CN101643951A

CN101643951A - 用纳米颗粒涂布的钢丝圈

Info

Publication number: CN101643951A
Application number: CN200810129851A
Authority: CN
Inventors: J·卡吉
Original assignee: Braecker AG
Current assignee: Braecker AG
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2010-02-10
Also published as: CH697753A2

Abstract

本发明涉及用纳米颗粒涂布的钢丝圈，一种用于环锭细纱机或环锭捻线机的钢丝圈(10)，其具有铁材料或塑料制成的芯(20)，并具有厚度低于90nm的位于至少部分芯上的表面涂层(24)。其中表面涂层包含一层或多层并包含氧化物、氮化物、碳化物、硼化物陶瓷或金属合金。作为表面涂层的结果，本发明的钢丝圈具有抗磨损性和抗腐蚀性。

Description

用纳米颗粒涂布的钢丝圈

技术领域

本发明涉及用于环锭(ring)细纱机或环锭捻线机的钢丝圈(ringtraveler)和涉及钢丝圈的制造方法。

背景技术

环锭细纱机(ring spinning)和环锭捻线机(ring twisting)的钢丝圈在高移动速度(30m/秒-50m/秒)下用于相应环锭细纱机和环锭捻线机的环锭上。因此，在钢丝圈和环锭之间的接触表面以及钢丝圈和纱线之间的接触表面经受着高磨损。然而，要求不断提高钢丝圈的移动速度以提高产量。同时，应当通过获得更长的使用寿命来降低成本。

近几年，用合适的材料涂布钢丝圈可以使它们的使用寿命明显提高。在非常高的移动速度(＞40m/s)下，在线束通过区域和在环锭接触表面的抗磨损性并没能在所希望的程度上得到改善。

DE 3545484描述了用于细纱机的钢丝圈，其具有至少覆盖与环锭接触的表面区域的陶瓷涂层。该陶瓷涂层由一层或多层选自碳化物层(如SiC、TiC、ZrC)、氮化物层(TiN、TiCN、ZrN)、氧化物层(如Al₂O₃、ZrO₃、SiO₂)和硼化物层(TiB₂和ZrB₂)的层组成。该陶瓷层通过CVD方法或PVD方法被施用于芯。该涂布的钢丝圈随后进行淬火和抛光。碳化钛层和氮化钛层的硬度为1900-2500HV(Vickers硬度)。

CH 487535描述了用于细纱机和捻纱机的钢丝圈，其中环锭和/或钢丝圈涂有氮化钛铝的涂层。

CH 589723描述了用碳化物、氮化物或碳氮化物涂布无机基材的方法。

发明内容

本发明的目的是提供用于环锭细纱机和环锭捻纱机的钢丝圈，其具有改善的抗腐蚀性和改善的移动性能(travel properties)。另外，还将说明用于生产这类钢丝图的方法。

该问题通过具有在权利要求1中说明的特征的钢丝圈和通过如权利要求9所述的方法进行解决。进一步优选的实施方案为从属权利要求的主题。

根据本发明的用于环锭细纱机和环锭捻纱机的钢丝圈具有由铁材料或塑料制成的芯，在其至少部分上涂覆有表面涂层。该表面涂层包含一层或多层氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、金属合金或它们的混合物。该表面涂层的厚度为小于90纳米(nm)(1/1000000mm＝百万分之一毫米)。

小的层厚产生了特别好的表面涂层与钢丝圈芯的粘接。该表面涂层具有更少的由于例如在安装钢丝圈期间产生的机械应力导致的缺陷。与所属技术领域中广泛观点相反，小的层厚，即，约几个纳米的层厚不仅影响处理后的表面的光学、化学或电学性质，而且令人惊奇地大大改善了材料性质。由于这个原因，本发明的钢丝圈具有全面极大改善的抗磨损性，特别是在纱线通过区域和在与环锭接触的区域。与具有传统涂层的钢丝圈相比，抗磨损性明显地更高，作为其结果使用寿命也被提高。这显著地降低了运行成本。由于该表面涂层，本发明的钢丝圈具有优良的抗磨损性和抗腐蚀性。

在一个优选的实施方案中，该表面涂层包含TiCN，特别优选地为纯TiCN，其具有2600-3600的硬度HV0.025。TiCN是硬的并且同时是相对坚韧的(tough)，这使得它特别适合地作为本发明的钢丝圈的表面涂层。

在一个优选的实施方案中，包含TiN的层被施用在芯上作为该表面涂层的第一层。还将可能使用其他金属氮化物(如CrN)代替TiN。该氮化钛层具有异常优良的对铁材料的亲和力，这增加了该钢丝圈的长期稳定性。这样的话，可以避免例如材料的剥落。

本发明的钢丝圈的表面涂层可以由一层或多层组成。该表面涂层具有小于90nm的厚度，优选地小于70nm和特别优选地小于40nm。

在一个特别优选的实施方案中，该表面涂层被施用于芯的全部表面。

该钢丝圈的芯可以由塑料制成。特别合适的塑料为聚酰胺、特别是聚酰胺6，6以及用玻璃或芳族聚酸胺纤维加强的聚酰胺6，6，它们可以通过注塑进行加工并因此可以以几乎各种形状而获得。其他塑料也是可能的。

如果该钢丝圈的芯由铁材料制成，任何类型的钢可以被用于此。然而，钢丝圈的芯特别适合地由非合金的工具钢、冷作钢(cold-workingsteel)、弹簧钢或高速钢制成。

本发明的具有铁材料芯的钢丝圈通过用表面涂料至少部分地涂布该芯进行生产。在这里，第一步中，在反应室中将该芯加热到150-1200℃。在PVD方法中，该温度为150-500℃。在CVD方法中，该温度为600-1200℃。随后将沉积气体(deposition gas)引入到反应室中，这样包含碳氮化钛、氮化铬或碳化钒的层被沉积在芯表面上。随后在保护气下，在1-2小时期间内该涂布后的钢丝圈被缓慢冷却。该涂布后的钢丝圈在保护气下的缓慢冷却是一个重要步骤，因为只有这样才可以保证获得的表面涂层具有结晶化针状结构并因此具有非常小的残余应力。该晶体的尺寸为5-40nm。

该纳米氧化物陶瓷优选地选自AlO₃、TiO₂、TiO、ZrO₂、SiO₂、SiO、ZnO、MgO、BeO、Cr₂O₃、InO₃和它们的混合物。

在一个优选的实施方案中，该纳米氮化物陶瓷选自AlN、TiN、TiCN、Si₃N₄、TaN、GaN、BN、InN、CrN和它们的混合物。

在进一步优选的实施方案中，该纳米碳化物陶瓷选自AlC、TiC、ZrC、Br₄C、NbC、WC、TaC、HfC、VC、CrC、C(金刚石、类金刚石碳(DLC))和它们的混合物。

在一个优选的实施方案中，该硼化物陶瓷选自AlB、TiB₂、ZrB₂、HfB₂和它们的混合物。

在进一步优选的实施方案中，该金属合金选自锌和锌合金。

在一个优选的实施方案中，冷却后的钢丝圈通过使硬化温度与芯碳匹配(例如通过使其在840℃保持30分钟)而进行后-硬化(after-hardened)。

在进一步优选的实施方案中，经后-硬化的钢丝圈在热浴(thermalbath)中(80℃的油或170-260℃的热浴(hot bath))进行淬火并在200-350℃回火0.5-1.5小时，即，经受热处理。这使得该钢丝圈具有更大的韧性和弹性，这保证了钢丝圈的更长的使用寿命并对该层的粘合性具有有利的影响。

如果钢丝圈的芯由塑料制成，使用已知的注塑方法来制造它。然而，其他塑料加工方法也是可能的。

钢丝圈的涂布可以通过多种方法进行。PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)是特别适合于金属材料的纳米涂层。溶胶-凝胶方法适合于所有材料。同样地光刻方法可以用来产生三维结构和使用蘸笔纳米光刻方法(dip-pen nanolithography process)用来产生部分涂层。

在本发明的一个优选的实施方案中，该钢丝圈的表面在涂布之前和/或之后另外地进行抛光，这样获得了光滑的表面。合适的抛光材料为，例如包含金刚石的糊剂或研磨剂，其硬度大于表面涂层的硬度。

芯优选地在涂布之前进行去脂。

在一个优选的实施方案中，中间层位于本发明钢丝圈的芯的至少部分上。多个中间层(例如由不同材料组成的中间层)也是可能的。该中间层尤其优选地存在于该钢丝圈的芯的整个表面上。该中间层包含一层或多层纳米氧化物陶瓷、纳米氮化物陶瓷、纳米碳化物陶瓷、纳米硼化物陶瓷、纯金属、金属合金或它们的混合物。而且，该中间层不同于表面涂层。这表示中间层和表面涂层由不同材料组成。该中间层与表面涂层的结合使得可以非常特异性地控制本发明钢丝圈的表面性质。

在本文中使用的纯金属包含至少95％，优选地至少98％和特别优选地至少99％的有关金属。

在进一步优选的实施方案中，该中间层包含纯金属或金属合金。特别优选的金属合金是铬合金或镍合金。用来保护基材(在这里指钢丝圈的芯)的由铬或铬合金构成的中间层还被称为硬铬。用金属合金，特别地用硬铬和镍合金涂布钢丝圈可以通过化学途径或电学途径进行。优选的金属是铬和镍。优选的镍合金是NiP和NiB。

在另一优选的实施方案中，中间层的厚度保持非常低，即低于90nm，优选地低于70nm和特别优选地低于40nm。作为非常低的中间层的厚度的结果，该钢丝圈的尺寸几乎不受影响。而且，中间层(以及表面涂层)本身可以包含纳米颗粒或由纳米颗粒组成。术语“纳米颗粒”指几个至几千个原子或分子的集合体。其尺寸通常为1-100纳米。这些纳米颗粒还可以是纳米晶体，即具有晶体结构。纳米晶体是其尺寸在纳米范围内的晶体材料，即，具有基本上晶体结构的纳米颗粒。因为纳米颗粒的多种电学和热动力学性质取决于它们的尺寸，钢丝圈的这些性质并因此表面性质可以通过材料的精确加工进行控制。

本发明的钢丝圈可以用于纺纱机(spinning mills)和捻线机(twisting mills)。它们优良的运行性能(例如优良的滑动和低磨损)在与涂布的钢环锭(steel rings)结合中是特别有利的，但它们也可以用在其他环锭上，例如在烧结或未涂布的环锭上。

具有纳米碳氮化钛表面涂层的本发明的钢丝圈可以被普遍使用，而它们特别适合于经受相对高的作用力或缺乏润滑作用的钢丝圈。

具有纳米碳化钒表面涂层的本发明的钢丝圈同样可以被普遍使用，而它们特别优选地用于移动速度非常高的地方，因为该纳米碳化钒表面涂层是极其硬的，即具有3000-4000HV的硬度。

具有纳米氮化铬表面涂层的本发明的钢丝圈同样可以被普遍使用，而它们尤其优选地用于生产混合纱，因为该表面涂层是非常耐腐蚀的和用于合成纱、柔软剂和含氯纤维的生产中，在这里腐蚀作用自然地升高。

附图说明

本发明的钢丝圈将在下面通过附图中显示的实施例进行说明。在图中，纯粹示意性地，

图1a-1f表示钢丝圈的各种实施方案

图2表示穿过本发明的钢丝圈的第一实施方案的截面，其中表面涂层被直接施用在芯上。

具体实施方式

图1a-1f表示在各种实施方案中的钢丝圈10a、...10f。图1a和1b表示一般被用在环锭细纱机或环锭捻线机的T-边钢领(T-flange rings)上的C-形钢丝圈10a、10b。另一方面，图1c-1f显示了耳-和钩-形钢丝圈10c、...10f。钢丝圈10c和10d被用在斜边钢领上(oblique flangerings)，钢丝圈10e被用在锥形边钢领(conical flange rings)，钢丝圈10f被用在垂直边钢领(vertical flange rings)上。

在每种情况下，1指示钢丝圈10a、...10f的区域，其在运转期间形成在有边钢领(flange rings)上滑动的运行表面。在C-形钢丝圈10a、10b的情况下，由于该钢丝圈的对称构型，侧面(flanks)a、b均可以用作为运行表面。在耳形或斜边和SU钢丝圈10c...10f的情况下，运行表面的区域1明显地通过形状进行固定。

根据本发明的钢丝圈10和10a...10f可以以图1a...1f中显示的实施方案或以任何其他实施方案生产。

根据本发明的钢丝圈10具有未被涂布的由铁材料制成的芯20。包含氮化铬、碳化钒或碳氮化钛的表面涂层24至少存在于芯上的运行表面的区域1中，在该区域上它在环锭细纱机或环锭捻线机的环锭上移动。纱线通过区域在钢丝圈10a...10f的由4指示的区域内。

在运行表面1的区域中，首先并首要地，用3指示的钢丝圈10的内侧必须是抗磨损的并且具有优良的滑动性质并因此被提供有表面涂层。在一定的纱线张力下，可以使钢丝圈向侧向倾斜并且以这种方式在环锭上移动，这样的话，可以证明向两面2均提供表面涂层是有利的。

图2显示了穿过本发明的钢丝圈的第一实施方案的截面，其中表面涂层直接位于芯上。虽然可以仅仅对经受大的机械和/或化学应力的区域提供表面涂层24，但钢丝圈优选地在其全部面积上涂有表面涂层24。如上所述，在图1中，特别地在运行表面1的区域内，钢丝圈10的用3标注的内侧有必要是抗磨损的并具有优良的滑动性质并因此被提供有表面涂层。向两个面2均提供表面涂层24可能同样是有利的。

本发明的钢丝圈通过在反应室中将该优选地被硬化、抛光和去脂的芯加热到700-1200℃获得。这导致芯的硬度被降低到HV100-400。按照CVD(化学气相沉积)方法，沉积气随后被引入到反应室中。如果该表面涂层包含碳氮化钛，则CH₃CN和TiCl₄被用作为沉积气体。在氮化铬层或碳化钒层的生产中使用的沉积气体对于本领域技术人员是已知的。这导致碳氮化钛层、氮化铬层或碳化钒层被施涂于芯表面。该过程可以被施加多次，这样形成多层表面涂层。在施用表面涂层的单个层之间，在每种情况下钢丝圈优选地被冷却。该经涂布的钢丝圈随后在保护气下(优选地在氮气下)被冷却1-2小时，优选地2小时。用这种方法获得的表面涂层具有结晶化针状结构。用这种方式获得的钢丝圈随后优选地进行后-硬化，在热油或热浴中并且在285℃的温度下淬火1小时。最后，抛光该钢丝圈以便获得细螺纹表面(thread-fine surface)。

Claims

1.一种用于环锭细纱机或环锭捻线机的钢丝圈，其具有由铁材料或塑料制成的芯，并具有位于芯的至少部分上的表面涂层，其中表面涂层包含一层或多层的纳米氧化物陶瓷、纳米氮化物陶瓷、纳米碳化物陶瓷、纳米硼化物陶瓷、金属合金或它们的混合物，并且该表面涂层的厚度低于90nm，优选低于70nm，特别优选地低于40nm。

2.权利要求1的钢丝圈，其中所述纳米氧化物陶瓷选自AlO₃、TiO₂、TiO、ZrO₂、SiO₂、SiO、ZnO、MgO、BeO、Cr₂O₃、InO₃和它们的混合物。

3.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中所述纳米氮化物陶瓷选自AlN、TiN、TiCN、Si₃N₄、TaN、GaN、BN、InN、CrN和它们的混合物。

4.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中所述纳米碳化物陶瓷选自AlC、TiC、ZrC、Br₄C、NbC、WC、TaC、HfC、VC、CrC、C(金刚石)和它们的混合物。

5.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中所述金属合金选自锌和锌合金。

6.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中所述硼化物陶瓷选自AlB、TiB₂、ZrB₂、HfB₂和它们的混合物。

7.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中所述芯的铁材料是非合金的工具钢、冷作钢、弹簧钢或高速钢。

8.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中表面涂层被施涂于所述芯的整个表面。

9.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中所述钢丝圈的表面涂层是抛光的。

10.前述权利要求中任一项的钢丝圈，其中中间层位于至少部分芯上，该中间层包含一层或多层纳米氧化物陶瓷、纳米氮化物陶瓷、纳米碳化物陶瓷、纳米硼化物陶瓷、纯金属、金属合金或它们的混合物，而且，该中间层不同于表面涂层。

11.权利要求10的钢丝圈，其中所述中间层包含纯金属或金属合金，优选地铬或镍合金。

12.权利要求10或11的钢丝圈，其中所述中间层的厚度为低于90nm，优选地低于70nm，特别优选地低于40nm。

13.一种制备前述权利要求中任一项的钢丝圈的方法，该钢丝圈具有铁材料芯，其至少部分地涂有表面涂层，该方法包括：

在反应室中将芯加热到150-1200℃，

将沉积气体引入到反应室中，使得表面涂层被施涂在芯表面上，并且

冷却该涂布后的钢丝圈，其中，在保护气下，在1-2小时期间冷却该钢丝圈。

14.一种制备前述权利要求中任一项的具有铁材料芯的钢丝圈的方法，其中通过PVD(物理气相沉积)法、CVD(化学气相沉积)法、溶胶-凝胶方法或光刻方法进行涂布。