CN103710799B - 自润滑涂层钢领及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自润滑涂层钢领及其制备工艺，该自润滑涂层钢领包括钢领基体，所述钢领基体上依次涂覆有Cr层、CrN层、CrCN层、CrC层和F-DLC层。该自润滑涂层钢领及其制备工艺是在传统的钢领表面上，制备具有多层复合结构和自润滑功能的纳米涂层，该纳米涂层具有高硬度、高附着力和耐腐蚀性。<!--1-->

Description

自润滑涂层钢领及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种自润滑涂层钢领及其制备工艺。

背景技术

钢领是环锭纺纱机上卷绕部分的重要部件，在高速纺织状态下，钢领表面会加剧粘着磨损和疲劳磨损发生、内跑道产生不规则波浪纹和点状剥落、纺纱张力不稳定、千锭时断头、毛羽严重等缺陷，因此钢领材质、表面处理方法、硬度、耐腐蚀性、摩擦特性、直接影响成纱毛羽、断头等质量指标。

目前，国内企业多采用20号低碳钢的板材加工钢领，经电镀铬提高表面硬度，但表面粗糙，走熟期比较长，或采用Crl5轴承钢钢领，热处理加工后，能够得到更高的硬度，但在使用过程中锈蚀问题是比较突出的。随着科技的发展，出现了各种涂层钢领，比如镀氟钢领，具有很好的减摩特性，可以直接开快档车速，但表面硬度低，所以限制了使用寿命；类金刚石(DLC)钢领，具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀，但内应力高、附着力差、摩擦系数高于镀氟钢领。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种自润滑涂层钢领及其制备工艺，其是在传统的钢领表面上，制备具有多层复合结构和自润滑功能的纳米涂层，该纳米涂层具有高硬度、高附着力和耐腐蚀性。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自润滑涂层钢领，包括钢领基体，所述钢领基体上依次涂覆有Cr层、CrN层、CrCN层、CrC层和F-DLC层。

作为本发明的进一步改进，所述Cr层厚度为30-50nm，所述CrN层厚度为30-60nm，所述CrCN层厚度为50-100nm，所述CrC层厚度为150-200nm，所述F-DLC层厚度为1000-2000nm。

作为本发明的进一步改进，所述Cr层、CrN层、CrCN层、CrC层和F-DLC层硬度为2000-3000HV，摩擦系数小于0.1。

本发明还提供一种如上述的自润滑涂层钢领的制备工艺，包括以下步骤：

①将钢领基体经超声波清洗去油除污、烘干，然后安装到镀膜室内的工件旋转支架上；

②抽真空：将镀膜室的真空度抽至2×10^-3Pa—5×10^-3Pa；

③离子清洗：向镀膜室内通入氩气，压强调整至5×10^-1Pa—8×10^-1Pa，启动工件旋转支架，开启离子源，电压控制在2000-2500V，产生辉光放电，电流控制在50-100mA，产生大量Ar⁺对工件表面进行轰击，时间为30-60min；

④过渡层制备：开启磁过滤电弧离子源，沉积Cr底层，时间10-30min，压强6×10^-2Pa—8×10^-2Pa，偏压100-200V；然后通入氮气，沉积CrN，时间30-40min，压强1×10^-1Pa—3×10^-1Pa，偏压60-150V；再然后逐渐减少氮气并通入乙炔，沉积CrCN，时间20-30min，压强1×10^-1Pa—3×10^-1Pa，偏压60-150V；最后关闭氮气通入乙炔，沉积CrC,时间5-10min,压强2×10^-1Pa—4×10^-1Pa,偏压60-80V；

⑤含氟的类金刚石薄膜制备：开启脉冲石墨阴极弧光放电，主回路电压200-400V，偏压200-600V，然后通入碳氢化合物气体分子与含氟化合物气体分子的混合气体，用质量流量控制计控制该混合气体流量50-100sccm与比率2.0-5.0，石墨阴极脉冲弧光放电释放的高速高能碳离子和碳的高能中性原子，与工作气体相互碰撞，并分解离化混合气体分子，生成新的碳离子和氟离子，在工件表面形成含氟的类金刚石薄膜。

本发明的有益效果是：通过在钢领表面制备出附着力好、低摩擦、高硬度、耐腐蚀、高热传导率的多层功能性涂层，可保证钢领在高速纺纱过程中，纺纱张力稳定，千锭时断头、毛羽指标均能控制在较好水平。

附图说明

图1为本发明剖面结构示意图；

图2为本发明所述自润滑涂层钢领样品测试的深度-硬度曲线图。

具体实施方式

结合附图，对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

一种自润滑涂层钢领，包括钢领基体10，所述钢领基体上依次涂覆有Cr层1、CrN层2、CrCN层3、CrC层4和F-DLC层5。

优选的，所述Cr层厚度为30-50nm，所述CrN层厚度为30-60nm，所述CrCN层厚度为50-100nm，所述CrC层厚度为150-200nm，所述F-DLC层厚度为1000-2000nm。

优选的，所述Cr层1、CrN层2、CrCN层3、CrC层4和F-DLC层硬度为2000-3000HV，摩擦系数小于0.1。

一种如上述的自润滑涂层钢领的制备工艺，包括以下步骤：

①将钢领基体经超声波清洗去油除污、烘干，然后安装到镀膜室内的工件旋转支架上；

②抽真空：将镀膜室的真空度抽至2×10^-3Pa—5×10^-3Pa；

③离子清洗：向镀膜室内通入氩气，压强调整至5×10^-1Pa—8×10^-1Pa，启动工件旋转支架，开启离子源，电压控制在2000-2500V，产生辉光放电，电流控制在50-100mA，产生大量Ar⁺对工件表面进行轰击，时间为30-60min；

④过渡层制备：开启磁过滤电弧离子源，沉积Cr底层，时间10-30min，压强6×10^-2Pa—8×10^-2Pa，偏压100-200V；然后通入氮气，沉积CrN，时间30-40min，压强1×10^-1Pa—3×10^-1Pa，偏压60-150V；再然后逐渐减少氮气并通入乙炔，沉积CrCN，时间20-30min，压强1×10^-1Pa—3×10^-1Pa，偏压60-150V；最后关闭氮气通入乙炔，沉积CrC,时间5-10min,压强2×10^-1Pa—4×10^-1Pa,偏压60-80V；

⑤含氟的类金刚石薄膜制备：开启脉冲石墨阴极弧光放电，主回路电压200-400V，偏压200-600V，然后通入碳氢化合物气体分子与含氟化合物气体分子的混合气体，用质量流量控制计控制该混合气体流量50-100sccm与比率2.0-5.0，石墨阴极脉冲弧光放电释放的高速高能碳离子和碳的高能中性原子，与工作气体相互碰撞，并分解离化混合气体分子，生成新的碳离子和氟离子，在工件表面形成含氟的类金刚石薄膜。

该自润滑涂层钢领的制备工艺利用复合离子镀膜设备，采用磁过滤阴极电弧离子镀制备金属氮碳化物过渡层，提高涂层附着力，并采用石墨阴极产生脉冲电弧放电，形成高速高能量碳等离子束，碰撞、分解、离化含氟化合物气体分子和碳氢化合物气体，形成化学活性的自由基吸附于钢领表面，形成含氟的类金刚石涂层，解决所提出的技术问题。

碳离子与碳氢化合物气体分子，含氟化合物气体分子的体最小碰撞次数可以用以下公式表示：

$N=\sqrt{2}\mathrm{\&pi;}L{(R_{C^{+}}+R_{{\mathrm{CxFy}}_x}+R_{CrHy})}^2+\frac{P}{kT}$

R_C ⁺、R_CxFyx、R_CxHy碳离子，含氟化合物气体分子与碳氢化合物气体分子的平均半径，L-石墨阴极与基体的距离，P,T-碳氢化合物气体分子与含氟化合物气体分子的混合气体的分压和温度，K-波尔兹曼常数。

由于碳离子碰撞氟化合物气体分子和碳氢化合物气体，阻碍大的颗粒直接沉积，沉积粒子能量平均分布较窄，沉积温度降低，有利于形成性能一致的薄膜；同时减少粒子注入而产生的内应力；引入气体分子，增强粒子绕射性能，改善组织形貌，可以在比较大的表面形成厚度均匀的薄膜。

取本发明所述自润滑涂层钢领使用G200的连续刚度测量(CSM)方法，在样品上选两个点进行压痕测试，得到深度-硬度曲线，如图2所示。

测试条件：

压针类型：Berkovichtip,压针编号：TB13969

测试方法名称：XP,standardCSMmethod

压痕测试最大深度：500nm

压痕测试点数目：每个样品测试二个压痕点

测试结果如表1：

表1：样品测试结果表

样品编号	深度-硬度曲线中硬度最大值
		#1，压痕点1	63.2GPa
#1，压痕点2	51.7GPa

Claims (3)

1.一种自润滑涂层钢领，包括钢领基体(10)，其特征在于：所述钢领基体上依次涂覆有Cr层(1)、CrN层(2)、CrCN层(3)、CrC层(4)和F-DLC层(5)，所述Cr层厚度为30-50nm，所述CrN层厚度为30-60nm，所述CrCN层厚度为50-100nm，所述CrC层厚度为150-200nm，所述F-DLC层厚度为1000-2000nm。

2.根据权利要求1所述的自润滑涂层钢领，其特征在于：所述Cr层(1)、CrN层(2)、CrCN层(3)、CrC层(4)和F-DLC层硬度为2000-3000HV，摩擦系数小于0.1。

3.一种如权利要求1或2所述的自润滑涂层钢领的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

①将钢领基体经超声波清洗去油除污、烘干，然后安装到镀膜室内的工件旋转支架上；

②抽真空：将镀膜室的真空度抽至2×10^-3Pa—5×10^-3Pa；

③离子清洗：向镀膜室内通入氩气，压强调整至5×10^-1Pa—8×10^-1Pa，启动工件旋转支架，开启离子源，电压控制在2000-2500V，产生辉光放电，电流控制在50-100mA，产生大量Ar⁺对工件表面进行轰击，时间为30-60min；

④过渡层制备：开启磁过滤电弧离子源，沉积Cr底层，时间10-30min，压强6×10^-2Pa—8×10^-2Pa，偏压100-200V；然后通入氮气，沉积CrN，时间30-40min，压强1×10^-1Pa—3×10^-1Pa，偏压60-150V；再然后逐渐减少氮气并通入乙炔，沉积CrCN，时间20-30min，压强1×10^-1Pa—3×10^-1Pa，偏压60-150V；最后关闭氮气通入乙炔，沉积CrC,时间5-10min,压强2×10^-1Pa—4×10^-1Pa,偏压60-80V；

⑤含氟的类金刚石薄膜制备：开启脉冲石墨阴极弧光放电，主回路电压200-400V，偏压200-600V，然后通入碳氢化合物气体分子与含氟化合物气体分子的混合气体，用质量流量控制计控制该混合气体流量50-100sccm与比率2.0-5.0，石墨阴极脉冲弧光放电释放的高速高能碳离子和碳的高能中性原子，与工作气体相互碰撞，并分解离化混合气体分子，生成新的碳离子和氟离子，在工件表面形成含氟的类金刚石薄膜。