表面強(qiáng)化高耐磨刺輥金屬針布設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用實(shí)踐

汪平安，陳玉峰

(1.西安紡織集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710038；2.光山白鯊針布有限公司，河南 光山 465450)

0 引言

刺輥金屬針布主要是對(duì)纖維束進(jìn)行穿刺、抓取、預(yù)梳理和轉(zhuǎn)移，其質(zhì)量和使用效果與成紗質(zhì)量密切相關(guān)。當(dāng)其對(duì)纖維進(jìn)行握持梳理時(shí)，刺輥金屬針布與纖維互相摩擦、不斷鈍化，使齒尖變圓甚至齒尖斷裂、工作棱出現(xiàn)溝槽，嚴(yán)重影響梳理質(zhì)量。刺輥金屬針布梳理纖維200 t～300 t時(shí)，頻繁更換會(huì)導(dǎo)致纖維質(zhì)量波動(dòng)、增加針布維護(hù)成本。因此，使用高耐磨、使用周期長的刺輥金屬針布，對(duì)穩(wěn)定成紗產(chǎn)品質(zhì)量十分重要。

1 刺輥金屬針布梳理特點(diǎn)及磨損部位狀態(tài)

1.1 梳理特點(diǎn)

刺輥金屬針布梳理體積較大的纖維束，具有抓取、分離、梳理、轉(zhuǎn)移和排雜的功能，通過握持梳理使纖維束單纖維化率超過80%，大幅減輕后部梳理元件的梳理負(fù)荷；刺輥金屬針布將抓取的纖維盡可能一次性轉(zhuǎn)移給錫林金屬針布，同時(shí)其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力能實(shí)現(xiàn)纖維、雜質(zhì)與短絨的分離和轉(zhuǎn)移。

1.2 磨損部位狀態(tài)

梳理過程中，刺輥金屬針布受到的磨損主要來自纖維、纖維中的雜質(zhì)粉塵以及化學(xué)腐蝕，具體磨損部位為齒尖(工作角、齒尖角受損)、齒頂、齒前面和齒側(cè)面，形成磨損的原因主要為物理磨損、有形磨損和化學(xué)磨損。

1.2.1 齒尖磨損

金屬針布齒條在抓取、穿刺纖維時(shí)，對(duì)纖維的沖切力導(dǎo)致摩擦磨損，使齒尖鈍化、齒頂面積變大，齒頂寬由最初的0.27 mm磨損至0.45 mm，甚至更大，齒尖產(chǎn)生分叉、毛刺、斷裂，齒頂面出現(xiàn)溝槽，造成穿刺能力下降、掛纖維等，影響梳理效果。高速高產(chǎn)梳理機(jī)中刺輥金屬針布的轉(zhuǎn)速更高，更易出現(xiàn)磨損，針布使用周期大幅縮短，增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)投入。

1.2.2 齒前面磨損

刺輥金屬針布齒前面控制、轉(zhuǎn)移纖維的位置相對(duì)固定，容易產(chǎn)生纖維轉(zhuǎn)移路徑依賴，犁耕磨損易使齒前面出現(xiàn)溝槽，溝槽的位置受刺輥轉(zhuǎn)速、工作角與纖維摩擦因數(shù)等因素的影響[1]。尤其是金屬針布齒條硬度第1點(diǎn)與第2點(diǎn)之間位置，淬火硬度相對(duì)較低，最易出現(xiàn)犁耕溝槽。隨著溝槽深度的增加，梳理時(shí)擠壓力過大會(huì)造成齒尖斷裂。

1.2.3 齒側(cè)面磨損

梳理過程中，纖維在分離轉(zhuǎn)移的同時(shí)趨于向齒尖運(yùn)動(dòng)，同時(shí)纖維在與除塵刀、預(yù)分梳板接觸過程中受梳理力影響產(chǎn)生摩擦力，導(dǎo)致纖維轉(zhuǎn)移時(shí)對(duì)金屬針布進(jìn)行反復(fù)地沖刷磨損，在齒側(cè)面形成光滑的淺溝槽，造成刺輥金屬針布掛花、嵌雜，影響梳理質(zhì)量。

1.2.4 齒體側(cè)棱磨損

在金屬針布齒條加工過程中，受刀模沖切影響形成的棱角，在梳理過程中與纖維互相作用，造成纖維的切割性損傷使短絨增加；而纖維對(duì)齒體的摩擦磨損，隨著時(shí)間的延長使齒體側(cè)棱出現(xiàn)磨損溝槽、掛纖維問題。

1.2.5 化學(xué)銹蝕磨損

再生纖維素纖維中含有的二氧化鈦粒子等導(dǎo)致纖維摩擦因數(shù)增大，加劇了對(duì)針布的磨損；染色纖維中的酸堿殘留會(huì)腐蝕金屬針布齒條表面；車間溫濕度過高、生產(chǎn)中加濕過大，會(huì)加快齒條的氧化。以上這些均會(huì)使金屬針布齒條表面的馬氏體組織發(fā)生變化，導(dǎo)致齒條硬度下降、梳理效果變差。

2 高耐磨刺輥金屬針布設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)刺輥金屬針布為了提高耐磨度，主要從選用耐磨合金鋼材質(zhì)、增加齒頂寬方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，但受制于纖維損傷大、梳理效果差，最終難以達(dá)到要求。高耐磨刺輥金屬針布設(shè)計(jì)不僅要考慮磨損率、磨損速度、相對(duì)耐磨度，還要采取表面涂層技術(shù)并加入類金剛石顆粒，使齒條表面光潔、硬度提升，同時(shí)結(jié)合齒頂寬及齒密合理增減，最終實(shí)現(xiàn)梳理質(zhì)量、使用周期與維護(hù)方便的有機(jī)結(jié)合。

2.1 選用優(yōu)質(zhì)鋼材

材質(zhì)是刺輥金屬針布提高耐磨度的關(guān)鍵，鋼材中合金元素越多，針布磨損率、磨損速度就越小，相對(duì)耐磨度就高。高耐磨針布用材料中的合金元素能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化性，提高齒尖硬度，在齒尖內(nèi)形成許多高硬度的碳化物，可進(jìn)一步提高耐磨性；合金元素還能克服高碳鋼在淬火時(shí)的過熱敏感性，在退火中形成的特種碳化物不易聚集，鋼的韌性好[2]。刺輥金屬針布材質(zhì)從早期使用60B鋼到現(xiàn)在的72B鋼，齒條耐磨度有了很大提高。

2.2 齒形合理設(shè)計(jì)

刺輥金屬針布齒條的磨損主要是側(cè)面、齒尖以及工作棱。合理設(shè)計(jì)齒條角度、齒頂寬、工作棱、齒密、齒形等，能有效控制纖維運(yùn)動(dòng)，改善通道路徑依賴造成的集中磨損，并緩和工作面磨損[3]。改變傳統(tǒng)的穿刺設(shè)計(jì)理念，將穿刺、托持和轉(zhuǎn)移三者結(jié)合，使纖維托持、不沉入齒底，易被錫林抓取轉(zhuǎn)移。如圖1所示，使用雙弧齒和駝峰齒齒形的高耐磨刺輥金屬針布，有效增加了對(duì)纖維的保護(hù)，提高了排雜效果和耐磨性能。

a) 雙弧齒 b) 駝峰齒

2.3 齒體錐齒化處理，實(shí)現(xiàn)柔和梳理

普通金屬針布齒條的齒頂呈一平面，邊緣呈直角，棱角分明、鋒利度好，能提高分梳穿刺能力，但纖維損傷多。高耐磨刺輥金屬針布齒條的齒頂經(jīng)錐齒化處理，針布表面更光潔，易于氣流通過，減少對(duì)纖維的阻力；齒條棱邊為圓弧過渡，緩和了對(duì)纖維的穿刺力，延長了使用壽命。

2.4 齒頂寬優(yōu)化，提高穿刺能力

普通刺輥金屬針布齒條的齒頂寬為0.27 mm，穿刺阻力大、易損傷纖維，且纖維流反復(fù)沖刷梳理造成齒尖犁耕磨損，影響使用壽命。高耐磨刺輥金屬針布的齒頂寬減小為0.17 mm～0.22 mm，齒頂面積更小、穿刺能力更強(qiáng)，減少握持強(qiáng)分梳造成的纖維損傷。同時(shí)，齒條對(duì)纖維的摩擦降低，減少了棉結(jié)和短絨，有效緩和了梳理力、提高了使用壽命。

2.5 熱處理工藝優(yōu)化

通過熱處理工藝獲得較好的齒條金相組織，才能實(shí)現(xiàn)均勻磨損、延長使用周期。在實(shí)際生產(chǎn)中，優(yōu)化熱處理工藝(如淬火、回火)，結(jié)合表面強(qiáng)化技術(shù)能提高刺輥金屬針布的金相組織，保證馬氏體組織均勻、韌性穩(wěn)定、使用周期延長。高耐磨刺輥金屬針布淬火后齒尖金相組織為二級(jí)馬氏體，見圖2。

a) 普通針布

2.6 表面應(yīng)用強(qiáng)化涂層技術(shù)，提高硬度和外觀質(zhì)量

高耐磨刺輥金屬針布表面采用納米涂層處理技術(shù)，具有超硬材料和納米顆粒的雙重特性，能大幅提高工件硬度、耐磨性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性。如：增加類金剛石微粉，提高針布硬度和耐磨度，降低原料犁耕磨損、穩(wěn)定耐磨期；加入鉻、鎳、磷等金屬微顆粒提高耐磨度；加入稀土元素，可細(xì)化晶粒，消除氧化皮和夾雜物，使齒條表面更光潔、摩擦因數(shù)更小，提高金屬針布的韌性和抗沖擊疲勞能力；增加碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(大于0.8%)，提高針布硬度與防腐蝕能力。

不同表面處理的金屬針布齒條4點(diǎn)小力值維氏硬度對(duì)比，見表1。

表1 不同金屬針布齒條4點(diǎn)小力值維氏硬度對(duì)比 單位：HV0.2

針布齒條第1測(cè)點(diǎn)區(qū)域是纖維磨損集中區(qū)，其硬度提高能增強(qiáng)針布耐磨度、延長使用壽命；第2測(cè)點(diǎn)區(qū)域硬度提高，能保證針布在大負(fù)荷下不出現(xiàn)倒伏、側(cè)彎、反向等不良問題；第3測(cè)點(diǎn)硬度為保證針布在包卷時(shí)既不斷裂又不扭曲；第4測(cè)點(diǎn)硬度控制在200 HV0.2以下，以保證針布包卷時(shí)貼伏性能好。

3 高耐磨刺輥金屬針布性能和應(yīng)用效果

3.1 性能分析

高耐磨刺輥金屬針布從材質(zhì)、熱處理、表面強(qiáng)化、齒條幾何尺寸、錐齒化處理、優(yōu)化齒頂寬等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)高光潔齒體、錐齒化高硬度齒尖、二級(jí)金相組織、柔性梳理、減少纖維損傷、防腐蝕能力提高的效果，有效延長了針布使用壽命。梳理純棉纖維量可達(dá)1000 t以上，梳理再生化纖量達(dá)到800 t以上；同時(shí)第2硬度測(cè)點(diǎn)磨損減少，保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性,還可根據(jù)不同的纖維特性，不斷優(yōu)化齒形設(shè)計(jì)，做到適紡范圍廣、兼容性強(qiáng)和針布免維護(hù)。

表面強(qiáng)化金屬針布與其他品牌針布關(guān)鍵性能對(duì)比，見表2。

表2 表面強(qiáng)化金屬針布與其他針布性能對(duì)比

3.2 應(yīng)用效果

高耐磨刺輥金屬針布采用了表面涂層、錐齒化處理，采用組合齒形、薄齒尖、硬度高，通過提高熱處理質(zhì)量、選用高耐磨鋼材等措施，有效提高了梳理效果，延長了針布使用周期[4]，解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品存在的齒頂寬大、工作棱第2點(diǎn)磨損大、損傷纖維大、表面粗糙以及防銹蝕能力差等問題。

3.2.1 案例一

采用C51型梳棉機(jī)梳理機(jī)采棉，出條速度為150 m/min，棉條定量為28 g/(5 m)，錫林轉(zhuǎn)速為510 r/min，刺輥轉(zhuǎn)速為1030 r/min，刺輥金屬針布型號(hào)為AT5010×05030V型，梳理1000 t纖維后表面磨損狀態(tài)對(duì)比見圖3。

a) 普通針布梳理纖維300 t

3.2.2 案例二

A186型梳棉機(jī)紡麻棉70/30混紡紗，出條速度為70 m/min，棉條定量為23 g/(5 m)，錫林轉(zhuǎn)速為360 r/min，刺輥轉(zhuǎn)速為860 r/min，刺輥金屬針布型號(hào)為AT5610×05011。使用12個(gè)月與其他刺輥金屬針布的成紗指標(biāo)對(duì)比，見表3。

表3 不同刺輥金屬針布麻棉混紡紗指標(biāo)對(duì)比

3.2.3 案例三

JWF1204型梳棉機(jī)紡1.33 dtex×38 mm粘膠纖維和1.56 dtex×38 mm再生聚酯短纖氨綸包芯紗，錫林轉(zhuǎn)速為420 r/min，刺輥轉(zhuǎn)速為1080 r/min，出條速度為130 m/min，棉條定量為26 g/(5 m),刺輥金屬針布型號(hào)為AT5505×04025VCS(駝峰齒)；使用16個(gè)月與某品牌針布成紗指標(biāo)對(duì)比，見表4。表4表明，再生聚酯纖維僵片多、并絲多，原料中含有二氧化鈦，易造成針布損傷，采用高耐磨表面強(qiáng)化刺輥金屬針布，提高了耐磨度，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。

表4 不同刺輥金屬針布紡再生聚酯短纖維包芯紗指標(biāo)對(duì)比

3.2.4 案例四

JWF1204型梳棉機(jī)紡機(jī)采棉OE 18.2 tex紗，出條速度為135 m/min，棉條定量為25 g/(5 m)，錫林轉(zhuǎn)速為450 r/min，刺輥轉(zhuǎn)速為1100 r/min，刺輥金屬針布型號(hào)為AT5013×05030V型，弧齒薄尖表面強(qiáng)化處理。使用18個(gè)月后與其他刺輥金屬針布成紗指標(biāo)對(duì)比，見表5。

表5 不同刺輥金屬針布紡OE 18.2 tex紗指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)語

刺輥金屬針布的齒尖、齒側(cè)面、工作棱等的磨損，會(huì)使其鈍化而失去梳理功能。高耐磨刺輥金屬針布選用優(yōu)質(zhì)鋼材加入耐磨介質(zhì)、優(yōu)化熱處理工藝、合理設(shè)計(jì)幾何尺寸以及采用表面強(qiáng)化處理技術(shù)等措施，使齒條表面更光潔，針布耐磨度、鋒利度、平整度和淬火均勻度均大幅提升，為高耐磨提供了有利條件。實(shí)踐證明，采用高耐磨刺輥金屬針布，能夠減少纖維損傷，開松充分，且使用周期延長、梳理質(zhì)量穩(wěn)定。