高耐磨金属针布齿条钢材探讨(一)

许鑑良(东华大学 纺织学院，上海 200023)

•技术专论

高耐磨金属针布齿条钢材探讨(一)

许鑑良
(东华大学 纺织学院，上海 200023)

为了探讨在当代金属针布齿条加工工艺条件下如何制造高耐磨产品，分析金属针布的加工工艺和磨损机理，以转杯纺分梳辊齿条为例，对82B，GRST1，GRST2，3个国产新型钢种和瑞士格拉夫公司产OK40型齿条在快速磨损模拟试验机上进行对比试验和分析；详细论述齿条表面氧化皮、表面粗糙度、钢材元素成分与齿尖金相组织、钢材夹杂等对齿条耐磨度的影响；以GRST1钢为基础，吸收OK40型和ECC公司齿条产品用钢材元素成分组合，给出高耐磨金属针布齿条专用钢材元素成分。指出：OK40型齿条耐磨度最好，其次为GRST1钢齿条；影响齿条跑合期磨损的主要因素是其表面氧化皮、冲口和两侧面粗糙度及齿部脱碳层；影响齿条稳定期耐磨度的主要因素是钢材元素成分及其质量分数和金相组织；高耐磨金属针布齿条专用钢材元素以GRST1钢为基础，加入Mo元素，使其C，Cr，Ni，Al和Mo的质量分数分别为0.74%～0.78%，0.18%～0.22%，0.054%和0.10%～0.20%。

高耐磨；金属针布；OK40型；齿条；钢材；耐磨度；表面粗糙度；钢材元素；金相组织

1 概述

金属针布齿条的钢材，应适合当代的金属针布齿条加工工艺：冷拉不断裂，轧制不开裂，不易损伤轧辊；冲齿切口的表面粗糙度小；在线加热淬火温度区间宽，淬火稳定性好；淬火后齿尖金相组织理想、基部软，易包卷、易焊接。若钢材不能满足这些基本工艺要求，即使加入最耐磨的钢材元素，也难以得到质量稳定的高耐磨金属针布齿条来，除非研究新的齿条加工工艺。

金属针布齿条的钢材元素成分选配，要针对金属针布的磨损机理：金属针布以软磨料冲击疲劳磨损为主、硬磨粒犁耕磨损为辅，化纤纺存在化学腐蚀，静电纺为电化学腐蚀。据此磨损机理配置钢材元素成分，使齿条经淬火后的齿部金相为隐针状回火马氏体+细粒状碳化物，且均匀分布，齿尖不脱碳、无夹杂，齿尖既韧、又硬，强韧性达到最佳状态，既能耐软磨料冲击疲劳，又能抗硬磨粒犁耕，还要具有一定的抗腐蚀能力。达不到这些要求，就不可能成为高耐磨金属针布的专用钢材。

合适的钢材仅是高耐磨金属针布的前提条件，若加工工艺未优化，最好的钢材也达不到高耐磨金属针布的要求。国内企业常采用价格较贵的合金钢制造金属针布齿条，其耐磨度还是远不如国外不含贵元素的，其主要原因是加工工艺问题。不同的钢材只有采用不同的优化加工工艺，才能制造出高耐磨的金属针布齿条。针对不同材质，优化了拉拔工艺、球化退火工艺、正火工艺、轧坯条工艺、再结晶工艺、冲齿工艺、淬火和回火工艺等全流程加工工艺，才能制成高耐磨的金属针布齿条。为了便于大规模工业化生产省工、省时、节电和提高劳动生产率，将不同钢材、不同尺寸的钢丝或坯条混炉加热，采用同一拉拔工艺、淬火工艺的做法，难以制造出高耐磨的金属针布齿条。

2 高耐磨齿条钢材试验

2.1 试验方法

为探索不同钢种对耐磨度的影响，试验采用转杯纺分梳辊齿条，即82B钢、GRST1钢、GRST2钢3个新型钢种和瑞士格拉夫(Graf)公司OK40型齿条作对比。为消除不同齿条规格可能对耐磨度的影响，82B钢、GRST1钢、GRST2钢均制成OK40型分梳辊齿条，4个钢种同时在快速磨损模拟试验机上进行抛磨试验。快速磨损模拟试验机[1]每次抛磨3.5 h。抛磨前、后严格清洗、烘干，用0.1 μg分析天平测定其磨损量，并以瑞士格拉夫公司齿条为基准“1”，比较各钢种齿条的相对耐磨度。

2.2 快速模拟磨s损试验结果

以瑞士格拉夫公司OK40型齿条为基准“1”，其他各钢种与之相比较，以确定相对耐磨度[2]。对试验数据绘制曲线，如图1～图3所示。

图1 不同钢种齿条的磨损率

图2 不同钢种齿条的磨损速度

图3 不同钢种齿条的相对耐磨度

由图1～图3可以看出：磨损率和磨损速度均以OK40型齿条为最小，其次是GRST1钢齿条，GRST2钢齿条与82B钢齿条的磨损率和磨损速度相近；在跑合期，82B钢齿条的磨损率和磨损速度小于GRST2钢；在晚期，GRST2钢的磨损率和磨损速度小于82B钢。

相对耐磨度以OK40型齿条为基准“1”，其他钢种的相对耐磨度均显著小于它；GRST1钢、GRST2钢和82B钢3个钢种中，GRST1钢齿条的相对耐磨度最好；GRST2钢齿条的相对耐磨度与82B钢齿条基本相同。在跑合磨损期，GRST2钢齿条的相对耐磨度比82B钢齿条差，磨损中期互有上下；在磨损后期，GRST2钢齿条相对耐磨度优于82B钢齿条。分析相对耐磨度曲线变化规律，可见在磨砺早期的10 h中：82B钢齿条的相对耐磨度为0.45%～0.60%，GRST1钢齿条的相对耐磨度为0.45%～0.62%；GRST2钢齿条的相对耐磨度仅为0.29%～0.46%。在磨砺后期的60 h～63 h，82B钢齿条的相对耐磨度提高到0.57%～0.62%，GRST1钢齿条则提高到0.72%～0.79%，GRST2钢齿条提高到0.64%～0.72%；其中，GRST1钢齿条的相对耐磨度提高最多，其次是GRST2钢齿条，而82B钢齿条提高最少。总体而言，与OK40型齿条相比，国产钢种齿条的跑合期耐磨度太差，晚期相对耐磨度虽有较大差距，但相对较小。这是3个新钢种齿条加工制造工艺尚未优化的情况。

3 影响齿条耐磨度的因素

影响齿条耐磨度的因素很多，主要因素有表面氧化皮、表面粗糙度、钢材元素成分，齿尖金相组织、硬度、脱碳，以及钢材夹杂等。

3.1 表面氧化皮和表面粗糙度

OK40型齿条均经电介抛光处理，表面无氧化皮，故影响跑合期耐磨度的主要因素是齿条表面和冲口的表面粗糙度。

在本试验中，各钢种随机各取样0.5 m检测齿部基部侧、侧面各30个齿，测定结果见表1。并对齿条两侧表面和冲口进行显微形貌观察、记录，其特征见表2。

表1 不同钢种齿条两侧表面粗糙度Ra值单位：μm

表2 4个钢种齿条基部侧面、侧面和齿前面的微观形貌

齿条钢种基部侧面侧面齿前面OK40光洁如镜面光洁如镜面无毛刺82B齿根部有明显轧制痕有拼模缝和很深的牵料压痕冲口内有微凸体和麻点状凹坑GRST1齿根部有凹坑、毛刺工作面与圆弧交界处有拼模缝，左侧齿根部有裂纹，基部有很深的牵料压痕冲口内有微凸体和麻点状凹坑GRST2肩部有大量毛刺、微凸体有严重牵料压痕冲口内有大量微凸体和麻点状凹坑 注：GRST1钢齿条齿尖部较光滑。

由表1可见：OK40型齿条基部侧面、侧面粗糙度Ra值最小，均值为0.080 3 μm～0.085 8 μm,而且稳定、波动小，均方差σ为0.238 0～0.301 4；国产3个钢种中，双侧表面粗糙度均比OK40齿条大一个数量级。其中，GRST1钢齿条两侧表面粗糙度最差，Ra值为0.187 3 μm～0.128 4 μm，其波动也最大，均方差σ侧面为0.393 0、基部侧面高达1.004 8，这与该齿条表面有凹坑和凸起有关；82B钢齿条基部侧、侧表面粗糙度Ra值0.134 4 μm～0.133 9 μm，表面粗糙度波动在3个国产钢种中较小，但比OK40齿条大，σ值基部侧面为0.355 3、侧面为0.320 1；GRST2钢齿条的表面粗糙度在3个国产钢种中较小，基部侧、侧表面粗糙度Ra值为0.113 4 μm～0.131 7 μm，但仍显著大于OK40齿条，其表面粗糙度波动，σ基部侧面为0.387 0、侧面为0.324 3，但也大于OK40齿条。国产3个钢种齿条两侧表面粗糙度波动均是基部侧面大于侧面，这与抛光时齿条包于挂篮上后，基部侧面紧靠阳极，侧面朝向阴极有关。

齿条抛光后表面粗糙度Ra值大小，与坯片侧面原始表面粗糙度、冲口内断面毛刺、抛光过程中除油、除锈、抛光液配方、抛光液新旧、抛光温度、抛光液比重、抛光时间长短、电流密度、电压及钢材元素成分、金相组织等诸多因素有关。

表2中的微凸体峰谷、拼模缝、凹坑和轧辊压痕，均是磨损的沟槽源，使一开始磨损就产生集中磨损。纤维与齿部的摩擦不同于散在磨粒与齿部的摩擦，嵌入沟槽内的纤维上某一微凸体与齿部峰谷内某一微凸体碰撞剪切后，因纤维上连续性各质点随纤维的切向抽取转移，纤维上的各微凸体均可能与此峰谷内同一微凸体产生碰撞摩擦，即产生集中的磨损，使磨损大大加速；而只有光滑表面才会均匀磨损。跑合期磨砺中，微凸体峰点受到的摩擦阻力最大，最易脱落，故表面粗糙度越大则跑合期磨损越快。齿条齿尖硬度、金相组织及钢材元素成分虽对跑合期磨损亦有影响，但对早期磨损影响最大的应该是表面粗糙度及微观形貌。

国产3个钢种的齿条在跑合期很不耐磨，相对耐磨度仅为OK40型齿条的0.294～0.454。主要原因是两侧面的表面粗糙度Ra值大，冲口内有毛刺，存在轧辊压痕和拼模缝。研制能代替进口格拉夫公司产的高耐磨齿条，必须提高轧制坯条的表面粗糙度，减少冲口毛刺、卷边，改善齿条抛光后的表面粗糙度是关键。

齿尖表面脱碳，也是影响齿尖早期磨损的主要因素之一。经检测，对比的4个钢种齿条其齿尖金相组织脱碳不明显。

3.2 钢材元素的质量分数

钢材元素成分在兰州大学材料实验室测定，先用X射线荧光光谱定性分析元素成分；再用原子吸收光谱(ACP)对已确定的元素作定量分析，4种对比钢材和英国ECC公司产齿条的钢材元素质量分数测定结果列于表3。

对比表3中各钢种齿条元素的质量分数可知：

a) C质量分数以82B钢、GRST2钢和ECC公司产齿条最大，其次是OK40型，GRST1钢为最小。

b) 各钢种Si的质量分数基本相同。

c) Mn质量分数以OK40型最大，82B钢齿条次之，GRST1钢、GRST2钢和ECC公司齿条相当。

d) ECC公司产齿条和GRST2钢齿条Cr质量分数较大，GRST1、OK40型相当。

e) 除82B钢齿条外，各钢种Ni质量分数相当。

f) GRST1钢齿条含有少量Cu，GRST2钢齿条含少量Sn。

g) OK40型，ECC公司产齿条和GRST2钢齿条均含有Al，以ECC公司产齿条的质量分数最多，其次是OK40型，GRST2钢齿条最少。

h) ECC公司产齿条含Mo很多，GRST2含W较多。

i) GRST1钢齿条、GRST2钢齿条和ECC公司产齿条均含有一定量的V，且质量分数相当。

j) GRST1钢齿条含Nb，其他钢种均无。

表3 4种国产钢材和ECC公司产齿条的钢材元素及质量分数对比单位：%

k) GRST1钢齿条和GRST2钢齿条均含有Re，其他钢种均无。

l) OK40的P质量分数最小，82B钢齿条是其2倍，ECC、GRST1和GRST2钢齿条则为其3倍；82B钢齿条S质量分数最小，其次是OK40型，而GRST1和GRST2钢齿条是OK40型钢齿条的2倍，且均含O和N，OK40型和ECC均无O及N。

以上钢种的显著差别是：OK40型齿条C质量分数较大，Mn质量分数最大，有Al而无W，Mo，V，Nb和Re等贵金属元素；ECC齿条C及Mo质量分数大，且含有V，Al及少量W；GRST1齿条C质量分数最低，但含V，Nb和Re等， P，S，O和N等夹杂均较高；GRST2钢齿条C质量分数大，且含较多W和V，还有一定量的Sn和Al。

(未完待续)

[1] 许鑑良.金属针布快速磨损模拟试验研究[J].华东纺织工学院学报：自然科学版,1985,11(1)：15-24.

[2] 许鑑良，陈丽珍，陈文龙，等.新型钢种的金属针布磨损研究[J].纺织学报，1984，15(2)：5-11.

[3] 安继儒.中外常用金属材料手册[M].西安：西安交通大学出版社,1992:1250-1256.

[4] 崔崑.钢铁材料及有色金属材料[M].北京：机械工业出版社，1981.

[5] 《稀有金属应用》编写组.稀有金属应用[M].北京： 冶金工业出版社,1974.

[6] 《稀有金属知识》编写组.稀有金属钽与铌[M].北京：冶金工业出版社,1974.

[7] 金轮针布(江苏)有限公司.内部技术资料[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

许鑑良(1936—)，男，江苏无锡人，副教授，主要从事梳理器材的研究和应用。

TS103.82+1

A

1001-9634(2017)02-0001-05