金属针布齿条热处理过程中的热色及其测控（上）

maomaohime

金属针布齿条热处理过程中的热色及其测控（上）

冯喜奎1，温  倩2，张  幸3
(1.浙江锦峰纺织机械有限公司，浙江 温州  325041；2.河南工程学院 机械工程学院，郑州  451191；

3.上海交通大学 材料科学与工程学院，上海  200240)

摘要：总结金属针布齿条生产线热处理测控现状，结合金属的热色及钢的热色图谱，详尽分析了金属针布齿条热处理的加热特点和热色特点，建立符合金属针布齿条热处理的热色与处理效果比照图表，涵盖淬火加热、高频退火加热、接头对焊加热；以锡林针布和道夫针布两个主导产品为例，分析其淬火加热热色分布及对应区域的处理效果。指出：热色的掌控是针布齿条制造者的基本技能，产品规格、齿形特征、材质选用等的不同，将带来热色特征及操控的巨大差异；对热色深入细致的研讨，有助于提升金属针布齿条的热处理质量，为研发高端产品和打造国际品牌创造条件。

关键词：金属针布；针布齿条；热处理；热色；热色图谱；淬火；退火；对焊；测控

金属针布齿条的热处理质量状态是产品质量的关键，在国家纺织器材测试中心抽样检测的10个质量项中，与热处理相关的质量项占据了4个（齿尖硬度——测点1、半齿深硬度——测点2、齿根硬度——测点3、基部硬度——测点4），热处理质量也是用户反馈质量问题最集中之处。淬火质量直接影响针布的耐磨性和纤维梳理总量，是目前国产针布与进口高端针布市场竞争中久攻不下的一个难点。金属针布齿条具有小截面线性延长的特点，其热处理是在专用生产线上连续放线加工而成，在微小的区域内（如20系列的锡林针布是在2 mm之内）获得足够硬的齿部淬火效果（达900 HV），恰当的齿部淬火深度，足够软的基部硬度（约200 HV），一直是针布齿条制造必须面临的难题。在其特殊加热方法前提下，研究其加热时热影响区的热态形像（热像）、温度分布、热处理后的硬度分布以及热像—温度—硬度三者的关系，对于有效测控金属针布齿条的热处理，获得理想的热处理效果至关重要。

1  金属针布齿条生产线热处理测控现状

金属针布齿条在冲淬卷联合生产线上的热处理涉及4项：高频退火加热、火焰淬火加热、接头时对焊加热、高频回火加热。由于此类产品具有连续放线式加工及微小尺寸的特点，其被加热的温度无法像常规热处理那样直接测量显示，如小规格的锡林，其齿部淬火加热的区域不大于0.40 mm，且热齿还处在运动当中，即使采用红外测温，其加热区域也达不到仪器要求的最低热区尺寸范围。生产线上4项加热全部以间接的方式加以控制：高频退火和淬火后的回火，是在确定线速度条件下适配高频感应圈，配以调节高频电源的振荡电流；齿部淬火加热，是在确定线速度下适配火焰淬火喷嘴，配以调节燃气和助燃气供给量及混合比；针布齿条接头对焊后的退火加热，则是靠调节对焊机波段开关并辅以调整焊口间距及导通时间。

针布齿条在线热处理测控现状可以归纳为：调控←→热像←→效果。调控是对工装器具规格及工艺参数的调节，热像是在线可观察到的加热区热态，效果是下线产品获得加热区硬度及金相组织分布。

针布齿条生产线挡车工主要靠在线加热形成的热像与下线后热处理效果检测间的反复比照，建立起来热像与效果的对应关系，以个人经验及时调节，以获得产品技术要求规定的热处理效果。热像是即时的、动态的、可见的，效果是事后测得的。

2  金属的热色及图谱

2.1  金属的热色

金属被加热时由于热振动的存在，不时地发射着电磁辐射能(即所谓的光)。温度低时，这种光的频率低、波长长，是人眼看不到的远红外线和红外线。随着温度的升高，光的能量逐渐增加，频率增高，波长变短。当温度达约600 ℃时，这种光进入可见光谱范围，呈暗棕红色；达800 ℃时，呈橘红色；继续升高达1 000 ℃以上时，将逐渐呈橙黄以至黄白色[1]。这种由于热振动和电磁辐射而发射，能间接显现被加热金属温度的可见光颜色称为热色，行业内也常称为火色；所谓火色，并不指加热时火苗或炉膛的颜色，而是指被加热体即工件所展现出的颜色。

2.2  钢的热色图谱

钢的加热火色与温度有一定的对应关系。钢被加热时，在不同温度对应不同的波长和颜色(热色)，如图1所示，将被加热金属的温度和其对应的热色由低温向高温排成图列，这种反映钢被加热时热色与对应温度的图列称为钢的热色图谱[2-3]。不同的钢种，热色与温度的对应值会有一定的差异，但常用钢的热色与温度对应值相似。

2.3  热色图谱的热色渐变规律简析

温度低时，这种光的频率低、波长长，是人眼看不到的远红外线和红外线，所以600 ℃或550 ℃以下几乎看不到热色，无法凭人的视觉感知被加热体的温度。而从600 ℃或550 ℃到1 300 ℃之间热色呈现如下渐变规律：

600℃→800 ℃→900 ℃→1 000 ℃→1 300 ℃

棕(赤)红→红  →橘黄(橙)  →黄  →  白

3  金属针布齿条热处理的热色分析

3.1  金属针布齿条生产中的热处理特点

3.1.1  微小区域加热

微小区域加热，如小规格锡林，总高仅1.5 mm～2 mm，淬深不足0.4mm。

3.1.2  移动中加热

以5 m/min～30 m/min速度移动中加热，加热区域热色不易观测。

3.1.3  极高的温度梯度

由于产品微小，从淬火硬化区到非淬火硬化区的过渡区间极其微小。

3.1.4  特殊加热方法

淬火采用火焰加热，退火及回火采用高频感应加热，接头采用电阻加热。

3.1.5  相邻区域呈现极大硬度反差

如小规格锡林，齿部淬火硬度达800 HV以上，而仅相距0.2 mm的基部则要求硬度不大于240 HV。

3.1.6  高碳敏感材质

新型金属针布齿条材质的碳含量已提高至0.8%，而高碳合金钢的碳当量则会更高，矮而薄的金属针布齿条在淬火和接头的加热中极易发生非淬硬区(如齿根或基部)过硬。一旦达到淬火温度，室温条件下即可生成淬火组织。

3.1.7  规避滞留加热

以确定的速度匀速移动，方可获得恰当的加热强度，停滞将导致过热脆断。

3.1.8  精准定位加热

产品形体微细且临近区域硬度大反差，必须在精准定位条件下加热。

3.1.9  接头对焊包含热处理

接头对焊时，形成焊瘤瞬间的温度很关键，在过低温度下顶锻形成“虚、高、松、脆”焊瘤，在过高温度顶锻则生成“凹陷”（不饱满）焊瘤，通过接头工艺技巧设置，可以调控顶锻在最佳温度下发生。顶锻生成的焊口通常是淬火组织，需在对焊机上实施退火处理，而焊口修磨后则需要低温去应力退火处理（兼有修磨区着色目的）[4]。

3.2  金属针布齿条热处理的热色特点

3.2.1  热齿微小

小规格锡林针布齿条淬火时，齿部加热平面宽度不足0.4 mm。

3.2.2  热齿移动

被加热的针布齿条在快速移动中，小规格针布齿条的热齿在移动中热像不易被视觉捕捉。

3.2.3  热齿断续

如图2所示，金属针布齿条由齿部和齿隙相间而成，移动中的针布齿部是断续的热体。若把齿部区间再分层分析，会发现越靠向齿尖，沿齿条长度方向有齿区域更短，而无齿的齿隙区域更长。

3.2.4  齿部热色淡化

火焰喷嘴加热后，连续的区域(除齿部之外的区域)呈现热色，代表该区域的热色，齿部则不然。例如物理课七色盘旋转效果演示，转盘均分为赤橙黄绿青蓝紫七区，当转盘转速达到人的视觉无法跟踪时，将呈现七色混合效果——无色的日光。人的视觉有一定的跟踪分辨能力，大规格金属针布淬火时，易于把视线与移动速度同步，能观察到每个齿的热态图像。对于小规格的金属针布（如20系列锡林针布），人的视觉根本无法捕捉到单个齿的热态图像，仅能看到热态齿部与齿隙的混合效果，而齿隙处在出喷嘴之前是火焰（通常为淡色），出喷嘴之后是无色空间，这样以来，流动的热齿区域的热色将被淡化，且越靠近齿尖，淡化越加剧。

如图2所示，从平面上观测齿部和齿隙占据区域面积，道夫针布齿部/齿隙的比值较大，热色淡化不严重，锡林的齿部/齿隙比值较小，热色淡化严重。这才是道夫淬火热色呈现较高温度，而锡林淬火热色呈现较低温度的根本原因。

3.2.5  火焰色泽影响热色观测

喷嘴火焰可以呈现出不同的色泽，氧化性火焰呈淡蓝色，加热强度不足，易产生针布表面氧化，但利于热色观测；中性焰淡黄色，加热强度足，对热色观测稍有影响，使热色不够鲜亮（热色变淡，好像温度不够高）；还原性焰呈白亮色，加热强度不足，严重影响热色观测（热色极度变淡，让人感觉加热温度严重不足，容易误导挡车工提高加热温度，造成过热）。

3.2.6  室内外光照影响热色观测

环境明亮度对热色观测有极大影响。室外阳光的影响最为显著，晴天特别是阳光直射到淬火喷嘴时，热色变淡变暗；阴天与晴天，白天与晚上，近窗与暗室都影响热色观测。加盖喷嘴淬火防风罩对热色观测有利。

3.2.7  高频退火封闭加热

为抑制产品的表面氧化，高频感应加热退火设置在密闭管道中进行，生产中无法观测到热色，只能在工艺试验中观测，依据试验检测结果做调节。

3.2.8  高频回火不显热色

淬火后的回火温度较低，观测不到热色，只能通过硬度及金相分析做调控依据。

3.2.9  接头对焊借助热色完成

金属针布齿条的接头实际是基部的对焊，顶锻瞬间及退火过程的热色可见、可控，焊瘤形貌、焊缝金相组织、焊缝及热影响区硬度要借助热色调控。