CN104005125B - 假捻盘内表面陶瓷化处理的方法 - Google Patents
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Abstract
假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，属于纺纱机械设备领域。本发明是为了解决传统镀铬假捻盘表面镀层分布不均匀、质量差、寿命短，以及粉末烧结陶瓷假捻盘生产成本高，工艺复杂的问题。本发明所述的一种气流纺陶瓷假捻盘内表面镀有一层陶瓷膜；本发明所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，首先对假捻盘的表面进行氧化物陶瓷层制备，生成的陶瓷层的化学成分为氧化物，与采用陶瓷粉末压制烧结工艺所生产的假捻盘具有相同的化学成分，然后再对陶瓷层进行重熔细化处理，细化后表面均匀、耐磨，延长了假捻盘在设备上的服役时间。本发明适用于多种材质的纺织领域。
Description
技术领域
本发明属于纺纱机械设备领域。
背景技术
气流纺纱(也称转杯纺纱)与环锭纺纱相比，具有工艺流程短、卷装容量大、速度快、产量高和劳动生产效率高等优点，是目前国内外各种新型纺纱方法中技术最为成熟、发展最为迅速且应用最为广泛的一种纺纱技术。作为气流纺纱器关键核心部件之一，假捻盘利用转杯的高速回转，使其与转杯内形成的纱线产生强烈的摩擦，并对纱线产生假捻的效果。虽然假捻盘的假捻作用并未改变成纱的设计捻度，但是纱线在转杯凝聚槽内剥离点前后的动态捻度增加，从而增加剥离点，使这个纺纱过程中最薄弱的环节成纱能力加强，促使纺纱顺利进行。
目前，气流纺纱机内使用的假捻盘主要分为两类：45钢镀铬假捻盘和烧结陶瓷假捻盘。经过长期生产实践发现，45钢镀铬假捻盘由于表面是采用电镀工艺，将铬原子沉淀于45钢基体而成，镀层厚度较薄并分布不均匀(0.03mm左右)，而且由于电镀工艺的限制，镀铬层中存在微孔、微裂纹和杂质等缺陷，在脉动剪切力的作用下，使镀层很快发生剥落现象，失去原有的保护作用，严重影响成纱质量。而陶瓷假捻盘通常选用的是金属氧化物(如：氧化铝、氧化钛)和碳化硅材料。在制造过程中先将陶瓷粉末烧结成型，然后将整个陶瓷芯体与金属托架粘合在一起，构成完整的假捻盘。采用这种粉末烧结工艺制造的假捻盘不仅表面均匀一致，而且其耐磨性也远优于镀铬假捻盘。但是金属氧化物粉末的制备过程复杂，制备效率低，而且粉末在烧结过程中工艺难度大，产品质量的可控性较差。这些因素都使得这种陶瓷假捻盘的成本高于一般企业对设备投入的预算，因此只能在少数高端材料中得以应用。
发明内容
本发明是为了解决传统镀铬假捻盘表面镀层分布不均匀、质量差、寿命短，以及粉末烧结陶瓷假捻盘生产成本高，工艺复杂的问题，现提供假捻盘内表面陶瓷化处理的方法。
一种气流纺陶瓷假捻盘，该假捻盘的内表面镀有一层陶瓷膜，该层陶瓷膜的材料中包含有体积分数在80％至90％之间的Al2O3，该层陶瓷膜的厚度在20μm至70μm之间，硬度HV1200至HV1500之间，粗糙度在Ra2μm至3μm之间。
假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：对假捻盘的表面进行氧化物陶瓷层制备，具体过程为：
将待处理的假捻盘固定在托架上，然后将假捻盘和托架整体浸入充有工作液的反应槽中，并保证待处理的假捻盘的开口与工作液液面平行；
根据要获得的假捻盘膜层厚度，设定直流脉冲电源的电压，然后利用直流脉冲电源在托架和反应槽之间施加直流脉冲；
利用内循环冷却泵对反应槽中的工作液直接进行冷却；
同时利用外冷却循环泵通过循环入口管和循环出口管对反应槽中的工作液与外冷却槽中的工作液进行循环冷却，保证循环入口管和循环出口管的进液速度和出液速度相同，反应槽中工作液的温度为20℃，外冷却槽中工作液的温度为15℃；
当加工电压达到上述设定值时，获得表面镀有氧化物陶瓷层的假捻盘，然后执行步骤二；
步骤二：对步骤一获得的假捻盘进行陶瓷层的重熔细化处理，具体过程为：
用清水清洗步骤一获得的假捻盘并烘干，然后将该假捻盘固定在激光器工作台上；
开启并调节激光器，使激光器输出的激光入射到假捻盘纱线输出端最大直径处；
使激光沿假捻盘周向以逆时针的顺序，呈螺旋式沿假捻盘纱线输出端的外径对假捻盘的内壁进行扫描；
当激光扫描完扫描终点所在圆周时，获得处理后的假捻盘；
所述扫描终点位于假捻盘喇叭状圆孔与筒状圆孔的交接线上。
本发明所述的一种气流纺陶瓷假捻盘，表面镀层为主要成分为氧化物的陶瓷，该陶瓷层基于假捻盘金属基体原位生长，与基体无明显分界，且表面致密无杂质、均匀、耐磨损，陶瓷层厚度可达50μm以上，硬度可达HV1500以上。
本发明所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，首先对假捻盘的表面进行氧化物陶瓷层制备，生成的氧化物陶瓷层的化学成分为金属氧化物，与采用陶瓷粉末压制烧结工艺所生产的假捻盘具有相同的化学成分，材料表面理化性能、粗糙度都能与粉末压制假捻盘相近，制备工艺简单、灵活，可以根据实际生产的不同需求，通过调节电解液、电源参数，从而制备所需性能膜层，且生产成本远低于传统陶瓷假捻盘所需成本；然后再对陶瓷层进行重熔细化处理，细化后表面均匀、耐磨，延长了假捻盘在设备上的服役时间。
利用本发明所述方法在铝制金属基体上制备出完整的陶瓷制地的假捻盘，该假捻盘不仅具有表面均匀、耐磨损的特点，而且通过对制备工艺参数地及时调整能够获得理想的表面粗糙度。更为突出的是，本发明所述方法在很大程度上降低了生产成本，简化了生产工艺，从而能够应用于多种材质的纺织领域。
附图说明
图1是本发明具体实施方式二所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，步骤一所采用的处理装置的结构示意图；
图2是多个待处理假捻盘在不锈钢反应槽中的排布图；
图3是本发明具体实施方式二所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，步骤二中激光器扫描假捻盘的路径示意图，其中曲线A表示激光沿水平方向的扫描路径，点B表示激光沿竖直方向的扫描路径的起点，点C表示激光沿竖直方向的扫描路径的终点；
图4是本发明具体实施方式四所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，直流脉冲电源的脉冲波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的一种气流纺陶瓷假捻盘，该假捻盘的内表面镀有一层陶瓷膜，该层陶瓷膜的材料中包含有体积分数在80％至90％之间的Al2O3，该层陶瓷膜的厚度在20μm至70μm之间，硬度在HV1500至HV1600之间，粗糙度在Ra2μm至Ra3μm之间。
本实施方式中，所述陶瓷膜除去包含的80％至90％的Al2O3，还有余量的SiO2及杂质。
具体实施方式二：参照图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，它包括以下步骤：
步骤一：对假捻盘5的表面进行氧化物陶瓷层制备，具体过程为：
将待处理的假捻盘5固定在托架4上，然后将假捻盘5和托架4整体浸入充有工作液6的反应槽3中，并保证待处理的假捻盘5的开口与工作液液面平行；
根据要获得的假捻盘5膜层厚度，设定直流脉冲电源1的电压，然后利用直流脉冲电源1在托架4和反应槽3之间施加直流脉冲；
利用内循环冷却泵2对反应槽3中的工作液6直接进行冷却；
同时利用外冷却循环泵7通过循环入口管9和循环出口管10对反应槽3中的工作液6与外冷却槽8中的工作液6进行循环冷却，保证循环入口管和循环出口管的进液速度和出液速度相同，反应槽3中工作液6的温度为20℃，外冷却槽8中工作液6的温度为15℃；
当加工电压达到上述设定值时，获得表面镀有氧化物陶瓷层的假捻盘5，然后执行步骤二；
步骤二：对步骤一获得的假捻盘5进行陶瓷层的重熔细化处理，具体过程为：
用清水清洗步骤一获得的假捻盘5并烘干，然后将该假捻盘5固定在激光器工作台上；
开启并调节激光器，使激光器输出的激光入射到假捻盘5纱线输出端最大直径处；
使激光沿假捻盘5周向以逆时针的顺序，呈螺旋式沿假捻盘5纱线输出端的外径对假捻盘5的内壁进行扫描；
当激光扫描完扫描终点所在圆周时，获得处理后的假捻盘5；
所述扫描终点位于假捻盘5喇叭状圆孔与筒状圆孔的交接线上。
步骤一中，本发明中的待处理的假捻盘5采用阀金属材质铸造成型；直流脉冲电源1的正极连接托架4，直流脉冲电源1的负极连接反应槽3；内循环冷却泵2固定于反应槽3的内壁上，利用内循环冷却泵2对液体的扰动作用，起到对假捻盘5的直接冷却作用。根据要获得的假捻盘5膜层厚度，设定直流脉冲电源1的电压，在加工过程中，电流设定为恒定值，随着膜层逐渐增厚，电压值不断升高，当升高到某一值后就可以表明膜层已经达到一定厚度。外冷却循环泵9通过循环出口管10从反应槽3中将工作液6抽到外冷却槽8中，同时将外冷却槽8中冷却后的工作液6经循环入口管9输送回反应槽3中。外冷却循环泵7的进水速率与排出速率保持相同，且在制备工作过程中冷却水流不得间断。反应槽3和外冷却槽8内的溶液各溶质浓度相同，且工作温度分别控制在20℃和15℃，液体温度最好控制在这两个温度上，可略有偏差，但是偏差不能超过1℃或者更小，可以认为是稳定在固定温度上的。当反应槽3内的温度超过或低于该设定温度时，要立即停止加工。本步骤完成后生成的氧化物陶瓷层的化学成分为金属氧化物，与采用陶瓷粉末压制烧结工艺所生产的假捻盘具有相同的化学成分。材料表面理化性能、粗糙度都能与粉末压制假捻盘相近；同时本步骤制备工艺简单、灵活，可以根据实际生产的不同需求，通过调节电解液、电源参数，从而制备所需性能膜层，且生产成本远低于传统陶瓷假捻盘所需成本。
步骤二中，假捻盘5的激光细化处理的扫面轨迹如图3所示，根据激光器焦距的大小不同，激光器需要通过多次圆周扫描完成对假捻盘表面的处理。激光头从程序设定的起始点开始沿圆周匀速扫描，当光斑再次返回至该圆周起始点时，激光头向假捻盘轴心移动，进入下一扫描轨迹，依照上述动作。以此类推，直至完成竖直方向上通过扫描终点的路径，即完成假捻盘的激光细化处理工序。依据激光功率的不同，每条扫描路径间的重叠率控制在30至50％之间。本步骤能量控制精准，细化后表面均匀、耐磨，延长了假捻盘在设备上的服役时间。
托架4上也能够同时固定多个假捻盘5，对多个假捻盘5同时进行氧化物陶瓷层制备，然后将多个假捻盘5连同托架4一起固定在激光器工作台上，利用激光器对多个假捻盘5进行陶瓷层的重熔细化处理，减少换件固定时间，加快处理速度。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，在步骤一之前，首先对待处理的假捻盘5进行清洗，所述清洗方法为：
首先使用去离子水对待处理的假捻盘5进行清洗，然后使用酒精溶液对去离子水清洗后的假捻盘5进行清洗，获得去除了表面灰尘和油污的假捻盘5。
具体实施方式四：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一所述利用直流脉冲电源1在托架4和反应槽3之间施加直流脉冲的一个周期过程为：
在t0时刻，直流脉冲电源1输出一个幅值为Vzi，脉宽为Tz的正向脉冲；在该正向脉冲的结束时刻，直流脉冲电源1输出一个幅值为Vfi，脉宽为Tf的负向脉冲；
在t2时刻，直流脉冲电源1输出一个幅值为Vzi，脉宽为Tz的正向脉冲；在该正向脉冲的结束时刻，直流脉冲电源1输出一个幅值为Vfi，脉宽为Tf的负向脉冲；
依此类推，
在ti时刻，直流脉冲电源1输出一个幅值为Vzi，脉宽为Tz的正向脉冲；在该正向脉冲的结束时刻，直流脉冲电源1输出一个幅值为Vfi，脉宽为Tf的负向脉冲；
其中，Vzi的范围在400V至500V之间，Tz的范围在0.01s至0.1s之间，Vfi的范围在-30V至-50V之间，Tf的范围在0.05s至0.1s之间，i＝0，1，2...；从t0时刻开始到第n个脉冲的结束时刻为一个周期，其中n＝i，一个周期T在20至40分钟之间。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，所述激光沿周向的扫描速度在10mm/s至40mm/s之间，激光器的功率在10W至200W之间，辐射功率为1J至12J之间，焦距在120mm至200mm之间。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，在激光器对假捻盘5进行扫描时，向假捻盘5内通入高压氮气，并保证激光器的辐射功率为15J。
本实施方式中，利用高压氮气对假捻盘5进行保护，能够防止步骤一种假捻盘5表面生成的陶瓷材料在高温情况下发生氧化。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五或六所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，将纳米级SiC颗粒输送到假捻盘5表面的激光光斑处，并保证输送速率在1mm3/s至3mm3/s之间。
本实施方式中，将纳米级SiC颗粒输送到假捻盘5表面的激光光斑处，能够提高膜层表面硬度和耐腐蚀性能。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，所述工作液6包括：2-4g/L的NaOH、5-10g/L的NaAlO2、5-10g/L的(NaPO3)6和去离子水。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式七所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，所述工作液6包括：1-2g/L的KOH，10-20g/L的Na2SiO3和去离子水。
具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式七所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，所述工作液6包括：1g/L的NaOH、4g/L的NaAlO2、4g/L的(NaPO3)6和去离子水。
具体实施方式十一：本实施方式是对具体实施方式八、九或十所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二所述激光器为Nd：YAG激光器。
具体实施方式十二：本实施方式是对具体实施方式十一所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一所述托架4的材料为铝。
具体实施方式十三：本实施方式是对具体实施方式十二所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一所述反应槽3的材料为不锈钢。
本发明的工作原理：
本发明步骤一中氧化物陶瓷层的制备原理是：阀金属材料在弱碱性溶液条件和高电压作用共同作用下，会发生电化学反应，使金属表面迅速氧化。随着金属表面氧化层的反复击穿以及表面出现的等离子放电现象，致使金属氧化层能够持续、均匀并且稳定地生长。反应所生长出的氧化物陶瓷层是基于金属材料基体原位生长，与基体无明显分界。但是，膜层自身结构也存在差异，靠近基体的膜层较致密，而远离基体的膜层则表现为疏松多孔的结构，孔径一般在1μm至3μm之间。
本发明步骤二中激光表面细化是工作原理是：利用高能激光束和材料表面之间的交互作用，通过控制激光器的能量参数以及激光头的移动速度，使膜层表面材料发生融化并迅速冷却，这种融化凝固过程不仅能够改变材料表面疏松多孔的结构，还可以从根本上提高物理性能并化学成分和应力状态等。从而改善材料的表面性能，使表面膜层具有耐磨、抗氧化和抗疲劳的性能，提高零件的使用寿命与扩大材料用途。
采用下述试验来验证本发明的效果：
试验一：依次使用去离子水和酒精溶液对铝制假捻盘基体进行清洗，去除表面灰尘、油污等。将其固定于铝制托架上，把托架整体浸入含有CNaOH＝2g/L，CNaAlO2＝5g/L和C(NaPO3) 6＝5g/L的工作液中，溶剂选用去离子水，且去离子水为1L。直流脉冲电源的正极和负极分别连接托架和不锈钢反应槽。具体电源参数为：正向电压420V，负向电压60V；电源频率200Hz；占空比40％。加工时间设定为40min。
制备完成后取出托盘，用清水冲洗并烘干。将托盘整体固定于Nd：YAG激光器加工台上，选用下述激光参数进行表面细化处理：扫描速度为10mm/s，激光器功率为10W，辐射功率为6J，焦距为120mm。
经X射线衍射实验(XRD)测定，采用以上工艺在铝制假捻盘基体上所制备出的陶瓷膜层的主要成分为Al2O3，且含量高达90％以上。通过扫描电镜(SEM)检测图像可以判断，膜层厚度为50μm(±2μm)，膜层硬度为HRC1500，粗糙度为Ra＝2μm，且表面均匀、平整，无明显裂纹、孔洞存在。
试验二：依次使用去离子水和酒精溶液对铝制假捻盘基体进行清洗，去除表面灰尘、油污等。将其固定于铝制托架上，把托架整体浸入溶质浓度为浓度是CNaOH＝2g/L，CNa2SiO3＝5g/L，C(NaPO3)6＝5g/L的碱性溶液中，溶剂选用去离子水，且去离子水为1L。直流脉冲电源的正极和负极分别连接托架和不锈钢反应槽。具体电源参数为：正向电压420V，负向电压60V；电源频率200Hz；占空比40％。加工时间设定为40min。制备完成后取出托盘，用清水冲洗并烘干。将托盘整体固定于Nd：YAG激光器加工台上，选用下述激光参数进行表面细化处理：扫描速度为10mm/s，激光器功率为10W，辐射功率为6J，焦距120mm。
经X射线衍射实验(XRD)测定，采用以上工艺参数所制备的陶瓷假捻盘膜层的主要成分为Al2O3、SiO2和莫来石(mAl2O3·nSiO2)，且含量高达90％以上。通过扫描电镜(SEM)检测图像可以判断，膜层厚度为58μm(±2μm)，膜层硬度为HRC1500，粗糙度为Ra＝3.3μm，且表面均匀、平整，无明显裂纹、孔洞存在。
Claims (9)
1.假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一：对假捻盘(5)的表面进行氧化物陶瓷层制备，具体过程为：
将待处理的假捻盘(5)固定在托架(4)上，然后将假捻盘(5)和托架(4)整体浸入充有工作液(6)的反应槽(3)中，并保证待处理的假捻盘(5)的开口与工作液液面平行；
根据要获得的假捻盘(5)膜层厚度，设定直流脉冲电源(1)的电压，然后利用直流脉冲电源(1)在托架(4)和反应槽(3)之间施加直流脉冲；
利用内循环冷却泵(2)对反应槽(3)中的工作液(6)直接进行冷却；
同时利用外冷却循环泵(7)通过循环入口管(9)和循环出口管(10)对反应槽(3)中的工作液(6)与外冷却槽(8)中的工作液(6)进行循环冷却，保证循环入口管和循环出口管的进液速度和出液速度相同，反应槽(3)中工作液(6)的温度为20℃，外冷却槽(8)中工作液(6)的温度为15℃；
当加工电压达到上述设定值时，获得表面镀有氧化物陶瓷层的假捻盘(5)，然后执行步骤二；
步骤二：对步骤一获得的假捻盘(5)进行陶瓷层的重熔细化处理，具体过程为：
用清水清洗步骤一获得的假捻盘(5)并烘干，然后将该假捻盘(5)固定在激光器工作台上；
开启并调节激光器，使激光器输出的激光入射到假捻盘(5)纱线输出端最大直径处；
使激光沿假捻盘(5)周向以逆时针的顺序，呈螺旋式沿假捻盘(5)纱线输出端的外径对假捻盘(5)的内壁进行扫描；
当激光扫描完扫描终点所在圆周时，获得处理后的假捻盘(5)；
所述扫描终点位于假捻盘5喇叭状圆孔与筒状圆孔的交接线上。
2.根据权利要求1所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，在步骤一之前，首先对待处理的假捻盘(5)进行清洗，所述清洗方法为：
首先使用去离子水对待处理的假捻盘(5)进行清洗，然后使用酒精溶液对去离子水清洗后的假捻盘(5)进行清洗，获得去除了表面灰尘和油污的假捻盘(5)。
3.根据权利要求2所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，步骤一所述利用直流脉冲电源(1)在托架(4)和反应槽(3)之间施加直流脉冲的一个周期过程为：
在t0时刻，直流脉冲电源(1)输出一个幅值为Vzi，脉宽为Tz的正向脉冲；在该正向脉冲的结束时刻，直流脉冲电源(1)输出一个幅值为Vfi，脉宽为Tf的负向脉冲；
在t2时刻，直流脉冲电源(1)输出一个幅值为Vzi，脉宽为Tz的正向脉冲；在该正向脉冲的结束时刻，直流脉冲电源(1)输出一个幅值为Vfi，脉宽为Tf的负向脉冲；
依此类推，
在ti时刻，直流脉冲电源(1)输出一个幅值为Vzi，脉宽为Tz的正向脉冲；在该正向脉冲的结束时刻，直流脉冲电源(1)输出一个幅值为Vfi，脉宽为Tf的负向脉冲；
其中，Vzi的范围在400V至500V之间，Tz的范围在0.01s至0.1s之间，Vfi的范围在-30V至-50V之间，Tf的范围在0.05s至0.1s之间，i＝0，1，2...；从t0时刻开始到第n个脉冲的结束时刻为一个周期，其中n＝i，一个周期T在20至40分钟之间。
4.根据权利要求3所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，所述激光沿周向的扫描速度在10mm/s至40mm/s之间，激光器的功率在10W至200W之间，辐射功率为1J至12J之间，焦距在120mm至200mm之间。
5.根据权利要求3所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，在激光器对假捻盘(5)进行扫描时，向假捻盘(5)内通入高压氮气，并保证激光器的辐射功率为15J。
6.根据权利要求4或5所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，在激光器对假捻盘(5)进行扫描时，将纳米级SiC颗粒输送到假捻盘(5)表面的激光光斑处，并保证输送速率在1mm3/s至3mm3/s之间。
7.根据权利要求6所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，所述工作液(6)包括：2-4g/L的NaOH、5-10g/L的NaAlO2、5-10g/L的(NaPO3)6和去离子水。
8.根据权利要求6所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，所述工作液(6)包括：1-2g/L的KOH，10-20g/L的Na2SiO3和去离子水。
9.根据权利要求6所述的假捻盘内表面陶瓷化处理的方法，其特征在于，所述工作液(6)包括：1g/L的NaOH、4g/L的NaAlO2、4g/L的(NaPO3)6和去离子水。
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