液氮深冷處理鋼領(lǐng)的制備及性能分析

王顯方

摘 要：通過實驗的方法，對液氮深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)的表面微觀組織、力學(xué)性能、磨損性能和紡紗性能等進(jìn)行了測試和分析。結(jié)果表明：經(jīng)過深冷處理過的鋼領(lǐng)，顯微硬度高，壓縮強度和沖擊強度大，成紗質(zhì)量好。故鋼領(lǐng)液氮深冷處理是提高成紗質(zhì)量，延長鋼領(lǐng)使用壽命的有效途徑。

關(guān)鍵詞：液氮深冷處理；鋼領(lǐng)；顯微硬度；沖擊強度；磨損量；質(zhì)量

中圖分類號：TS103.813 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1674-2346（2017）04-

鋼領(lǐng)是紡紗機的關(guān)鍵器材之一，對成紗質(zhì)量和企業(yè)成本有著重要的影響。鋼絲圈和鋼領(lǐng)是一對關(guān)鍵的摩擦副，完成紗線的卷繞和加捻功能，對紗線的條干、棉結(jié)、毛羽等質(zhì)量指標(biāo)有一定的影響作用。[1]

深冷處理技術(shù)是指在-120℃以下對金屬材料進(jìn)行處理，目的是提高材料的強度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。早期將零件埋于干冰中來提高零件的綜合性能，目前采用液氮作為冷處理的冷卻介質(zhì)，利用其相變（ 氣化） 吸熱來獲得低溫環(huán)境。氮氣是大氣中的最主要成份之一，來源廣泛，無毒無味，對環(huán)境無污染且價格便宜，因而在深冷處理技術(shù)的應(yīng)用屬于綠色制造技術(shù)范疇，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場應(yīng)用前景。[2]

美國從 20 世紀(jì) 50 年代開始進(jìn)行深冷處理對金屬性能影響的研究，主要應(yīng)用對象是航空領(lǐng)域。1965年Barron對不同種鋼材分別進(jìn)行了深冷處理實驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理與未經(jīng)深冷處理的鋼相比，耐磨性增加了2～7倍。1987年，Gray國際深冷處理研究會對各種磨具和刀具、特殊用鋼等進(jìn)行深冷處理，發(fā)現(xiàn)處理后壽命可提高5～10 倍。[3]我國徐祖耀院士在1960年對高速鋼的低溫處理進(jìn)行了卓有成效的研究工作。在20世紀(jì)80年代后期，李智超、董允等研究深冷處理工藝在各鋼種上的應(yīng)用、深冷處理對冷模具材料9SiCr力學(xué)性能的影響、深冷處理40Cr鋼的韌性、深冷處理高速鋼的工藝規(guī)范及力學(xué)性能等。[4]如今，國內(nèi)主要對工模具鋼、軸承鋼、高速鋼及硬質(zhì)合金等進(jìn)行了大規(guī)模深冷處理技術(shù)的應(yīng)用，特別是在標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)、工具行業(yè)、紡織行業(yè)、航空航天行業(yè)以及復(fù)合材料等方面，取得了一定進(jìn)展。

1 液氮深冷處理鋼領(lǐng)的制備

將盛放材質(zhì)為20#低碳鋼的PG1-4254普通鋼領(lǐng)的網(wǎng)籃放入專用的液氮容器內(nèi)，液氮的溫度為-185℃，保持時間為19小時，然后取出鋼領(lǐng)使其自然恢復(fù)到室溫，作為試樣待用。

2 液氮深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)性能分析

2.1 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)內(nèi)跑道表面形貌分析

在S-570掃描電子顯微鏡下，拍攝了PG1-4254鋼領(lǐng)在深冷處理前后使用1個月和6個月后的內(nèi)跑道

表面形貌，由圖1可知，由于鋼絲圈內(nèi)腳的作用使得普通鋼領(lǐng)表面出現(xiàn)了深淺不一、高低不平的平行溝槽，圖2為普通鋼領(lǐng)使用6個月后的表面情況，由于粘著磨損犁削作用使內(nèi)跑道形成的溝槽越來越明顯。圖3為經(jīng)過深冷處理的鋼領(lǐng)使用1個月內(nèi)跑道形貌，圖4為深冷處理鋼領(lǐng)使用6個月內(nèi)跑道形貌，從圖中可以看出， 使用1個月與使用6個月的深冷處理鋼領(lǐng)內(nèi)跑道表面形貌幾乎近似，鋼領(lǐng)表面沒有粘結(jié)物，沒有磨損的裂紋和疲勞磨損，鋼領(lǐng)表面光滑。

2.2 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)內(nèi)跑道力學(xué)性能分析

2.2.1 實驗方案與儀器

硬度實驗采用HXS-1000A型顯微硬度計分別對20個PG1-4254深冷處理前后鋼領(lǐng)試樣表面進(jìn)行硬度測量，加載質(zhì)量為250g，時間為15 s，每個試樣測9個點，去掉1個最大值和1個最小值后取算術(shù)平均值。[5]

沖擊強度實驗采用XJXD-22型懸臂梁沖擊試驗機，沖擊強度執(zhí)行GB/T1043-93標(biāo)準(zhǔn)，在常溫下分別對20個深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣進(jìn)行沖擊強度測試，最后計算20個數(shù)據(jù)的平均值。

壓縮強度實驗采用濟(jì)南時代WDW-10型微機控制電子萬能試驗機，常溫下分別對20個深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣進(jìn)行壓縮性能測試，計算20個數(shù)據(jù)的平均值。

壓縮性能用材料的壓縮強度來表示，壓縮強度計算公式為：

Pt = P / （ b·d）

式中：P-壓縮過程中試樣承受的最大載荷，b-試樣寬度，d-試樣厚度。

2.2.2 結(jié)果與分析

深冷處理前后鋼領(lǐng)內(nèi)跑道平均力學(xué)性能的實驗測試結(jié)果如表1所示。

由表1試驗結(jié)果表明，深冷處理鋼領(lǐng)的顯微硬度為800 HV，約為普通鋼領(lǐng)的1.0倍；壓縮強度為290 Mpa，約為普通鋼領(lǐng)的1.5倍；沖擊強度為20.8 Mpa，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的1.5倍。分析其主要原因是：經(jīng)過深冷處理后的材料微觀組織發(fā)生了變化，殘余的奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高了材料的硬度和尺寸穩(wěn)定性；在上述轉(zhuǎn)化中從馬氏體中又析出了大量的微細(xì)碳化物，從而產(chǎn)生了彌散強化，提高材料的機械性能。另外在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化過程中還會產(chǎn)生應(yīng)力集中，待恢復(fù)至室溫時，在鋼領(lǐng)表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這種應(yīng)力對材料局部強度成紗有利，從而進(jìn)一步提高材料的表面硬度及強度，鋼領(lǐng)尺寸更加穩(wěn)定。[6]

2.3 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)內(nèi)跑道摩擦磨損性能分析

2.3.1 試驗方案與儀器

鋼領(lǐng)摩擦磨損實驗采用MM–200型摩擦磨損試驗機，上環(huán)采用45#低碳鋼，硬度為HV850，表面粗糙度Ra為0.1 ?m，下環(huán)為深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣，試驗轉(zhuǎn)速為2.0 m/s，試驗載荷3 kN，連續(xù)運轉(zhuǎn)120 min，在常溫下分別20個深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣進(jìn)行摩擦磨損量試驗，摩擦力矩經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，并換算成摩擦因數(shù)，按下式計算摩擦系數(shù)：

式中：M-摩擦力矩，F(xiàn)-載荷，r-對磨件半徑。

用讀數(shù)顯微鏡測量試樣磨痕寬度，并換算成磨損率。

2.3.2 結(jié)果與分析

深冷處理前后鋼領(lǐng)內(nèi)跑道平均摩擦磨損性能的實驗測試結(jié)果如表2所示。

由表2可知：深冷處理前后2種鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)差別不大，深冷處理鋼領(lǐng)的平均磨損量為1.5 %，普通鋼領(lǐng)磨損量約為4.5 %，深冷處理鋼領(lǐng)的耐磨性能明顯高于普通鋼領(lǐng)，分析其原因是：由于經(jīng)過深冷處理的鋼領(lǐng)其硬度和強度都明顯提高，故鋼領(lǐng)的磨損量減低，延長了鋼領(lǐng)的使用壽命。[7]

3 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)的紡紗性能分析

3.1 試驗條件

選用深冷處理前后的PG1-4254型鋼領(lǐng)各30只，配套鋼絲圈型號為FU 10/0型，細(xì)紗機為FA506，粗紗定量為4.5 g/10m，錠子速度分別為15000 r/min和21000 r/min情況下，在細(xì)紗機相同錠子上紡制精梳13.2 tex純棉紗，細(xì)紗車間溫度為25℃，相當(dāng)濕度為68 %。

3.2 試驗用的儀器設(shè)備及參數(shù)設(shè)計

采用長嶺紡電XT128型單紗強力儀，拉伸速度為500 mm/min，夾持長度為500 mm，預(yù)加張力為5±0.5 cN，取30次測試平均值；采用YG172毛羽儀，測試長度為10 m，測試速度為30 m /min，每管測試20次。在測試溫度20±3℃，相對濕度65±3 %下，進(jìn)行成紗質(zhì)量對比試驗。

3.3 試驗結(jié)果與分析

成紗質(zhì)量對比試驗測試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在相同錠速下，深冷處理的鋼領(lǐng)較普通鋼領(lǐng)的條干CV值小、單紗強度CV值大，成紗的細(xì)節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié)少、毛羽指數(shù)小、千錠時斷頭少。其主要原因是：在紡紗過程中，由于鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間為點接觸干摩擦，導(dǎo)致鋼絲圈運行不穩(wěn)定，使得鋼絲圈呈跳躍式不規(guī)則運動，紗線張力易產(chǎn)生突變，一方面使成紗的條干和強力不勻，另一方面產(chǎn)生紗條毛羽、細(xì)節(jié)、粗節(jié)、棉結(jié)和斷頭，使成紗質(zhì)量降低。經(jīng)過深冷處理后的鋼領(lǐng)微觀組織發(fā)生了變化，其硬度、強度得到了改善，尺寸穩(wěn)定性得到了加強，高溫硬度更大，[8]故鋼絲圈在其上運行時，相對平穩(wěn)、可靠，成紗質(zhì)量得到了改善。對比錠子的不同速度中可以看出，使用普通鋼領(lǐng)時當(dāng)錠子的速度增加時，成紗質(zhì)量下降，而使用深冷處理過的鋼領(lǐng)時在錠子速度發(fā)生變化時，成紗各項指標(biāo)變化不大，故深冷處理鋼領(lǐng)更能滿足高速紡紗生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)論

1）經(jīng)力學(xué)試驗證明，深冷處理鋼領(lǐng)的顯微硬度為800HV、壓縮強度為290 Mpa、沖擊強度為20.8 Mpa，其力學(xué)性能均優(yōu)良于普通鋼領(lǐng)。

2）經(jīng)磨損試驗證明，深冷處理鋼領(lǐng)的磨損率量約為1.5%，比普通鋼領(lǐng)的磨損量減少了3倍，使用壽命更長，性價比高。

3）經(jīng)紡紗試驗，使用深冷處理鋼領(lǐng)的成紗質(zhì)量較普通鋼領(lǐng)優(yōu)，鋼領(lǐng)無走熟期。

參考文獻(xiàn)

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[8]王瓊霜.深冷處理工藝對高速鋼M42組織及性能影響的研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

Preparation and Performance Analysis of Cryogenic Treatment of Steel Collars with Liquid Nitrogen

WANG Xian-fang

（Shaanxi Institute of Industry Technology， Xianyang， Shaanxi， 712000）

Abstract： Based on the experimental methods， the surface microstructure， the mechanical properties， the wear properties and the spinning properties of the steel collars cryogenically treated with liquid nitrogen and the common steel collars were tested and analyzed. The results show that the cryogenically treated steel collars have high micro hardness， high compression strength and impact strength， and excellent yarn quality. Therefore， the cryogenic treatment of steel collars with liquid nitrogen is an effective way to improve the yarn quality and prolong the life of the steel collars.

Key words： cryogenic treatment with liquid nitrogen； steel collars； micro hardness； impact strength； wear extent； quality