納米金剛石復(fù)合鍍鋼領(lǐng)性能分析

王顯方，烏軍鋒，尹 勇

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000;2.咸陽(yáng)恒億紡織器材有限公司，陜西咸陽(yáng)712000)

納米復(fù)合鍍技術(shù)是一種將納米微粒加入到化學(xué)鍍液中，經(jīng)攪拌均勻地懸浮于鍍液中，在通過(guò)電鍍共沉積形成一層復(fù)合鍍層。金剛石具有最高的硬度和耐磨性，在鍍液中加入納米金剛石微粒，一方面形成致密的復(fù)合電鍍層，提高鍍層的質(zhì)量，另一方面提高鋼領(lǐng)的硬度和耐磨性，在干摩高溫條件下，保持良好的磨損性，提高了鋼領(lǐng)使用壽命［1］。

鋼領(lǐng)是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)加捻、卷繞的關(guān)鍵元件之一，具有易磨損、頻繁更換、用量大等特點(diǎn)，與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鋼絲圈形成一對(duì)干摩擦副，其性能直接影響紡紗的質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)成本［2］。目前，國(guó)內(nèi)鋼領(lǐng)普遍采用20低碳鋼，經(jīng)沖壓、切削、碳氮、淬火和低溫回火等簡(jiǎn)單的表面處理，使用壽命僅有10個(gè)月左右。為了提高鋼領(lǐng)耐磨性和紡紗質(zhì)量，本項(xiàng)目采用納米復(fù)合鍍表面處理技術(shù)制作了一種鋼領(lǐng)，并與普通處理的鋼領(lǐng)在物理及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，在磨損面進(jìn)行分析，在細(xì)紗機(jī)上進(jìn)行紡紗綜合試驗(yàn)，期望為我國(guó)鋼領(lǐng)的進(jìn)一步研究提供借鑒。

1 制備試樣

選用PG1-4254型20#低碳鋼經(jīng)過(guò)熱處理后的鋼領(lǐng)為試樣，經(jīng)過(guò):除油(熱堿)—水洗—除銹—水洗—超聲波清洗—鹽酸活化—水洗—預(yù)電鍍的預(yù)處理工藝。然后放置到用硫酸鎳(300g/L)、氯化鎳(45g/L)，次磷酸鈉(40g/L)、乳酸(25ml/L)、穩(wěn)定劑(5ml/L)及平均粒徑為35nm的金剛石納米粒子(10g/L～30g/L)組成的混合鍍液中，在溫度為85℃、pH為5.0條件下，開(kāi)始復(fù)合電鍍120min。最終制成納米復(fù)合電鍍鋼領(lǐng)30個(gè)［3］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 試驗(yàn)儀器與方案

本試驗(yàn)用HXS-1000A型顯微硬度計(jì)對(duì)30個(gè)試樣表面進(jìn)行硬度測(cè)量，加載質(zhì)量為200 g，時(shí)間為10 s，每個(gè)試樣測(cè)7個(gè)點(diǎn)，除去最大值和最小值后取算術(shù)平均值。

用采用XJXD-22型懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊強(qiáng)度執(zhí)行GB/T1043-93標(biāo)準(zhǔn)，在常溫下對(duì)30種試樣分別進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測(cè)試。

用濟(jì)南時(shí)代WDW-10型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)上，常溫下對(duì)30種試樣分別進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。

2.1.2 結(jié)果與分析

經(jīng)試驗(yàn)納米金剛石鋼領(lǐng)的顯微硬度為900HV，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的1.5倍;壓縮強(qiáng)度為240Mpa，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的2倍;沖擊強(qiáng)度為13.4Mpa，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的2倍。其主要原因是納米顆粒彌散分布在鍍層中，自身的硬度和強(qiáng)度起到了整體支撐作用，對(duì)鍍層的強(qiáng)化發(fā)揮作用;納米的小尺寸效應(yīng)，使鍍層金屬結(jié)合的更加牢固，有效提高鍍層視為結(jié)合強(qiáng)度，鍍層與晶粒間的內(nèi)應(yīng)力小，有效避免鍍層脫落［4］。

2.2 金相組織觀察與分析

分別將上述制得的式樣和普通鍍鎳鋼領(lǐng)經(jīng)中性鹽霧72小時(shí)腐蝕后，照片見(jiàn)圖1:

圖1 經(jīng)中性鹽霧72小時(shí)腐蝕后的兩種鋼領(lǐng)金相組織

從圖1中可以看到，納米金剛石鋼領(lǐng)的晶粒明顯比普通鍍鎳鋼領(lǐng)的晶粒細(xì)小。在IPP 6.0軟件上利用平面截線法測(cè)得納米金剛石鋼領(lǐng)的晶粒平均尺寸為50nm，普通鍍鎳鋼領(lǐng)的晶粒平均尺寸為150nm，參照晶粒度等級(jí)與晶粒尺寸圖可知，復(fù)合鍍鋼領(lǐng)的晶粒度約為12級(jí)，普通鍍鎳鋼領(lǐng)等級(jí)約為9級(jí)。其原因是納米晶粒使基體中晶界增多，阻礙了顯微裂紋的形成和擴(kuò)展，提高了基體的強(qiáng)度和韌性，從而使鋼領(lǐng)的耐磨性得到提高［5］。

2.3 表面鍍層組織觀察分析

兩種鋼領(lǐng)表面鍍層形貌見(jiàn)圖2所示:

圖2 兩種鋼領(lǐng)表面鍍層形貌

由圖2(a)可知，納米金剛石鋼領(lǐng)表面層金剛石，可看出，表面鍍層與基體的結(jié)合處沒(méi)有較好，沒(méi)有孔洞、間隙等缺陷，鍍層致密均勻。而圖(b)的普通鍍鎳鋼領(lǐng)鍍層中出現(xiàn)不均勻裂紋，與基體的結(jié)合處存在少量間隙。兩種鋼領(lǐng)表面金相照片見(jiàn)圖3:

從圖3(a)中可看出納米金剛石鋼領(lǐng)表面沒(méi)有劃痕，卻有一定密度和深度的網(wǎng)狀溝紋，從圖4(b)可知，普通鍍鎳鋼領(lǐng)表面卻有較多深的劃痕，但是沒(méi)有網(wǎng)狀溝紋。劃痕是在拋光處理時(shí)由于普通鍍鎳鋼領(lǐng)晶粒直徑較大產(chǎn)生的，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，增強(qiáng)了潤(rùn)滑性能。因此具有較高的耐磨損性能［6］。

3 摩擦磨損性能分析

3.1 試驗(yàn)儀器與方案

在MM–200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)兩種試樣表面進(jìn)行摩擦磨損量試驗(yàn)，測(cè)試條件:上環(huán)采用硬度為HV850的45#低碳鋼，接觸表面粗糙度Ra為0.1 μm，下環(huán)為納米金剛石鋼領(lǐng)和普通鍍鎳鋼領(lǐng)試樣，溫度18℃ ～25℃，空氣相對(duì)濕度30% ～50%。在運(yùn)行速度為0.1 m/s、載荷為0.65KN條件下，按下式計(jì)算摩擦系數(shù)［7］:

M-摩擦力矩;F-載荷;r-對(duì)磨件半徑。

計(jì)算結(jié)果為:納米金剛石鋼領(lǐng)的平均摩擦系數(shù)為0.08，普通鍍鎳鋼領(lǐng)的平均摩擦系數(shù)為0.12。分析其原因是:一方面由于納米顆粒具有極大的比表面積和表面活性，可牢固滲入或吸附摩擦表面，形成一層極薄的固體潤(rùn)滑膜，并在金屬表面形成軸承效應(yīng)，降低摩擦系數(shù);另一方面由于納米顆粒吸附潤(rùn)滑油，作為第一層供油面，鍍層作為第二層供油面，有效避免干摩擦，使摩擦系數(shù)降低［8］。

3.2 鋼領(lǐng)鋼絲圈磨損的類(lèi)型

鋼領(lǐng)與鋼絲圈的磨損以熱疲勞磨損和粘著磨損為主，是造成鋼領(lǐng)失效后紡紗性能衰退和質(zhì)量下降的主要原因。鋼絲圈長(zhǎng)期在鋼領(lǐng)跑道上高速運(yùn)轉(zhuǎn)，與鋼領(lǐng)的接觸面積小，所以接觸壓應(yīng)力很高并足以引起塑性變形，且其表面溫度升高很快(400℃左右)，嚴(yán)重時(shí)表面金屬局部軟化或熔化，導(dǎo)致接觸區(qū)發(fā)生牢固粘著或焊合，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下粘著點(diǎn)被剪切，塑性材料就會(huì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工作面上，結(jié)果出現(xiàn)粘著—剪切—再粘著的循環(huán)過(guò)程，即形成粘著磨損［9］。

3.3 鋼領(lǐng)的磨損形態(tài)

通過(guò)高倍放大1800倍的電鏡對(duì)兩種鋼領(lǐng)的磨損面進(jìn)行分析，如圖4所示:

圖4 納米金剛石鋼領(lǐng)和普通鍍鎳鋼領(lǐng)磨損形貌照片

由圖4(a)可知普通鍍鎳鋼領(lǐng)有明顯實(shí)物點(diǎn)、塊狀剝落，有較深的犁溝和劃痕，這是由于鎳鍍層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，硬度較低，抵抗塑性變形能力較差，所以磨損較嚴(yán)重。而圖4(b)的納米金剛石鋼領(lǐng)表面劃痕和剝落較少，一方面因?yàn)榧{米金剛石本身硬度較大，受到的剪切力也較小，在磨損過(guò)程中承受的載荷較大，嵌入到鍍層中的納米金剛石粒子起到彌散強(qiáng)化作用，增大了鍍層抵抗塑性變形的能力。另一方面納米金剛石粒子分布均勻，可減少摩擦表面的粘著面積，減弱了粘著磨損，降低了摩擦系數(shù)［10］。

4 紡紗性能分析

4.1 試驗(yàn)條件

選用經(jīng)過(guò)普通鍍鎳表面處理的PG1-4254型20#低碳鋼鋼領(lǐng)和納米復(fù)合鍍PG1-4254的鋼領(lǐng)各30只，配套鋼絲圈FU 10/0型30只，粗紗定量為4.5g/10m，在錠子速度分別為 16000r/min和20000r/min情況下，分別在FA506細(xì)紗機(jī)相同位置紡制精梳14.5tex純棉紗，對(duì)成紗質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)用的儀器設(shè)備及參數(shù)設(shè)計(jì)

山西經(jīng)緯FA506細(xì)紗機(jī)，長(zhǎng)嶺紡電XT128型單紗強(qiáng)力儀(拉伸速度 500mm/min，夾持長(zhǎng)度500mm，預(yù)加張力(5±0.5)cN，取30次測(cè)試平均值)，YG172毛羽儀(測(cè)試長(zhǎng)度10 m，測(cè)試速度30 m/min，每管測(cè)試20次)，在測(cè)試溫度(20±3)℃，相對(duì)濕度(65±3)%下，進(jìn)行成紗質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示:

表1 兩種鋼領(lǐng)紡紗質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在紡紗過(guò)程中，造成紗條毛羽、棉結(jié)、斷頭和飛圈的主要原因是紗條拖著鋼絲圈在鋼領(lǐng)上高速回轉(zhuǎn)，由于鋼絲圈運(yùn)動(dòng)不規(guī)則跳躍式的滑動(dòng)，使得紗線受力不穩(wěn)定，而導(dǎo)致成紗的條干和強(qiáng)力的不勻。由表1可知，在錠速相同時(shí)，納米復(fù)合鍍鋼領(lǐng)較普通鋼領(lǐng)的條干CV值和強(qiáng)力均有所降低，細(xì)節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié)明顯下降，毛羽指數(shù)減小，成紗強(qiáng)力增加，千錠時(shí)斷頭也得到了明顯改善;但當(dāng)錠子速度較高時(shí)，使用普通鋼領(lǐng)成紗質(zhì)量明顯惡化，而使用納米復(fù)合鍍鋼領(lǐng)在高速下使用與低速下相比，成紗各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，故納米復(fù)合鍍鋼領(lǐng)更能滿足高速紡紗生產(chǎn)的要求［11］。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)力學(xué)試驗(yàn)證明，納米金剛石鋼領(lǐng)的顯微硬度為900HV，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的1.5倍;壓縮強(qiáng)度為240 Mpa，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的2倍;沖擊強(qiáng)度為13.4 Mpa，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的2倍，其力學(xué)性能優(yōu)良。

(2)納米金剛石鋼領(lǐng)的晶粒平均尺寸為50nm，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的1/3，晶粒度為12級(jí)，是普通鍍鎳鋼領(lǐng)的3/4。鍍層表面均勻細(xì)致，質(zhì)量較普通鍍鎳鋼領(lǐng)高。

(3)經(jīng)摩擦磨損試驗(yàn)得知，納米金剛石鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)約為0.08，磨損主要為熱疲勞磨損，在生產(chǎn)中磨損較小;而普通鍍鎳鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)為0.12，磨損為熱疲勞磨損和粘著磨損，在生產(chǎn)中磨損較大。

(4)經(jīng)一段時(shí)間的紡紗試驗(yàn)后，使用納米金剛石鋼領(lǐng)的成紗質(zhì)量較普通鍍鎳鋼領(lǐng)優(yōu)，壽命長(zhǎng)。

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