CN102673043A

CN102673043A - 一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层及其沉积方法

Info

Publication number: CN102673043A
Application number: CN2012101509575A
Authority: CN
Inventors: 马通达; 孙泽明; 李明升; 杜风贞; 朱其芳; 王福生; 张东晖
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明涉及一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层及其沉积方法，所述涂层为多层复合结构，由内向外依次为CrN层、TiCrN层、TiCN层、DLC层。内层CrN和钢领基体具有高的化学亲和性和热匹配性、低的内应力，保证涂层和基体的高结合强度；固溶相Ti_1-xCr_xN和TiC_yN_1-y具有30Gpa左右的高硬度，提高了涂层的耐磨性；外层DLC具有极低的摩擦系数，能够发挥良好的减磨效果。各层之间具有良好的化学匹配性。该类涂层应用于纺织钢领，可显著缩短钢领的走熟期，降低纺纱断头率，钢领使用寿命提高4倍以上。

Description

一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层及其沉积方法

技术领域

本发明涉及一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层及其沉积方法，该涂层应用于纺织行业碳素钢、轴承钢钢领表面强化，属于新材料领域。

背景技术

纺织钢领是一种精密易耗零件，这种零件是纺纱机的关键零部件，工作中钢领和作为对摩擦副的钢丝圈作高速相对滑动，对纱线加捻，旋转速度的高低决定了生产效率，现代纺纱技术要求转速也越来越高，因此这对摩擦副的使用寿命也大大提高，由于二者间的摩擦为干摩擦，也就要求这对高速轻载摩擦副表面硬度越高，同时相对摩擦因数越小，其使用寿命就越来越长，当前钢领的加工制备方法有多种方法，其中表面陶瓷化是其中的一个发展方向，由于金属陶瓷涂层具有非常好高的硬度，摩擦因数也较钢铁摩擦副的低很多，因此钢领表面陶瓷化也是近年来一个重要研究方向。

我国纺纱钢领主要以低碳钢为材质，在高锭速条件下钢领和钢丝圈之间存在较大摩擦力，钢领表面会逐渐磨损，使纺纱性能衰退。一般钢领上车三个月左右需要拆下来修磨。经过2-3次修磨，钢领使用寿命在可达9-12个月。钢领的磨损及反复修磨装卸会严重影响产品质量稳定和生产效率。而钢领表面强化是提高钢领耐磨性和使役寿命的最有效手段之一。目前对钢领常用的表面强化方式是表面电镀铬处理，据报道镀铬钢领使用寿命可提高1-5倍，是比较经济实用的技术手段，高质量的钢领已经做了大量的应用。目前镀铬工艺以六价镀铬工艺为主。由于六价铬是致癌物，对人体和生态环境影响严重，六价镀铬工艺将逐渐被淘汰并为其它绿色环保的表面处理新工艺所取代。目前三价铬镀铬工艺引起研究者的兴趣，但和六价镀铬相比还不够成熟和稳定，远未达到在钢领上工业应用的水平。

物理气相沉积技术是在真空条件下，采用物理方法，将材料源气化成气态原子、或部分电离成离子，在低压气体在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积属于低能耗、绿色环保的涂层生产技术，是电镀铬最理想的替代工艺之一。磁控溅射和电弧离子镀是最常用的两种物理气相沉积技术，不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷膜等。综合利用电弧离子镀技术的高效率、高离化率的特点及磁控溅射成膜质量好、表面光洁度高的特点，采用离子镀/磁控溅射复合技术，通过界面增强、多层设计等技术手段在纺织钢领表面沉积结合力强、硬度高、摩擦系数低的复合涂层，有望大幅度提高钢领的使役寿命和纺纱性能。

发明内容

本发明的目的在于通过等离子界面强化、多层设计、各层成分性能设计、工艺控制等手段获得一种纺织钢领用结合力强、硬度高、摩擦系数低的复合涂层。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层，所述涂层为钢领基体上的多层复合结构，在钢领基体上由内向外依次为CrN层、TiCrN层、TiCN层、DLC层；各层厚度为0.2-5微米，涂层总厚度为0.8-10微米。

一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法，采用离子镀方法在钢领基体上依次沉积CrN层，TiCrN层、TiCN层，再采用磁控溅射方法沉积DLC层，钢领基体温度控制为260-320°C，钢领基体脉冲偏压频率为5-80KHz。

在本发明的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法中，离子镀方法沉积CrN层，采用纯Cr靶，电弧电流为40-200A，引入气体为Ar和N₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，N₂分压为0.05-2Pa，采用脉冲负偏压，偏压占空比为5-80%，偏压峰值为100V-400V，镀CrN层的时间为8min-12min。

在本发明的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法中，离子镀方法沉积TiCrN层，采用纯Ti和纯Cr两种靶材，电弧电流为40-200A，引入气体为Ar和N₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，N₂分压为0.05-2Pa，采用脉冲负偏压，偏压占空比为5-70%，偏压峰值为100V-400V，镀TiCrN层的时间为10min-25min。

在本发明的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法中，离子镀方法沉积TiCN层，采用纯Ti靶，电弧电流为40-200A，引入气体为Ar、C₂H₂和CH₄中的一种气体、N₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，CH₄和C₂H₂中的一种气体的分压为0.02-1Pa，N₂分压为0.05-2Pa，采用脉冲负偏压，偏压占空比为5-80%，偏压峰值为100V-400V。镀TiCN层的时间为30min-40min。

在本发明的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法中，磁控溅射方法沉积DLC层，采用高纯石墨靶，引入气体为Ar、H₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，H₂分压为0.05-2Pa，采用双极脉冲偏压，负脉冲占空比为5-60%，负脉冲偏压峰值为100V-400V，正脉冲占空比为5-40%，正脉冲偏压峰值为5V-100V。沉积DLC层的时间为8min-12min。

本发明的优点是：

所获得的复合涂层的膜/基结合强度达60-80N，10g载荷下表面复合硬度达28-32GPa，和GCr15配副摩擦系数0.18-0.25涂层。

附图说明

图1多层复合硬质涂层结构示意图，

具体实施方式

如图1所示，本发明的纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层为钢领基体a上的多层复合结构，在钢领基体a上由内向外依次为CrN层b、TiCrN层c、TiCN层d、DLC层e；各层厚度为0.2-5微米，涂层总厚度为0.8-10微米。

本发明的涂层设计方案如下：采用离子镀/磁控溅射复合技术，首先通过高脉冲偏压增强的Ar等离子体的轰击作用和金属Cr离子的注入作用强化涂层和基体之间的结合强度，然后依次沉积CrN层、TiCrN层、TiCN层和DLC层。CrN硬度约10-14GPa、内应力小、和钢基体相容性好；TiCrN硬度约24-27GPa；TiCN硬度约30-34GPa。自钢基体至TiCN各层硬度依次提高，CrN主要用作粘结层和缓冲过渡层，TiCrN和TiCN作为耐磨层，而外层较薄的DLC硬度为10-12GPa，具有较低的摩擦系数，主要作用为固体润滑。各层厚度、成分可调制。

在下述各实施例中，在用离子镀方法沉积CrN层之前，先要清洁基体，即前面5分钟属于高偏压（1500V）下的高能离子轰击阶段，主要作用是清洁基体，此阶段在基体上不会成膜；接着10min调低偏压（300V）并通入N₂后才会形成CrN层。

实施例1

轴承钢钢领及轴承钢标准试样，经超声有机清洗、等离子辉光清洗后沉积涂层。基体温度300-320°C，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率80KHz、峰值-1500V、占空比15%，Ar压力0.1Pa，打开离子镀Cr靶，电弧电流60A，时间5min，进行轰击；脉冲偏压调至峰值-300V、占空比30%，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.3Pa，镀CrN 10min；同时开离子镀Cr靶和Ti靶，电弧电流均为60A，镀TiCrN15min；关闭Cr靶，单独开离子镀Ti靶维持电流60A，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.25Pa，C₂H₂分压0.05Pa，镀TiCN40mi n；关闭离子镀Ti靶，采用双极脉冲偏压模式，负脉冲占空比为50%，负脉冲偏压峰值为100V，正脉冲占空比为20%，正脉冲偏压峰值为30V，开溅射石墨靶，功率5kW，Ar分压0.3Pa，H₂分压0.1Pa，沉积DLC 10min。标准试样涂层厚度3.2μm，划痕结合力68N，10g载荷下表面复合硬度31.6Gpa，摩擦系数0.22。轴承钢钢领使用寿命提高6-8倍。

实施例2

轴承钢钢领及轴承钢标准试样，经超声有机清洗、等离子辉光清洗后沉积涂层。基体温度300-320°C，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率80KHz、峰值-1200V、占空比25%，Ar压力0.1Pa，打开离子镀Cr靶，电弧电流60A，时间5min，进行轰击；脉冲偏压调至峰值-300V、占空比30%，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.3Pa，镀CrN 10min；同时开离子镀Cr靶和Ti靶，电弧电流均为60A，镀TiCrN 25min；关闭Cr靶，单独开离子镀Ti靶维持电流60A，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.25Pa，C₂H₂分压0.05Pa，镀TiCN30min；关闭离子镀Ti靶，采用双极脉冲偏压模式，负脉冲占空比为50%，负脉冲偏压峰值为100V，正脉冲占空比为20%，正脉冲偏压峰值为30V，开溅射石墨靶，功率5kW，Ar分压0.3Pa，H₂分压0.1Pa，沉积DLC 10min。标准试样涂层厚度3.5μm，划痕结合力77N，10g载荷下表面复合硬度30.2Gpa，摩擦系数0.25。轴承钢钢领使用寿命提高6-8倍。

实施例3

45#钢钢领及45#钢标准试样，经超声有机清洗、等离子辉光清洗后沉积涂层。基体温度260-280°C，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率80KHz、峰值-1200V、占空比20%，Ar压力0.1Pa，打开离子镀Cr靶，电弧电流60A，时间5mi n，进行轰击；脉冲偏压调至峰值-260V、占空比30%，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.3Pa，镀CrN 10min；同时开离子镀Cr靶和Ti靶，电弧电流均为60A，镀TiCrN 15min；关闭Cr靶，单独开离子镀Ti靶维持电流60A，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.25Pa，CH4分压0.1Pa，镀TiCN40min；关闭离子镀Ti靶，采用双极脉冲偏压模式，负脉冲占空比为50%，负脉冲偏压峰值为100V，正脉冲占空比为20%，正脉冲偏压峰值为30V，开溅射石墨靶，功率5kW，Ar分压0.3Pa，H₂分压0.1Pa，沉积DLC 10min。标准试样涂层厚度3.2μm，划痕结合力65N，10g载荷下表面复合硬度29.6Gpa，摩擦系数0.22。45#钢钢领使用寿命提高5倍以上。

实施例4

45#钢钢领及45#钢标准试样，经超声有机清洗、等离子辉光清洗后沉积涂层。基体温度260-280°C，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率80KHz、峰值-1200V、占空比20%，Ar压力0.1Pa，打开离子镀Cr靶，电弧电流60A，时间5min，进行轰击；脉冲偏压调至峰值-260V、占空比30%，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.3Pa，Cr靶，电弧电流调至80A镀CrN 10min；同时开离子镀Cr靶和Ti靶，电弧电流均为80A，镀TiCrN 10min；关闭Cr靶，单独开离子镀Ti靶维持电流80A，Ar分压0.1Pa，N₂分压0.25Pa，CH₄分压0.1Pa，镀TiCN 30mi n；关闭离子镀Ti靶，采用双极脉冲偏压模式，负脉冲占空比为50%，负脉冲偏压峰值为80V，正脉冲占空比为30%，正脉冲偏压峰值为20V，开溅射石墨靶，功率5kW，Ar分压0.3Pa，H₂分压0.1Pa，沉积DLC 10min。标准试样涂层厚度2.7μm，划痕结合力74N，10g载荷下表面复合硬度27.7Gpa，摩擦系数0.20。45钢钢使用领寿命提高4-6倍。

Claims

1.一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层，所述涂层为钢领基体上的多层复合结构，在钢领基体上由内向外依次为CrN层、TiCrN层、TiCN层、DLC层；各层厚度为0.2-5微米，涂层总厚度为0.8-10微米。

2.一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法，其特征在于：采用离子镀方法在钢领基体上依次沉积CrN层，TiCrN层、TiCN层，再采用磁控溅射方法沉积DLC层，钢领基体温度控制为260-320°C，钢领基体脉冲偏压频率为5-80KHz。

3.根据权利要求2所述的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法，其特征在于：离子镀方法沉积CrN层，采用纯Cr靶，电弧电流为40-200A，引入气体为Ar和N₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，N₂分压为0.05-2Pa，采用脉冲负偏压，偏压占空比为5-80%，偏压峰值为100V-400V，镀CrN层的时间为8min-12min。

4.根据权利要求2所述的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法，其特征在于：离子镀方法沉积TiCrN层，采用纯Ti和纯Cr两种靶材，电弧电流为40-200A，引入气体为Ar和N₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，N₂分压为0.05-2Pa，采用脉冲负偏压，偏压占空比为5-70%，偏压峰值为100V-400V，镀TiCrN层的时间为10min-25min。

5.根据权利要求2所述的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法，其特征在于：离子镀方法沉积TiCN层，采用纯Ti靶，电弧电流为40-200A，引入气体为Ar、C₂H₂和CH₄中的一种气体、N₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，CH₄和C₂H₂中的一种气体的分压为0.02-1Pa，N₂分压为0.05-2Pa，采用脉冲负偏压，偏压占空比为5-80%，偏压峰值为100V-400V。镀TiCN层的时间为30min-40min。

6.根据权利要求2所述的一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层的沉积方法，其特征在于：磁控溅射方法沉积DLC层，采用高纯石墨靶，引入气体为Ar、H₂，其中，Ar分压为0.05-2Pa，H₂分压为0.05-2Pa，采用双极脉冲偏压，负脉冲占空比为5-60%，负脉冲偏压峰值为100V-400V，正脉冲占空比为5-40%，正脉冲偏压峰值为5V-100V。沉积DLC层的时间为8min-12min。