)鍵；但齒條的硬度并不是耐磨度的決定性因素。

格拉夫公司產(chǎn)和國(guó)產(chǎn)錫林金屬針布齒條齒尖金相組織如圖14所示。前者金相組織為細(xì)針狀+隱針狀回火馬氏體+點(diǎn)狀碳化物，馬氏體與碳化物分布較均勻；而后者金相組織則為細(xì)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，格拉夫公司產(chǎn)錫林金屬針布的耐磨度顯著優(yōu)于國(guó)產(chǎn)錫林金屬針布。

a) 格拉夫公司產(chǎn)

b) 國(guó)產(chǎn)

6.4梳理工藝對(duì)金屬針布磨損的影響

梳理工藝包括梳棉機(jī)產(chǎn)量、速度、隔距、加工纖維品種、磨針工藝和溫濕度等[6]。

6.4.1梳棉機(jī)產(chǎn)量和速度

一般而言，梳棉機(jī)產(chǎn)量越高則梳棉機(jī)速度也越高，金屬針布通過的纖維量隨之增加，纖維沖刷金屬針布的頻次大幅增加，故沖刷疲勞磨損加劇。

6.4.2隔距

梳理隔距越小，纖維對(duì)金屬針布的擠壓力和梳理力大增，纖維對(duì)金屬針布摩擦加劇，纖維易損傷、金屬針布易磨損。隔距過小時(shí)還容易接針、燒毀齒尖。為避免損傷纖維和齒尖快速磨損，使用新金屬針布時(shí)應(yīng)放大隔距約0.05 mm。

6.4.3加工纖維類別

與棉纖維相比，棉型化纖纖維長(zhǎng)、摩擦因數(shù)大，又有油劑的化學(xué)作用，所以一般紡化纖用金屬針布比紡棉磨損快；中長(zhǎng)纖維比棉型化纖長(zhǎng)，梳理力更大，所以紡中長(zhǎng)化纖用金屬針布磨損更快、壽命更短；化纖中有消光劑氧化鈦，對(duì)其梳理時(shí)會(huì)對(duì)金屬針布產(chǎn)生硬磨料犁耕，使金屬針布的壽命更短；而且因?yàn)榛w中油劑的酸度大，金屬針布易被腐蝕，導(dǎo)致其磨損速度快、壽命短。

6.4.4磨針工藝

砂輪磨料的硬度遠(yuǎn)高于金屬針布的硬度，故磨針屬于硬磨料磨損，且磨損速度非常快。當(dāng)平磨和側(cè)磨時(shí)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(fù)齒頂面前緣的棱邊、棱角和前角，恢復(fù)齒尖抓取和握持纖維的能力，改善磨損針布的梳理能力，但隨著平磨次數(shù)增多，齒頂面積不斷增大，齒尖穿刺纖維層的能力隨之下降而影響分梳。側(cè)磨可減小齒頂寬、恢復(fù)齒尖穿刺纖維層的能力，減小齒前面兩棱邊和兩側(cè)面的磨損溝槽，從而減少纖維集束作用，在一定程度上恢復(fù)梳理作用，但側(cè)磨磨片在跨越齒頂時(shí)易刮擦齒頂面，惡化金屬針布齒尖面圓柱度；側(cè)磨的犁耕溝槽，也是纖維易于集束的新溝槽源，所以，平磨和側(cè)磨達(dá)到一定次數(shù)后，金屬針布必然報(bào)廢。

6.4.5溫濕度

梳棉車間的高溫高濕，使針布表面易產(chǎn)生吸附膜而導(dǎo)致腐蝕磨損、縮短針布?jí)勖?，?dāng)停車時(shí)間長(zhǎng)后針布銳利度迅速衰退，也是因氧化腐蝕加劇所致。

7 結(jié)論

7.1金屬針布的磨損機(jī)理

金屬針布的磨損機(jī)理較復(fù)雜，因梳理工況不同，主要存在以下幾種磨損機(jī)理：① 一般工況下，金屬針布的磨損以軟磨料沖擊疲勞磨損為主，硬磨料磨損為輔；② 化纖中的油劑，促進(jìn)化學(xué)腐蝕磨損，化纖中的消光劑，加劇磨粒磨損；③ 靜電紡中，高壓電場(chǎng)的臭氧、棉條的給濕、相對(duì)濕度高的環(huán)境，在金屬微凸體波谷內(nèi)形成微電池，為典型的電腐蝕磨損，并且也存在硬磨料磨損和塑變疲勞磨損。

7.2影響金屬針布磨損的主要因素

7.2.1齒條表面氧化皮和表面粗糙度影響針布磨合期磨損，減小沖切面粗糙度有助于均勻磨損，顯著延長(zhǎng)金屬針布?jí)勖?/p>

7.2.2齒條金相組織、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；晶粒細(xì)化、均勻分布、防止脫碳、減少夾雜，可顯著提高金屬針布穩(wěn)定期的耐磨度。

7.2.3高速高產(chǎn)、小隔距、強(qiáng)分梳的紡紗技術(shù)，大大縮短金屬針布的使用壽命。

7.2.4化學(xué)纖維的油劑、消光劑，加劇金屬針布的腐蝕磨損和硬磨料磨損。

7.2.5高溫高濕的紡紗環(huán)境促使金屬針布齒條氧化腐蝕，加速金屬針布的磨損。

[1] 第三章 磨損及磨損機(jī)理 概述[EB/OL].http://www.doc88.com/p-6961130826366.html.

[2] 費(fèi)青.針布磨損、材質(zhì)、熱處理和耐磨度的研究[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，16(4)：337-352，364.

[3] 費(fèi)青.金屬針布的磨損及其機(jī)理探討[J].紡織器材，1983，5(3)：9-16.

[4] 馮喜奎，徐傾躍.高耐磨金屬針布及可行性工藝研究[J].紡織器材，2005，27(1)：11-14.

[5] 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(bào)，1984，5(2)：5-11.

[6] 許鑑良，陳麗珍，陳文龍.針布磨損對(duì)梳理工藝的影響[J].紡織學(xué)報(bào)，1984，5(3)：5-8.

[7] 第八章 沖蝕磨損[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/433ca08dd0d233d4b14e69a8.html?from=search.

[8] 曹楚南.腐蝕電化學(xué)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[9] 第一章 金屬電化學(xué)腐蝕基本原理[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/4aac771ab7360b4c2e3f645b.html?from=search：114.

[10] 張宏寶，叢文博，楊萍.金屬電化學(xué)腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[11] 理查森RcD.磨料磨損與耐磨合金[M].北京：電力工業(yè)出版社，1980.

[12] 許鑑良.不同鋼種和表面處理的金屬針布耐磨度探討[J].紡織器材，1999，21(4)：5-12.

DiscussiononWearMechanismofMCC

XU Jianliang

(Donghua University, Shanghai 200051,China)

To prolong the service life of MCC,and to develop high wear-resistant MCC wires,introduction is done to the current domestic study of MCC wear mechanism and the research on wear test and microstructure of several different materials of new metal clothing.Through electron microscopic morphology observation of combing roller MCC wires and wear,determination is done to vortex spinning and electro-spinning,and the wear mechanism is extracted.Factors of wear resistance,texture,microstructure and surface roughness are surposed to be the influence factors of wear of MCC.It is pointed out that in the conventional spinning,wear of MCC results mainly from soft abrasive repeated impact fatigue and oxidation corrosion.Secondly from plough wear while in electrostatic spinning,wear of MCC on combing roller mainly results from electrochemical corrosion;and in chemical fiber spinning,both of the above-said factors are included,which illustrates that the main factors influencing wear of MCC include oxidation rack surface skin,surface roughness,steel materials，metallographic structure,high yield and high speed carding machine with small gauge,strong carding spinning technology and spinning environment of high humidity,providing information for research of material selection,manufacturing and surface treatment of MCC and prolong the service life of MCC.

MCC;wire;wear mechanism;carding roller;abrasive wear;impact fatigue wear;oxidation corrosion;electrochemical corrosion;surface roughness;metallographic structure

TS103.82+1

A

1001-9634(2017)05-0001-09

2016-10-01

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

時(shí)間：2016-10-08 09:30

http：//www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20161008.0930.030.html