CN106222622A - 一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，采用闭合场磁控溅射离子镀设备在钢领表面均匀沉积自润滑C‑Mo‑Cr镀层。本发明所制备的C‑Mo‑Cr镀层具有自润滑性，镀有该镀层的钢领可使纺纱的锭速提高到1.8万转/分钟以上，较无镀层钢领的使用寿命提高3～5倍，同时使与钢领对磨钢丝圈的使用寿命提高1倍。本发明提出的高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法工艺稳定，产量大，可实现工业化生产。

Description

一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法
技术领域
本发明属于材料表面工程技术领域，具体涉及一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法。
背景技术
钢领是环锭纺细纱机的关键核心部件，与钢丝圈组成一对摩擦副，实现对纱线的加捻和卷绕。纺纱过程中，钢丝圈在锭子的带动下在钢领中高速回转，钢领和钢丝圈之间的摩擦和配合直接影响成纱质量和生产效率。随着环锭纺纱速度的提高，钢领和钢丝圈之间摩擦磨损加剧，研究表明在锭速达到1.8万r/min时，即钢领和钢丝圈相对滑动速度增加到40m/s时，两者摩擦产生的热量不易散失，钢领温度升高到500℃，钢领发生严重的黏着磨损，导致其使用寿命的急剧缩短。目前国产普通钢领在锭速1.3万～1.5万r/min时的使用寿命仅为9个月～12个月，不能满足国内高速纺纱技术发展的要求，因此有必要制备具有更高质量和寿命的钢领。
对钢领进行表面处理是提高钢领质量和使用寿命最为直接的办法。目前，钢领表面处理工艺主要包括C-N共渗工艺，电镀铬工艺和化学气相沉积工艺。C-N共渗工艺能提高钢领的硬度，但钢领这种薄壁零件在高温C-N共渗的过程中变形难以控制，不易保证共渗处理后钢领与钢丝圈的配合。电镀铬钢领硬度高，耐磨性好，目前应用较为广泛，但镀铬电镀液的毒性和废液对环境的污染，制约了电镀铬钢领的应用和发展。采用化学气相沉积工艺在钢领表面沉积高硬度和低摩擦系数的TiC镀层，能够显著延长钢领的寿命，但因其成本高，加工工艺较复杂，难以适应国内市场的需要。采用磁控溅射的方法在钢领表面沉积固体自润滑镀层是满足高速纺纱发展要求的最为有效的方法之一。传统的固体润滑镀层DLC和MoS2都具有极低的摩擦系数，但DLC镀层的热稳定性差，在温度超过250℃会发生sp3杂化键向Sp2杂化键的转化，导致镀层机械性能退化。而MoS2镀层在有氧和潮湿的环境易于氧化失效，同样无法适应钢领的工作环境。因此寻求一种适应于高速纺纱钢领工作条件的自润滑镀层，来提高钢领的质量并延长钢领的使用寿命对高速纺纱行业有着直接的经济与社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，解决现有未镀层钢领使用寿命短、纺纱锭速低以及对钢领行进表面电镀处理镀液污染环境和进行表面化学气相沉积处理成本高、工艺复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，采用闭合场磁控溅射离子镀设备在钢领表面均匀沉积C-Mo-Cr自润滑镀层。
本发明的特点还在于，
将钢领经过预处理后放置于钢领夹持系统上，然后一同放入闭合场磁控溅射离子镀设备的真空室内依次经过钢领离子轰击清洗和镀膜。
钢领离子轰击清洗：将真空室抽真空，待真空室的真空度达到3×10-3～4×10-3Pa后，通入氩气，氩气流量15～20sccm，将工件负偏压调整为-350～-450V，同时开启铬靶和钼靶，钼靶和铬靶电流分别调整为0.2～0.5A，对钢领进行离子轰击清洗20～30min。
镀膜：同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，将石墨靶电流调整为2～3A，铬靶和钼靶电流为0.2～0.6A，将工件负偏压调整-60V～-75V，工件架转速调整为4～6r/min，镀膜时间为2.5～3h；镀膜完成后，待真空室温度冷却至室温，取出钢领。
本发明的有益效果是，
1)本发明采用磁控溅射方法沉积镀层，可通过调节靶电流改变C-Mo-Cr镀层中a-C、MoC和CrC三相的比例，综合调控镀层力学、热性能和摩擦学性能，从而使镀层满足不同工况条件下的应用要求。
2)本发明所制备的C-Mo-Cr镀层具有自润滑性，与传统的DLC和MoS2等固体润滑镀层相比，其能够适应高速纺纱的工作条件，可使钢领的使用寿命延长3～5倍；与镀铬钢领相比，镀层在延长钢领使用寿命的同时使钢丝圈的使用寿命延长1倍。
3)本发明提出的一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，工艺简捷稳定、产量大、易于实现工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀的方法制备镀层，主要制备过程为：首先将钢领在超声清洗设备中清洗干燥后放置在钢领夹具上，然后一同放入闭合场磁控溅射离子镀设备的真空室中，然后抽真空、通入氩气、进行离子轰击清洗、沉积镀层，待真空室温度降到室温后取出钢领。
通氩气前需要将真空抽到3×10-3Pa～4×10-3Pa，氩气通入量为15～20sccm；
在离子轰击清洗阶段，工件上加载的负偏压为-350V～-450V，偏压电源脉冲频率为100～250KHz，脉冲宽度为500～1000ns，离子清洗时间为20～30min，同时开启铬靶和钼靶，靶电流设定为0.2A～0.5A；
在镀膜阶段，同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，靶电流分别为Ic为2A～3A，ICr为0.2～0.6A，IMo为0.2～0.6A，工件负偏压调整为-60V～-75V，偏压电源的脉冲频率为50～100KHz，脉冲宽度为1000～1500ns，镀膜时间为2.5～3h。
本发明所制备的C-Mo-Cr镀层，厚度为1.5μm～2.0μm，是由a-C、MoC和CrC组成，其中铬和钼元素占镀层质量百分比分别为2％～5％和3％～5％，硬度为1400HV～2200HV，镀层的摩擦系数在0.08～0.15，镀层与钢领的结合力在60N～90N，C-Mo-Cr镀层沉积在钢领表面后可以显著提高钢领的使用寿命。
本发明解决的技术关键在于采用多靶闭合场磁控溅射离子镀设备沉积镀层过程中，通过调节石墨靶、铬靶和钼靶电流调控C-Mo-Cr镀层中a-C、MoC和CrC三相的比例，使所制备的镀层具有高硬度，良好的热性能，在室温～450℃的范围能够保持低摩擦系数。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是这些实施例是一些较佳的例子，本发明不限于这些实施例。
实施例1
将钢领清洗干燥后放入真空室中，抽真空至4.0×10-3Pa，通入氩气流量为15sccm，采用-400V的负偏压，铬靶和钼靶电流都调整为0.4A，进行20min的离子轰击清洗。然后将工件负偏压调整为-65V，同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，靶电流分别为Ic为2A，ICr为0.2A，IMo为0.2A，镀层沉积时间为2.8h。
实施例1得到的镀层厚度为1.5μm，硬度为1500HV，摩擦系数为0.09，镀层同钢领的结合力为70N。使用该工艺沉积镀层得到的钢领在锭速为1.6万r/min时的使用寿命可延长4.5年，钢丝圈的使用寿命延长10天。
实施例2
将钢领清洗干燥后放入真空室中，抽真空至3.6×10-3Pa，通入氩气流量为18sccm，采用-400V的负偏压，铬靶和钼靶电流都调整为0.2A，进行30min的离子轰击清洗。然后将工件负偏压调整为-60V，同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，靶电流分别为Ic为2.5A，ICr为0.3A，IMo为0.3A，镀层沉积时间为3h。
实施例2得到的镀层厚度为1.8μm，硬度为1700HV，摩擦系数为0.11，镀层同钢领的结合力为85N。使用该工艺沉积镀层得到的钢领在锭速为1.8万r/min时的使用寿命可延长4年，钢丝圈的使用寿命延长8天。
实施例3
将钢领清洗干燥后放入真空室中，抽真空至3.3×10-3Pa，通入氩气流量为20sccm，采用-450V的负偏压，铬靶和钼靶电流都调整为0.4A，进行25min的离子轰击清洗。然后将工件负偏压调整为-75V，同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，靶电流分别为Ic为2.5A，ICr为0.4A，IMo为0.4A，镀层沉积时间为2.5h。
实施例3得到的镀层厚度为1.6μm，硬度为2200HV，摩擦系数为0.15，镀层同钢领的结合力为80N。使用该工艺沉积镀层得到的钢领在锭速为1.8万r/min时的使用寿命可延长4.5年，钢丝圈的使用寿命延长5天。
实施例4
将钢领清洗干燥后放入真空室中，抽真空至3.0×10-3Pa，通入氩气流量为15sccm，采用-350V的负偏压，铬靶和钼靶电流都调整为0.3A，进行30min的离子轰击清洗。然后将工件负偏压调整为-60V，同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，靶电流分别为Ic为3A，ICr为0.6A，IMo为0.6A，镀层沉积时间为2.8h。
实施例4得到的镀层厚度为2.0μm，硬度为1400HV，摩擦系数为0.08，镀层同钢领的结合力为90N。使用该工艺沉积镀层得到的钢领在锭速为1.7万r/min时的使用寿命可延长5年，钢丝圈的使用寿命延长14天。
实施例5
将钢领清洗干燥后放入真空室中，抽真空至4×10-3Pa，通入氩气流量为20sccm，采用-450V的负偏压，铬靶和钼靶电流都调整为0.4A，进行20min的离子轰击清洗。然后将工件负偏压调整为-70V，同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，靶电流分别为Ic为2.8A，ICr为0.2A，IMo为0.2A，镀层沉积时间为3h。
实施例5得到的镀层厚度为1.7μm，硬度为1600HV，摩擦系数为0.1，镀层同钢领的结合力为70N。使用该工艺沉积镀层得到的钢领在锭速为1.6万r/min时的使用寿命可延长4.8年，钢丝圈的使用寿命延长10天。
实施例6
将钢领清洗干燥后放入真空室中，抽真空至3.6×10-3Pa，通入氩气流量为15sccm，采用-350V的负偏压，铬靶和钼靶电流都调整为0.5A，进行25min的离子轰击清洗。然后将工件负偏压调整为-60V，同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，靶电流分别为Ic为2.5A，ICr为0.4A，IMo为0.4A，镀层沉积时间为2.5h。
实施例6得到的镀层厚度为1.7μm，硬度为1900HV，摩擦系数为0.13，镀层同钢领的结合力为75N。使用该工艺沉积镀层得到的钢领在锭速为1.6万r/min时的使用寿命可延长5年，钢丝圈的使用寿命延长5天。

Claims (4)

1.一种高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，其特征在于，采用闭合场磁控溅射离子镀设备在钢领表面均匀沉积C-Mo-Cr自润滑镀层。
2.根据权利要求1所述的高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，其特征在于，将钢领经过预处理后放置于钢领夹持系统上，放入闭合场磁控溅射离子镀设备的真空室内依次进行钢领离子轰击清洗和镀膜处理。
3.根据权利要求2所述的高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，其特征在于，钢领离子轰击清洗：将真空室抽真空，待真空室的真空度达到3×10-3～4×10-3Pa后，通入氩气，氩气流量15～20sccm，将工件负偏压调整为-350～-450V，同时开启铬靶和钼靶，钼靶和铬靶电流分别调整为0.2～0.5A，对钢领进行离子轰击清洗20～30min。
4.根据权利要求3所述的高速纺纱专用钢领自润滑镀层的制备方法，其特征在于，镀膜：同时开启2个石墨靶，1个铬靶和1个钼靶，将石墨靶电流调整为2～3A，铬靶和钼靶电流为0.2～0.6A，将工件负偏压调整-60V～-75V，工件架转速调整为4～6r/min，镀膜时间为2.5～3h；镀膜完成后，待真空室温度冷却至室温，取出钢领。
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