金屬針布齒條熱處理過程中的熱色及其測控

馮喜奎，溫　倩，張　幸

(1.浙江錦峰紡織機械有限公司，浙江 溫州　325041；2.河南工程學院 機械工程學院， 鄭州　451191；3.上海交通大學 材料科學與工程學院，上?！?00240)

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·生產實踐

金屬針布齒條熱處理過程中的熱色及其測控

馮喜奎1，溫倩2，張幸3

(1.浙江錦峰紡織機械有限公司，浙江 溫州325041；2.河南工程學院 機械工程學院， 鄭州451191；3.上海交通大學 材料科學與工程學院，上海200240)

總結金屬針布齒條生產線熱處理測控現狀，結合金屬的熱色及鋼的熱色圖譜，詳盡分析了金屬針布齒條熱處理的加熱特點和熱色特點，建立符合金屬針布齒條熱處理的熱色與處理效果比照圖表，涵蓋淬火加熱、高頻退火加熱、接頭對焊加熱；以錫林針布和道夫針布兩個主導產品為例，分析其淬火加熱熱色分布及對應區域的處理效果。指出：熱色的掌控是針布齒條制造者的基本技能，產品規格、齒形特征、材質選用等的不同，將帶來熱色特征及操控的巨大差異；對熱色深入細致的研討，有助于提升金屬針布齒條的熱處理質量，為研發高端產品和打造國際品牌創造條件。

金屬針布；針布齒條；熱處理；熱色；熱色圖譜；淬火；退火；對焊；測控

0　引言

金屬針布齒條的熱處理質量狀態是產品質量的關鍵，在國家紡織器材測試中心抽樣檢測的10個質量項中，與熱處理相關的質量項占據了4個(齒尖硬度——測點1、半齒深硬度——測點2、齒根硬度——測點3、基部硬度——測點4)，熱處理質量也是用戶反饋質量問題最集中之處。淬火質量直接影響針布的耐磨性和纖維梳理總量，是目前國產針布與進口高端針布市場競爭中久攻不下的一個難點。金屬針布齒條具有小截面線性延長的特點，其熱處理是在專用生產線上連續放線加工而成，在微小的區域內(如20系列的錫林針布是在2 mm之內)獲得足夠硬的齒部淬火效果(達900 HV)，恰當的齒部淬火深度，足夠軟的基部硬度(約200 HV)，一直是針布齒條制造必須面臨的難題。在其特殊加熱方法前提下，研究其加熱時熱影響區的熱態形像(熱像)、溫度分布、熱處理后的硬度分布以及熱像—溫度—硬度三者的關系，對于有效測控金屬針布齒條的熱處理，獲得理想的熱處理效果至關重要。

1　金屬針布齒條生產線熱處理測控現狀

金屬針布齒條在沖淬卷聯合生產線上的熱處理涉及4項：高頻退火加熱、火焰淬火加熱、接頭時對焊加熱、高頻回火加熱。由于此類產品具有連續放線式加工及微小尺寸的特點，其被加熱的溫度無法像常規熱處理那樣直接測量顯示，如小規格的錫林，其齒部淬火加熱的區域不大于0.40 mm，且熱齒還處在運動當中，即使采用紅外測溫，其加熱區域也達不到儀器要求的最低熱區尺寸范圍。生產線上4項加熱全部以間接的方式加以控制：高頻退火和淬火后的回火，是在確定線速度條件下適配高頻感應圈，配以調節高頻電源的振蕩電流；齒部淬火加熱，是在確定線速度下適配火焰淬火噴嘴，配以調節燃氣和助燃氣供給量及混合比；針布齒條接頭對焊后的退火加熱，則是靠調節對焊機波段開關并輔以調整焊口間距及導通時間。

針布齒條在線熱處理測控現狀可以歸納為：調控←→熱像←→效果。調控是對工裝器具規格及工藝參數的調節，熱像是在線可觀察到的加熱區熱態，效果是下線產品獲得加熱區硬度及金相組織分布。

針布齒條生產線擋車工主要靠在線加熱形成的熱像與下線后熱處理效果檢測間的反復比照，建立起來熱像與效果的對應關系，以個人經驗及時調節，以獲得產品技術要求規定的熱處理效果。熱像是即時的、動態的、可見的，效果是事后測得的。

2　金屬的熱色及圖譜

2.1金屬的熱色

金屬被加熱時由于熱振動的存在，不時地發射著電磁輻射能(即所謂的光)。溫度低時，這種光的頻率低、波長長，是人眼看不到的遠紅外線和紅外線。隨著溫度的升高，光的能量逐漸增加，頻率增高，波長變短。當溫度達約600℃時，這種光進入可見光譜范圍，呈暗棕紅色；達800℃時，呈橘紅色；繼續升高達1 000℃以上時，將逐漸呈橙黃以至黃白色[1]。這種由于熱振動和電磁輻射而發射，能間接顯現被加熱金屬溫度的可見光顏色稱為熱色，行業內也常稱為火色；所謂火色，并不指加熱時火苗或爐膛的顏色，而是指被加熱體即工件所展現出的顏色。

2.2鋼的熱色圖譜

鋼的加熱火色與溫度有一定的對應關系。鋼被加熱時，在不同溫度對應不同的波長和顏色(熱色)，如圖1所示，將被加熱金屬的溫度和其對應的熱色由低溫向高溫排成圖列，這種反映鋼被加熱時熱色與對應溫度的圖列稱為鋼的熱色圖譜[2-3]。不同的鋼種，熱色與溫度的對應值會有一定的差異，但常用鋼的熱色與溫度對應值相似。

2.3熱色圖譜的熱色漸變規律簡析

溫度低時，這種光的頻率低、波長長，是人眼看不到的遠紅外線和紅外線，所以600℃或550℃以下幾乎看不到熱色，無法憑人的視覺感知被加熱體的溫度。而從600℃或550℃到1 300℃之間熱色呈現如下漸變規律：

600℃→800℃→900℃→1 000℃→1 300℃

棕(赤)紅→紅→橘黃(橙)→黃→白

3　金屬針布齒條熱處理的熱色分析

3.1金屬針布齒條生產中的熱處理特點

3.1.1微小區域加熱

微小區域加熱，如小規格錫林，總高僅1.5 mm～2 mm，淬深不足0.4 mm。

3.1.2移動中加熱

以5 m/min～30 m/min速度移動中加熱，加熱區域熱色不易觀測。

3.1.3極高的溫度梯度

由于產品微小，從淬火硬化區到非淬火硬化區的過渡區間極其微小。

3.1.4特殊加熱方法

淬火采用火焰加熱，退火及回火采用高頻感應加熱，接頭采用電阻加熱。

3.1.5相鄰區域呈現極大硬度反差

如小規格錫林，齒部淬火硬度達800 HV以上，而僅相距0.2 mm的基部則要求硬度不大于240 HV。

3.1.6高碳敏感材質

新型金屬針布齒條材質的碳含量已提高至0.8%，而高碳合金鋼的碳當量則會更高，矮而薄的金屬針布齒條在淬火和接頭的加熱中極易發生非淬硬區(如齒根或基部)過硬。一旦達到淬火溫度，室溫條件下即可生成淬火組織。

3.1.7規避滯留加熱

以確定的速度勻速移動，方可獲得恰當的加熱強度，停滯將導致過熱脆斷。

3.1.8精準定位加熱

產品形體微細且臨近區域硬度大反差，必須在精準定位條件下加熱。

3.1.9接頭對焊包含熱處理

接頭對焊時，形成焊瘤瞬間的溫度很關鍵，在過低溫度下頂鍛形成“虛、高、松、脆”焊瘤，在過高溫度頂鍛則生成“凹陷”(不飽滿)焊瘤，通過接頭工藝技巧設置，可以調控頂鍛在最佳溫度下發生。頂鍛生成的焊口通常是淬火組織，需在對焊機上實施退火處理，而焊口修磨后則需要低溫去應力退火處理(兼有修磨區著色目的)[4]。

3.2金屬針布齒條熱處理的熱色特點

3.2.1熱齒微小

小規格錫林針布齒條淬火時，齒部加熱平面寬度不足0.4 mm。

3.2.2熱齒移動

被加熱的針布齒條在快速移動中，小規格針布齒條的熱齒在移動中熱像不易被視覺捕捉。

3.2.3熱齒斷續

如圖2所示，金屬針布齒條由齒部和齒隙相間而成，移動中的針布齒部是斷續的熱體。若把齒部區間再分層分析，會發現越靠向齒尖，沿齒條長度方向有齒區域更短，而無齒的齒隙區域更長。

3.2.4齒部熱色淡化

火焰噴嘴加熱后，連續的區域(除齒部之外的區域)呈現熱色，代表該區域的熱色，齒部則不然。例如物理課七色盤旋轉效果演示，轉盤均分為赤橙黃綠青藍紫七區，當轉盤轉速達到人的視覺無法跟蹤時，將呈現七色混合效果——無色的日光。人的視覺有一定的跟蹤分辨能力，大規格金屬針布淬火時，易于把視線與移動速度同步，能觀察到每個齒的熱態圖像。對于小規格的金屬針布(如20系列錫林針布)，人的視覺根本無法捕捉到單個齒的熱態圖像，僅能看到熱態齒部與齒隙的混合效果，而齒隙處在出噴嘴之前是火焰(通常為淡色)，出噴嘴之后是無色空間，這樣以來，流動的熱齒區域的熱色將被淡化，且越靠近齒尖，淡化越加劇。

如圖2所示，從平面上觀測齒部和齒隙占據區域面積，道夫針布齒部/齒隙的比值較大，熱色淡化不嚴重，錫林的齒部/齒隙比值較小，熱色淡化嚴重。這才是道夫淬火熱色呈現較高溫度，而錫林淬火熱色呈現較低溫度的根本原因。

3.2.5火焰色澤影響熱色觀測

噴嘴火焰可以呈現出不同的色澤，氧化性火焰呈淡藍色，加熱強度不足，易產生針布表面氧化，但利于熱色觀測；中性焰淡黃色，加熱強度足，對熱色觀測稍有影響，使熱色不夠鮮亮(熱色變淡，好像溫度不夠高)；還原性焰呈白亮色，加熱強度不足，嚴重影響熱色觀測(熱色極度變淡，讓人感覺加熱溫度嚴重不足，容易誤導擋車工提高加熱溫度，造成過熱)。

3.2.6室內外光照影響熱色觀測

環境明亮度對熱色觀測有極大影響。室外陽光的影響最為顯著，晴天特別是陽光直射到淬火噴嘴時，熱色變淡變暗；陰天與晴天，白天與晚上，近窗與暗室都影響熱色觀測。加蓋噴嘴淬火防風罩對熱色觀測有利。

3.2.7高頻退火封閉加熱

為抑制產品的表面氧化，高頻感應加熱退火設置在密閉管道中進行，生產中無法觀測到熱色，只能在工藝試驗中觀測，依據試驗檢測結果做調節。

3.2.8高頻回火不顯熱色

淬火后的回火溫度較低，觀測不到熱色，只能通過硬度及金相分析做調控依據。

3.2.9接頭對焊借助熱色完成

金屬針布齒條的接頭實際是基部的對焊，頂鍛瞬間及退火過程的熱色可見、可控，焊瘤形貌、焊縫金相組織、焊縫及熱影響區硬度要借助熱色調控。

4　金屬針布齒條加熱熱色掌控

4.1加熱的熱色及對應效果

如前所述，金屬針布齒條在淬火加熱、高頻退火、接頭加熱三工序中涉及熱色。借助熱色的觀測及評判，調節加熱強度獲得理想的熱處理工藝效果，是沖淬卷車間擋車工的基本技能，此技能是通過反復參與“熱色調控與工藝效果預測”的技能演練逐步掌握的，即參與者現場操控調節，即時取樣送檢，快速檢測并報告結果，及時修正和完善參與者熱色觀測評判的技能。將熱色按溫度高低順序排列，并與處理效果對應形成圖表(見表1)，即為金屬針布齒條加熱熱色圖譜，每級熱色對應的熱處理工藝效果列于圖表中，此圖譜是工藝實踐總結的產物。

4.2熱色的掌控

表1是白天晴好天氣車間內條件下(無直射陽光)，淬火加熱、高頻退火、接頭對焊時被加熱的熱色和對應的溫度。金屬針布齒條的規格品種不同，其幾何尺寸、齒部形貌、齒部/齒隙比值等差異較大，影響其熱色的顯現；光照條件的影響會更加顯著，同樣的溫度陰天或晚上熱色會顯得亮些，亮光下(特別是直射陽光下)熱色會顯得暗些。實際生產中，要依據具體產品規格的熱處理質量要求，借助熱色表像調控加熱強度，以獲得預期效果。針布齒條正常淬火加熱溫度為850℃～880℃，錫林針布齒條材質含碳量高，淬火溫度應稍低；道夫針布齒條含碳量低，淬火溫度應稍高。

表1金屬針布加熱熱色與工藝效果

圖3為小規格錫林針布齒條淬火加熱熱色分布效果，從齒頂到基部分為6個區域，每個區域的熱色、溫度及其處理效果見表2。由于小規格錫林針布齒條淬火加熱時，移動熱齒的熱色淡化，各熱色級別所具有的實際溫度比表1要偏高1～2個級別。圖3中所示的4個標志點是4個硬度測點。

表2小規格錫林針布齒條淬火加熱熱色分布及處理效果

圖4所示為道夫針布齒條淬火加熱熱色分布效果，從齒頂到基部同樣分為6個區域，每個區域的溫度、熱色及其處理效果見表3。道夫針布齒條規格尺寸較大，齒深也較深，淬火時為強化淬火深度，有時會出現上半齒輕微脫皮問題；相對錫林針布齒條而言，由于道夫針布齒條基部較厚，材質碳含量較低，在強化淬火深度時，基部顯現些熱色(深棕紅)也不會過硬。

5　結語

5.1在生產現場，被加熱金屬針布齒條的熱態色澤是漸變的，為便于區分和比對，這里采取分層配色，盡量接近和模擬原貌。

5.2對熱色的掌控是金屬針布生產者及技術人員必須掌握的基本技能，此項技能必須通過大量的熱色調節、效果預測、即時檢測的反復演練、及時修正方可獲得。

表3道夫針布齒條淬火加熱熱色分布及處理效果

5.3產品規格、齒形特征、材質選用等的不同，將帶來熱色特征及操控的巨大差異。

5.4實際生產中，員工和沖淬卷機臺的規格品種應盡量保持穩定；如有變動要先重復工藝演練(包括淬火、高頻退火、高頻回火、接頭對焊)，掌控達標后方可正式生產。

5.5金屬針布齒條(尤其是小規格錫林針布齒條)每卷總長較長，在生產線上歷時數小時才能完成，其淬火加熱強度及狀態無法通過儀表直接顯示，而即時的熱色是可以觀測到的，熱色一直是擋車工及巡檢員評判、調節及操控淬火加熱狀態的首要依據。

5.6對金屬針布齒條熱處理過程中的熱色進行深入細致的研討和掌控，有利于生產企業提升產品的熱處理質量，為研發高端產品和打造國際品牌創造條件。

[1] 冶金工業部鋼鐵研究總院.合金鋼手冊：上[M].北京：冶金工業出版社，1984.

[2] 李國彬.熱處理工藝規范與數據手冊[M].北京：化學工業出版社，2013.

[3] 楊滿.實用熱處理技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[4] 馮喜奎.新型金屬針布接頭對焊質量的分析與探討[J].棉紡織技術，1999，27(6)：22-25.

Thermal Color and the Control Thereof in the Treatment Process of the Metallic Card Clothing Rack

FENG Xikui1,WEN Qian2,ZHANG Xing3

(1.Zhejiang Jinfeng Textile Machinery Co.,Ltd.,Wenzhou 325041,China; 2.Mechanic College Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 451191,China; 3.School of the Materials Science and Engineering Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Summarized here is the current thermal control status of rack production line of the metallic card clothing.With information of the thermal color atlas of the steel,comprehensive analysis is made to the heating characteristics of the thermal treatment of the rack of the metallic card clothing and the thermal color.A chart is made to compare the thermal color treatment effect of the thermal treating the rack of the metallic card clothing covering quenching and high frequency annealing,butt welding heating.Sampling cylinder clothing and doffer clothing as the two leading products,analysis is done to the heating color distribution with the treatment effect of quenching and the corresponding region.It is pointed out that the control of thermal color is the basic skills manufacturing the rack of the metallic card clothing.The difference in specifications,tooth profile,and material will make bring a huge difference in thermal color characteristics and control of the hot color depth and meticulous research,helping improve the quality of the rack of the heat treatment for the development of high-end products and to create an international brand.

metallic card clothing;rack;thermal treatment;thermal color;color atlas;quenching;annealing;butt welding;control

2015-06-30

馮喜奎(1956—)，男，河南滎陽人，高級工程師，主要從事梳理器材方面的研究。

TS103.82+1

A

1001-9634(2016)01-0018-05

網絡出版時間：2015-10-20 10∶19

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20151020.1019.006.html