表面强化高耐磨刺辊金属针布设计原理和应用实践

汪平安，陈玉峰

(1.西安纺织集团有限责任公司，西安 710038；2.光山白鲨针布有限公司，河南 光山 465450)

0 引言

刺辊金属针布主要是对纤维束进行穿刺、抓取、预梳理和转移，其质量和使用效果与成纱质量密切相关。当其对纤维进行握持梳理时，刺辊金属针布与纤维互相摩擦、不断钝化，使齿尖变圆甚至齿尖断裂、工作棱出现沟槽，严重影响梳理质量。刺辊金属针布梳理纤维200 t～300 t时，频繁更换会导致纤维质量波动、增加针布维护成本。因此，使用高耐磨、使用周期长的刺辊金属针布，对稳定成纱产品质量十分重要。

1 刺辊金属针布梳理特点及磨损部位状态

1.1 梳理特点

刺辊金属针布梳理体积较大的纤维束，具有抓取、分离、梳理、转移和排杂的功能，通过握持梳理使纤维束单纤维化率超过80%，大幅减轻后部梳理元件的梳理负荷；刺辊金属针布将抓取的纤维尽可能一次性转移给锡林金属针布，同时其高速旋转产生的离心力能实现纤维、杂质与短绒的分离和转移。

1.2 磨损部位状态

梳理过程中，刺辊金属针布受到的磨损主要来自纤维、纤维中的杂质粉尘以及化学腐蚀，具体磨损部位为齿尖(工作角、齿尖角受损)、齿顶、齿前面和齿侧面，形成磨损的原因主要为物理磨损、有形磨损和化学磨损。

1.2.1 齿尖磨损

金属针布齿条在抓取、穿刺纤维时，对纤维的冲切力导致摩擦磨损，使齿尖钝化、齿顶面积变大，齿顶宽由最初的0.27 mm磨损至0.45 mm，甚至更大，齿尖产生分叉、毛刺、断裂，齿顶面出现沟槽，造成穿刺能力下降、挂纤维等，影响梳理效果。高速高产梳理机中刺辊金属针布的转速更高，更易出现磨损，针布使用周期大幅缩短，增加了工人劳动强度和企业投入。

1.2.2 齿前面磨损

刺辊金属针布齿前面控制、转移纤维的位置相对固定，容易产生纤维转移路径依赖，犁耕磨损易使齿前面出现沟槽，沟槽的位置受刺辊转速、工作角与纤维摩擦因数等因素的影响[1]。尤其是金属针布齿条硬度第1点与第2点之间位置，淬火硬度相对较低，最易出现犁耕沟槽。随着沟槽深度的增加，梳理时挤压力过大会造成齿尖断裂。

1.2.3 齿侧面磨损

梳理过程中，纤维在分离转移的同时趋于向齿尖运动，同时纤维在与除尘刀、预分梳板接触过程中受梳理力影响产生摩擦力，导致纤维转移时对金属针布进行反复地冲刷磨损，在齿侧面形成光滑的浅沟槽，造成刺辊金属针布挂花、嵌杂，影响梳理质量。

1.2.4 齿体侧棱磨损

在金属针布齿条加工过程中，受刀模冲切影响形成的棱角，在梳理过程中与纤维互相作用，造成纤维的切割性损伤使短绒增加；而纤维对齿体的摩擦磨损，随着时间的延长使齿体侧棱出现磨损沟槽、挂纤维问题。

1.2.5 化学锈蚀磨损

再生纤维素纤维中含有的二氧化钛粒子等导致纤维摩擦因数增大，加剧了对针布的磨损；染色纤维中的酸碱残留会腐蚀金属针布齿条表面；车间温湿度过高、生产中加湿过大，会加快齿条的氧化。以上这些均会使金属针布齿条表面的马氏体组织发生变化，导致齿条硬度下降、梳理效果变差。

2 高耐磨刺辊金属针布设计原理

传统刺辊金属针布为了提高耐磨度，主要从选用耐磨合金钢材质、增加齿顶宽方面进行设计，但受制于纤维损伤大、梳理效果差，最终难以达到要求。高耐磨刺辊金属针布设计不仅要考虑磨损率、磨损速度、相对耐磨度，还要采取表面涂层技术并加入类金刚石颗粒，使齿条表面光洁、硬度提升，同时结合齿顶宽及齿密合理增减，最终实现梳理质量、使用周期与维护方便的有机结合。

2.1 选用优质钢材

材质是刺辊金属针布提高耐磨度的关键，钢材中合金元素越多，针布磨损率、磨损速度就越小，相对耐磨度就高。高耐磨针布用材料中的合金元素能产生固溶强化性，提高齿尖硬度，在齿尖内形成许多高硬度的碳化物，可进一步提高耐磨性；合金元素还能克服高碳钢在淬火时的过热敏感性，在退火中形成的特种碳化物不易聚集，钢的韧性好[2]。刺辊金属针布材质从早期使用60B钢到现在的72B钢，齿条耐磨度有了很大提高。

2.2 齿形合理设计

刺辊金属针布齿条的磨损主要是侧面、齿尖以及工作棱。合理设计齿条角度、齿顶宽、工作棱、齿密、齿形等，能有效控制纤维运动，改善通道路径依赖造成的集中磨损，并缓和工作面磨损[3]。改变传统的穿刺设计理念，将穿刺、托持和转移三者结合，使纤维托持、不沉入齿底，易被锡林抓取转移。如图1所示，使用双弧齿和驼峰齿齿形的高耐磨刺辊金属针布，有效增加了对纤维的保护，提高了排杂效果和耐磨性能。

a) 双弧齿 b) 驼峰齿

2.3 齿体锥齿化处理，实现柔和梳理

普通金属针布齿条的齿顶呈一平面，边缘呈直角，棱角分明、锋利度好，能提高分梳穿刺能力，但纤维损伤多。高耐磨刺辊金属针布齿条的齿顶经锥齿化处理，针布表面更光洁，易于气流通过，减少对纤维的阻力；齿条棱边为圆弧过渡，缓和了对纤维的穿刺力，延长了使用寿命。

2.4 齿顶宽优化，提高穿刺能力

普通刺辊金属针布齿条的齿顶宽为0.27 mm，穿刺阻力大、易损伤纤维，且纤维流反复冲刷梳理造成齿尖犁耕磨损，影响使用寿命。高耐磨刺辊金属针布的齿顶宽减小为0.17 mm～0.22 mm，齿顶面积更小、穿刺能力更强，减少握持强分梳造成的纤维损伤。同时，齿条对纤维的摩擦降低，减少了棉结和短绒，有效缓和了梳理力、提高了使用寿命。

2.5 热处理工艺优化

通过热处理工艺获得较好的齿条金相组织，才能实现均匀磨损、延长使用周期。在实际生产中，优化热处理工艺(如淬火、回火)，结合表面强化技术能提高刺辊金属针布的金相组织，保证马氏体组织均匀、韧性稳定、使用周期延长。高耐磨刺辊金属针布淬火后齿尖金相组织为二级马氏体，见图2。

a) 普通针布

2.6 表面应用强化涂层技术，提高硬度和外观质量

高耐磨刺辊金属针布表面采用纳米涂层处理技术，具有超硬材料和纳米颗粒的双重特性，能大幅提高工件硬度、耐磨性、导热性和耐腐蚀性。如：增加类金刚石微粉，提高针布硬度和耐磨度，降低原料犁耕磨损、稳定耐磨期；加入铬、镍、磷等金属微颗粒提高耐磨度；加入稀土元素，可细化晶粒，消除氧化皮和夹杂物，使齿条表面更光洁、摩擦因数更小，提高金属针布的韧性和抗冲击疲劳能力；增加碳质量分数(大于0.8%)，提高针布硬度与防腐蚀能力。

不同表面处理的金属针布齿条4点小力值维氏硬度对比，见表1。

表1 不同金属针布齿条4点小力值维氏硬度对比 单位：HV0.2

针布齿条第1测点区域是纤维磨损集中区，其硬度提高能增强针布耐磨度、延长使用寿命；第2测点区域硬度提高，能保证针布在大负荷下不出现倒伏、侧弯、反向等不良问题；第3测点硬度为保证针布在包卷时既不断裂又不扭曲；第4测点硬度控制在200 HV0.2以下，以保证针布包卷时贴伏性能好。

3 高耐磨刺辊金属针布性能和应用效果

3.1 性能分析

高耐磨刺辊金属针布从材质、热处理、表面强化、齿条几何尺寸、锥齿化处理、优化齿顶宽等方面进行优化设计，能实现高光洁齿体、锥齿化高硬度齿尖、二级金相组织、柔性梳理、减少纤维损伤、防腐蚀能力提高的效果，有效延长了针布使用寿命。梳理纯棉纤维量可达1000 t以上，梳理再生化纤量达到800 t以上；同时第2硬度测点磨损减少，保证了质量的稳定性,还可根据不同的纤维特性，不断优化齿形设计，做到适纺范围广、兼容性强和针布免维护。

表面强化金属针布与其他品牌针布关键性能对比，见表2。

表2 表面强化金属针布与其他针布性能对比

3.2 应用效果

高耐磨刺辊金属针布采用了表面涂层、锥齿化处理，采用组合齿形、薄齿尖、硬度高，通过提高热处理质量、选用高耐磨钢材等措施，有效提高了梳理效果，延长了针布使用周期[4]，解决了传统产品存在的齿顶宽大、工作棱第2点磨损大、损伤纤维大、表面粗糙以及防锈蚀能力差等问题。

3.2.1 案例一

采用C51型梳棉机梳理机采棉，出条速度为150 m/min，棉条定量为28 g/(5 m)，锡林转速为510 r/min，刺辊转速为1030 r/min，刺辊金属针布型号为AT5010×05030V型，梳理1000 t纤维后表面磨损状态对比见图3。

a) 普通针布梳理纤维300 t

3.2.2 案例二

A186型梳棉机纺麻棉70/30混纺纱，出条速度为70 m/min，棉条定量为23 g/(5 m)，锡林转速为360 r/min，刺辊转速为860 r/min，刺辊金属针布型号为AT5610×05011。使用12个月与其他刺辊金属针布的成纱指标对比，见表3。

表3 不同刺辊金属针布麻棉混纺纱指标对比

3.2.3 案例三

JWF1204型梳棉机纺1.33 dtex×38 mm粘胶纤维和1.56 dtex×38 mm再生聚酯短纤氨纶包芯纱，锡林转速为420 r/min，刺辊转速为1080 r/min，出条速度为130 m/min，棉条定量为26 g/(5 m),刺辊金属针布型号为AT5505×04025VCS(驼峰齿)；使用16个月与某品牌针布成纱指标对比，见表4。表4表明，再生聚酯纤维僵片多、并丝多，原料中含有二氧化钛，易造成针布损伤，采用高耐磨表面强化刺辊金属针布，提高了耐磨度，稳定了产品质量。

表4 不同刺辊金属针布纺再生聚酯短纤维包芯纱指标对比

3.2.4 案例四

JWF1204型梳棉机纺机采棉OE 18.2 tex纱，出条速度为135 m/min，棉条定量为25 g/(5 m)，锡林转速为450 r/min，刺辊转速为1100 r/min，刺辊金属针布型号为AT5013×05030V型，弧齿薄尖表面强化处理。使用18个月后与其他刺辊金属针布成纱指标对比，见表5。

表5 不同刺辊金属针布纺OE 18.2 tex纱指标对比

4 结语

刺辊金属针布的齿尖、齿侧面、工作棱等的磨损，会使其钝化而失去梳理功能。高耐磨刺辊金属针布选用优质钢材加入耐磨介质、优化热处理工艺、合理设计几何尺寸以及采用表面强化处理技术等措施，使齿条表面更光洁，针布耐磨度、锋利度、平整度和淬火均匀度均大幅提升，为高耐磨提供了有利条件。实践证明，采用高耐磨刺辊金属针布，能够减少纤维损伤，开松充分，且使用周期延长、梳理质量稳定。