CN106868564A - 耐磨性好的铝合金纺杯制造方法及该方法制造的纺杯 - Google Patents

耐磨性好的铝合金纺杯制造方法及该方法制造的纺杯 Download PDF

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Abstract

耐磨性好的铝合金纺杯制造方法：采用高强铝合金锻造纺杯；取如下溶质Na2SiO3·5H2O 8‑15g/L、Na2B4O7 0.5‑15g/L、KF 0.5‑15g/L、CON2H4 0.5‑5g/L、C6H15NO3 0.5‑20g/l、KOH 0.5‑3g/L，溶解于不锈钢槽内的去离子水中；纺杯装配孔两端以绝缘材料密封，不锈钢辅助阴极(1)固定悬于纺杯(2)内的凝聚槽内，杯体与辅助阴极之间的最近距离≥5mm；纺杯与非对称双极性脉冲电源正极连接、不锈钢辅助阴极和不锈钢槽电连接负极，吊装放入溶液中，维持正向电流密度2‑10A/dm2，正向电压升至400‑420V时，加载负向电压，负向电流密度处于1‑6A/dm2，维持正负向电流密度不变，正向电压升至520‑540V时断开电源，得到耐磨层厚为30‑35um，该耐磨层与基体材料结合强度高，具有优良的冲击韧性、疲劳强度和良好的耐磨性能，可大幅提高纺杯的使用寿命，且成本低廉。

Description

耐磨性好的铝合金纺杯制造方法及该方法制造的纺杯
技术领域
本发明属于纺织机械及配件制造技术领域，更具体的涉及一种耐磨性好，使用寿命长的铝合金纺杯制备方法及所制得的纺杯。
背景技术
为了提高效率、降低能耗，纺织机械及配件越来越多的淘汰钢制零件，转而使用铝合金材料。随着纺纱技术的不断进步，转杯的转速越来越高，目前已达10万转每分钟以上，采用铝合金材料制作纺杯，则可大幅降低能耗，然而铝合金耐磨性差，纺纱时间一长，其表面因与纤维、夹杂物等接触而引起的磨损会影响凝棉、加捻，使纱线形成不均，毛羽数增加，纱线强力降低及断头增多。因此必须对铝合金纺杯做表面处理以提高耐磨性。目前铝合金纺杯采用较多的方法是做硬质阳极氧化处理或Ni-P镀，硬质阳极氧化及Ni-P镀膜层硬度低，耐磨性差；近年来美、德等发达国家在镍磷镀的基础上开发了镍磷复合人造金刚石微粉镀层既Ni-P-金刚石复合镀，Ni-P-金刚石复合镀工艺复杂，膜层结合强度不高，国内还未完全掌握这项技术，Ni-P-金刚石复合镀的纺杯目前主要靠进口，价格昂贵；喷涂耐磨层耐磨性好，但耐磨层与铝合金基体的结合强度差，使用过程中容易发生剥离脱落，对于高速纺杯由于凝聚槽很细并不适合喷涂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种耐磨性好、成本低的铝合金纺杯制造方法及该方法得到的纺杯。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，包括以下步骤：
加工纺杯：采用高强铝合金作为基材，进行毛坯锻造后机械加工成所需的纺杯形状，纺杯杯体上部是扩展状的凝聚槽，下部筒形内是装配孔；
配置溶液：选择Na2SiO3·5H2O、Na2B4O7、KF、CON2H4、C6H15NO3和KOH作为溶质，选择去离子水作为溶剂，各溶质的配置浓度为Na2SiO3·5H2O 8-15g/L、Na2B4O7 0.5-15g/L、KF0.5-15g/L、CON2H4 0.5-5g/L、C6H15NO3 0.5-20g/l、KOH 0.5-3g/L，配置的溶液置于不锈钢槽内，且溶液的配置量需能够浸没纺杯；
吊装：采用吊装装置将铝合金纺杯吊装，纺杯装配孔两端以绝缘材料密封隔绝溶液进入装配孔，将不锈钢辅助阴极固定悬于纺杯内的凝聚槽内，杯体与辅助阴极之间的最近距离≥5mm；铝合金纺杯通过吊装装置中的铝合金底座与正极导线连接，铝合金纺杯与铝合金底座紧密接触实现电连接，不锈钢辅助阴极与不锈钢槽电连接负极导线；
在纺杯表面形成耐磨层：将吊装好的纺杯放入溶液中，完全浸没于液面以下，并将连接铝合金底座的正极导线接电源的正极，将不锈钢槽和辅助阴极电连接电源的负极；控制溶液温度处于20-40℃，启动非对称双极性脉冲电源并采用恒压控制，保持正向电流密度处于2-10A/dm2，待正向电压升至400-420V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于1-6A/dm2，然后维持正负向电流密度不变，当正向电压升至520-540V时，断开电源，拆卸工装，取出纺杯并清洗干净；
用专用设备对纺杯表面进行抛光，使表面粗糙度达到Ra＝0.4um左右，得到耐磨性好的铝合金纺杯成品。
所述铝合金纺杯表面形成的耐磨层膜厚为30-35um、主要成分为晶态α-Al2O3和晶态γ-Al2O3，表面显微硬度达到Hv1500以上。
所述吊装装置包括铝合金底座、氟橡胶垫圈、钛合金螺钉、氟橡胶衬套以及不锈钢阴极；所述铝合金底座由横向基座和其上一体形成的竖向突出圆筒组成，所述圆筒周向间隔分开为若干筒片与纺杯装配孔适配，圆筒内有倒圆台形孔，孔底是通入铝合金底座的内螺纹盲孔；
吊装时，先将氟橡胶垫圈套设于圆筒外底端，再将纺杯装配孔套于圆筒外，且纺杯下端紧压在所述氟橡胶垫圈上，使得纺杯装配孔下端开口密封，然后将所述氟橡胶衬套紧密套设于所述倒圆台形孔中，钛合金螺钉向下穿过所述氟橡胶衬套锁紧于铝合金底座上，使得筒片受到氟橡胶衬套的压力而向外张开紧贴纺杯装配孔、且氟橡胶衬套上部及其上边缘密封在纺杯装配孔上部隔绝溶液进入轴孔。
所述各溶质的配置浓度为Na2SiO3·5H2O 10g/L、Na2B4O7 8g/L、KF 2g/L、CON2H43g/L、C6H15NO3 5g/l、KOH 2g/L。
所述电源为频率50-2000Hz、占空比50％的非对称双极性脉冲电源。
优选如下参数：控制溶液温度处于25-35℃，设置电源频率在100-200Hz、占空比为50％，保持正向电流密度处于5-6A/dm2，待正向电压升至400-420V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于3-4A/dm2，然后维持正负向电流密度不变。
同时本发明还提供一种耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，其特征在于，采用上述任一项的方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用锻造成型的高强铝合金基体材料加工成纺杯，并创新地在其表面原位生成致密的耐磨层，该耐磨层与基体材料结合强度高，具有优良的冲击韧性、疲劳强度和良好的耐磨性能，可大幅提高纺杯的使用寿命。生成耐磨层的纺杯成低廉，性价比高。
本发明利用置于特定溶液中的铝合金纺杯基材表面在高压条件下产生火花放电现象，使放电处温度瞬间达到数千度，零件表面金属在高温下熔化，并与水电解产生的氧气发生剧烈反应形成熔融态的氧化物，随着电火花的熄灭，金属及氧化物迅速冷却凝固形成晶态的耐磨层，由于经历了高温烧结，因此形成的耐磨层与基体金属呈冶金结合，结合强度很高，不会脱落，本发明形成于纺杯表面的耐磨层物质为α-Al2O3等晶体形态，具有很高的硬度和化学稳定性，因此本发明所制备的纺杯具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，使用寿命长，可广泛推广应用于各类铝合金耐磨件的制备技术中，市场前景广阔。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步地详细说明：
图1为本发明的铝合金纺杯吊装结构示意图。
图2为吊装装置中铝合金底座俯视图。
具体实施方式
本发明各实施例的参数及得到的结果如表一所示。
表一
实施例1
本实施例1中技术参数如表一中实施例1对应数据所示。
步骤1：纺杯加工
本发明可以选用7系、6系等高强铝合金作为基材，本实施例中选择的是6061铝合金进行毛坯锻造、固溶和时效处理，并按照图纸机械加工成车辆所需的纺杯形状，按现有技术或设计所需即可，一般的纺杯杯体上部都是扩展状的凝聚槽，下部筒形内是装配孔，凝聚槽是纺纱时需要耐磨的关键部位，而纺杯装配孔则需要保持尺寸精度不变。
步骤2：纺杯的局部保护与吊装
纺杯中心的装配孔需要后续装轴，因此在处理时需要保护，根据纺杯具体尺寸用绝缘的氟橡胶制作保护工装，氟橡胶保护工装应与纺杯装配孔的内表面紧密接触，确保液体不会渗入保护区——装配孔内，保护后耐磨层便不会形成于纺杯装配孔内表面。具体吊装装置及方法为：
所述吊装装置包括铝合金底座6、氟橡胶垫圈5、钛合金螺钉4、氟橡胶衬套3以及不锈钢辅助阴极1；所述铝合金底座6由横向基座和其上一体形成的竖向突出圆筒61组成，所述圆筒61周向间隔分开为若干筒片611与纺杯装配孔适配，圆筒内有倒圆台形孔，孔底是通入铝合金底座的内螺纹盲孔；吊装时，先将氟橡胶垫圈5套设于圆筒61外的底端，再将纺杯装配孔套于圆筒61外，且纺杯下端紧压在所述氟橡胶垫圈5上，使得纺杯装配孔下端开口密封，然后将所述氟橡胶衬套3紧密套设于所述倒圆台形孔中，钛合金螺钉4向下穿过所述氟橡胶衬套3锁紧于铝合金底座上，使得筒片611受到氟橡胶衬套3的压力而向外张开紧贴纺杯装配孔、且氟橡胶衬套3上部及其上边缘密封在纺杯装配孔上部隔绝溶液进入轴孔。纺杯装配孔用两端通过氟橡胶衬套3与氟橡胶垫圈5密封，以隔绝溶液深入其中，这样就不会在装配孔中形成耐磨层而导致尺寸精度变化。
铝合金纺杯通过吊装装置中的铝合金底座6与正极导线连接，铝合金纺杯与铝合金底座紧密接触实现电连接，确保导线与纺杯基体导通。底座上一次可以装配多个纺杯，导线只需连接底座一处就可以实现底座上所有装配的纺杯的电连接，而不必每个纺杯都接一根导线。由于凝聚槽是纺纱时需要耐磨的关键部位，将不锈钢辅助阴极1固定悬于纺杯2内的凝聚槽内，以便在凝聚槽内形成致密的耐磨层，纺杯杯体与辅助阴极之间的最近距离为10mm(须保证不小于5mm)；不锈钢辅助阴极1与不锈钢槽4电连接负极导线。
步骤3：溶液配置
分别称取10kg Na2SiO3·5H2O、8kg Na2B4O7、2kg KF、3kg CON2H4、5kg C6H15NO3、2kgKOH加入1000升去离子水中，置于不锈钢槽内，搅拌至溶质完全溶解。溶液量能够浸没纺杯。
步骤4：形成耐磨层
本发明采用的电源为非对称双极性脉冲电源。将步骤2中吊装好且与导线保持导通的纺杯及不锈钢辅助阴极放入步骤3配置的溶液中，并将连接制铝合金底座6的导线接电源正极，将放置溶液的不锈钢槽和不锈钢辅助阴极5接电源负极，开启溶液冷却系统，设定溶液温度范围为25-35℃。然后控制电源参数设置为：频率100Hz，占空比50％，启动电源，采用恒压控制，保持正向电流密度为6A/dm2，待正向电压升至410V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度达到4A/dm2，此后维持正负向电流密度不变，因纺杯表面形成金属氧化物耐磨层将使得纺杯表面电阻增大，需要提高正向电压才能维持相应的电流密度不变，当正向电压升至528V时，预计表面耐磨层厚度处于40-50um间，其显微硬度达到Hv1500以上，断开电源，取出纺杯组件，拆卸工装，用水清洗干净，处理过程中保持溶液温度在25-35℃。经检测，铝合金纺杯表面生成的耐磨层主要由α-Al2O3及少量γ-Al2O3组成，耐磨层厚度处于47um，耐磨层显微硬度Hv1651。
上述过程中，纺杯连接电源正极，当正向电流通过时，其表面金属与水电解产生的氧发生反应，形成非晶氧化物，覆盖在金属表面，由于形成的金属氧化物不导电，纺杯表面电阻增大，需要提高电压击穿已形成的氧化膜，才能维持相应的电流密度，促使反应继续进行，随着金属表面氧化层不断增厚，表面电阻不断增大，电压也需要相应不断提高，才能继续击穿氧化膜维持反应。当正向电压达到一定值(360V以上)，在击穿氧化膜的瞬间产生火花放电现象，产生放电现象时的电压与纺杯基体材料成分、溶液成分等因素有关。随着电压的持续上升，电火花遍布整个零件表面，火花放电处温度会瞬间达到数千度，纺杯表层金属及前期形成的氧化物在高温下迅速熔化，金属与水电解产生的氧发生剧烈反应共同形成熔融态的氧化物，在溶液的激冷下氧化物又迅速凝固在纺杯表面，堵塞放电通道，使放电中断，火花熄灭，随着电火花的熄灭，金属及氧化物迅速冷却凝固形成晶态的氧化物耐磨层覆盖整个纺杯表面。电火花在金属表面不断产生、熄灭，耐磨层不断生长增厚。由于经历了高温烧结，因此形成的耐磨层与基体金属呈冶金结合，具有很高的结合强度。
步骤5：表面抛光；
将上述制备得到的纺杯进行抛光，使其表面粗糙度达到Ra＝0.4um左右。
这样就得到了本实施例1的耐磨性高的铝合金纺杯。
实施例2
本实施例2中方法步骤与实施例1相同，所不同的是采用表一所示实施例2对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例2对应的数据所示，不再赘述。
实施例3
本实施例3中方法步骤与实施例1相同，所不同的是采用表一所示实施例3对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例2对应的数据所示，不再赘述。
实施例4
本实施例4中方法步骤与实施例1相同，所不同的是采用表一所示实施例4对应的技术参数，得到的耐磨层也如表一实施例2对应的数据所示，不再赘述。

Claims (6)

1.一种耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，包括以下步骤：
加工纺杯：采用高强铝合金作为基材，进行毛坯锻造后机械加工成所需的纺杯形状，纺杯杯体上部是扩展状的凝聚槽，下部筒形内是装配孔；
配置溶液：选择Na2SiO3·5H2O、Na2B4O7、KF、CON2H4、C6H15NO3和KOH作为溶质，选择去离子水作为溶剂，各溶质的配置浓度为Na2SiO3·5H2O 8-15g/L、Na2B4O7 0.5-15g/L、KF 0.5-15g/L、CON2H4 0.5-5g/L、C6H15NO3 0.5-20g/l、KOH 0.5-3g/L，配置的溶液置于不锈钢槽内，且溶液的配置量需能够浸没纺杯；
吊装：采用吊装装置将铝合金纺杯吊装，纺杯装配孔两端以绝缘材料密封隔绝溶液进入装配孔，将不锈钢辅助阴极(1)固定悬于纺杯(2)内的凝聚槽内，杯体与辅助阴极之间的最近距离≥5mm；铝合金纺杯通过吊装装置中的铝合金底座(6)与正极导线连接，铝合金纺杯与铝合金底座紧密接触实现电连接，不锈钢辅助阴极(1)与不锈钢槽(4)电连接负极导线；
在纺杯表面形成耐磨层：将吊装好的纺杯放入溶液中，完全浸没于液面以下，并将连接铝合金底座(6)的正极导线接电源的正极，将不锈钢槽和辅助阴极(1)电连接电源的负极；控制溶液温度处于20-40℃，启动非对称双极性脉冲电源并采用恒压控制，保持正向电流密度处于2-10A/dm2，待正向电压升至400-420V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于1-6A/dm2，然后维持正负向电流密度不变，当正向电压升至520-540V时，断开电源，拆卸工装，取出纺杯并清洗干净；
用专用设备对纺杯表面进行抛光，使表面粗糙度达到Ra＝0.4um左右，得到耐磨性好的铝合金纺杯成品。
所述铝合金纺杯表面形成的耐磨层膜厚为30-35um、主要成分为晶态α-Al2O3和晶态γ-Al2O3，表面显微硬度达到Hv1500以上。
2.根据权利要求1所述的耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，其特征在于，所述吊装装置包括铝合金底座(6)、氟橡胶垫圈(5)、钛合金螺钉(4)、氟橡胶衬套(3)以及不锈钢阴极(1)；所述铝合金底座(6)由横向基座和其上一体形成的竖向突出圆筒(61)组成，所述圆筒(61)周向间隔分开为若干筒片(611)与纺杯装配孔适配，圆筒内有倒圆台形孔，孔底是通入铝合金底座的内螺纹盲孔；
吊装时，先将氟橡胶垫圈(5)套设于圆筒(61)外底端，再将纺杯装配孔套于圆筒(61)外，且纺杯下端紧压在所述氟橡胶垫圈(5)上，使得纺杯装配孔下端开口密封，然后将所述氟橡胶衬套(3)紧密套设于所述倒圆台形孔中，钛合金螺钉(4)向下穿过所述氟橡胶衬套(3)锁紧于铝合金底座上，使得筒片(611)受到氟橡胶衬套(3)的压力而向外张开紧贴纺杯装配孔、且氟橡胶衬套(3)上部及其上边缘密封在纺杯装配孔上部隔绝溶液进入轴孔。
3.根据权利要求1所述的耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，其特征在于，所述各溶质的配置浓度为Na2SiO3·5H2O 10g/L、Na2B4O7 8g/L、KF 2g/L、CON2H4 3g/L、C6H15NO3 5g/l、KOH2g/L。
4.根据权利要求1所述的耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，其特征在于，所述电源为频率50-2000Hz、占空比50％的非对称双极性脉冲电源。
5.根据权利要求1所述的耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，其特征在于，优选如下参数：控制溶液温度处于25-35℃，设置电源频率在100-200Hz、占空比为50％，保持正向电流密度处于5-6A/dm2，待正向电压升至400-420V时，开始缓慢加载负向电压，使负向电流密度处于3-4A/dm2，然后维持正负向电流密度不变。
6.一种耐磨性好的铝合金纺杯制造方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项的方法制备得到。
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