CN108486534A - 一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，包括钽、不锈钢喷丝头本体、过渡层和复合离子膜纳米涂层，所述过渡层设于钽、不锈钢喷丝头本体外侧，复合离子膜纳米涂层设于过渡层外侧，复合离子膜纳米涂层设于出丝面侧，制备工艺包括a工件前处理→b进真空炉→c等离子体清洗→d离子轰击→e沉积过渡层→f复合离子膜纳米涂层→g梯度冷却→h出炉。本发明属于纳米复合涂层技术领域，本方案结构可显著增强钽、不锈钢喷丝头(板)的抗划伤、抗变形、抗磨损性能，提高喷丝头寿命，使孔道内的粗糙度和出丝面的粗糙度得到大幅提高，光洁度提高二个等级，能够完全替代贵金属黄铂合金喷丝头，在大大提升纤维质量的同时，也大幅降低生产成本。

Description

一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构及其制备工艺

技术领域

本发明属于纳米复合涂层技术领域，具体是指一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构及其制备工艺。

背景技术

从我国60年代开始生产黏胶纤维，到目前的涤纶、维纶、睛纶、锦纶、丙纶、氨纶和碳纤维等化学纤维，上述材料已经成为国人日常生活必需品。而喷丝头(或喷丝板)又是化纤纺丝中最精密、最关键的一个部件，它质量的好坏，直接影响到纺丝生产的质量、制成率及成本。相关企业一直不断地改进喷丝头的制作工艺，以适应化纤生产的发展趋势，但由于纤维的品种不同，生产的工艺方法就不同，对于喷丝头的要求就不一样，因此，需要根据不同的技术要求去制作喷丝头。

喷丝头质量好坏的评判，主要涉及两个方面：首先是喷丝头的可纺性。可纺性好的喷丝头非计划换头率低、纺丝周期长、疵点少、纤维质量好，不但制成率得到了提高，而且也降低了生产成本和操作工的劳动强度等；其次，衡量喷丝头质量另一个重要指标，就是喷丝头的使用寿命，要求喷丝头具有抗划伤、抗变形、抗腐蚀的能力。相关企业也一直致力于上述两个方面及降低生产成本的研究。

国内的化纤生产厂家，所使用的喷丝头大部分是钽材、316L不锈钢材料和部分贵金属黄铂合金，前二种材料制作的喷丝头，通过目前所采取的表面处理手段，从纤维质量和可纺性度来衡量，质量都比黄铂合金的喷丝头要差，因此还不能完全替代贵金属黄铂合金的喷丝头。

针对这一情况，相关企业也尝试采用多种表面处理工艺，试图解决这个问题，但到目前为止还没有达到理想效果。现有采用滲氮处理的和镀钽酸锂膜处理的喷丝头，其表面硬度达到了HV 700～800，但在实际纺丝过程中，经常会出现喷丝头堵孔、断裂、出丝面帽脱落等现象，产生漏浆质量事故，这是因为这种表面处理方式，在提高表面硬度的同时，也降低了材料的韧性，因此采用这种方法，已经无法再提高表面处理硬度了，抗划伤、抗变形的性能受到了限制。镀钽酸锂膜的喷丝头，由于它是电化学反应所生成的涂层，在增加表面硬度的同时，也增加了孔道内的粗糙度，直孔孔道的光洁度最高只能达到▽8，虽然出丝面经过抛光处理，抛去了涂层留下过渡层，但表面光洁度也达不到▽10的要求，因为这个原因可纺性就无法提高，也无法达到贵金属黄铂合金喷丝头的效果，纤维的质量就受到制约，尤其在高性能纤维的生产上，矛盾更能显现出来。

要提高纺丝的可纺性，关键是要做到喷丝头的直孔孔道、出丝面的粗糙度达到要求，在不降低基体韧性的基础上，再增加它的表面硬度，使其具备更高的抗变形、抗划伤性能，两者不可缺一，只有具备这两个条件，才能实现纤维质量和使用寿命的提高。

发明内容

为解决上述现有难题，本发明提供了一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构及其制备工艺，本方案钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构可显著增强钽、不锈钢喷丝头(板)的抗划伤、抗变形、抗磨损性能，从而提高了喷丝头的使用寿命，更重要的是使孔道内的粗糙度和出丝面的粗糙度得到了进一步的提高，比现有其他处理方法的光洁度提高了二个等级，优良的可纺性能够完全替代贵金属黄铂合金喷丝头，在大大提升纤维质量的同时，也大幅降低生产成本。制备工艺上设计合理，适配于工业规模化生产。

本发明采取的技术方案如下：本发明钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，包括钽、不锈钢喷丝头本体、过渡层和复合离子膜纳米涂层，所述过渡层设于钽、不锈钢喷丝头本体外侧，复合离子膜纳米涂层设于过渡层外侧，复合离子膜纳米涂层设于钽、不锈钢喷丝头本体的出丝面侧。

进一步地，所述过渡层为Ti过渡层或Cr过渡层。

进一步地，所述复合离子膜纳米涂层为Ti复合离子膜纳米涂层、Cr复合离子膜纳米涂层、Zr纳米涂层、TiAl复合离子膜纳米涂层、TiAlSi复合离子膜纳米涂层、CrAl复合离子膜纳米涂层、CrAlSi复合离子膜纳米涂层的一种。

进一步地，所述钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的厚度为0.2-1.2um之间，对原来喷丝头，板的孔径不产生公差影响，不需要在前期加工时预留孔径的公差，确保了孔径的一致性，从而保证了产品的质量。微孔孔道和出丝面在原有的表面光洁度基础上提高二个等级，涂层抗氧化耐腐蚀。

进一步地，所述过渡层的厚度为0.02-0.12um。

作为优选地，所述钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的表面硬度为HV2000～4000。

进一步地，所述钽、不锈钢喷丝头本体为钽钢喷丝头本体或不锈钢喷丝头本体。当然钽、不锈钢喷丝头本体的材质也可为其他相关钽材质。

本发明还公开了一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的制备工艺，包括a工件前处理→b进真空炉→c等离子体清洗→d离子轰击→e沉积过渡层→f复合离子膜纳米涂层→g梯度冷却→h出炉，具体步骤如下：

a工件前处理：工件是指材质为钽、不锈钢的喷丝头，在其加工制作完成后，因加工制作过程、环境或人为等因素，导致其表面含有油污、杂质、垃圾，需将其在除油溶液和除杂质溶液中，分别超声波清洗5-30分钟，去除表面油污和其它的附着物，再放入酒精或丙酮中超声波清洗5-20分钟，最后放入干燥烘箱里烘干，烘烤温度80-150℃，烘烤时间10-30分钟，完毕后，将工件装入专用治具后，并及时装入涂层设备的真空炉内，以减少工件再次受到污染的几率；

b进真空炉：当工件放入真空炉以后，进行抽真空及升温，真空抽到10×10^-3Pa，温度150-400℃，保温10-30分钟；

c等离子体清洗：向真空炉内通高纯Ar气体，通过气体流量控制系统，将炉内压力控制在2-5Pa，开启偏压电源，电压300-800V，占空比20％-80％，进行辉光放电清洗，清洗时间为15-30分钟，延长清洗时间，可提高清洗效果；

d离子轰击：将偏压调整为400-800V，占空比20％-80％，开启Ti或Cr靶材，靶电流40-80A，离子轰击1-3分钟；

e沉积过渡层：通过调整Ar流量，将炉内真空值调整为0.4-0.8Pa，迅速将偏压电源电压调整为80-250V，占空比调整为20-60％，保持开启Ti或Cr靶材，靶电流40-60A，沉积5-15分钟；

f复合离子膜纳米涂层：偏压电源的电压及占空比保持原有状态不变，通入高纯N₂气体，真空炉内气压0.4-0.8Pa，开启Ti、Cr、Zr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi中的一种靶材，靶电流40-60A，涂层时间10-15分钟；然后通入高纯Ar气体，关闭高纯N₂气体，涂层时间1-2分钟；再开启高纯N₂气体，关闭高纯Ar气体，涂层10-15分钟，如此循环；在涂层后段10-30分钟内，适当通入10-30sccm甲烷或乙炔，总涂层时间40-120分钟；涂层结束时，关闭弧电源、偏压电源及工艺气源；

g梯度冷却：控制降温速率，在2小时内，使工件冷却至100℃以下；

h出炉：关闭相关真空泵阀门，放真空，将工件从炉内取出。

采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本方案钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构可以显著增强钽、不锈钢喷丝头(板)的抗划伤、抗变形、抗磨损性能，从而提高了喷丝头的使用寿命，更重要的是使孔道内的粗糙度和出丝面的粗糙度得到了进一步的提高，比现有其他处理方法的光洁度提高了二个等级，优良的可纺性能够完全替代贵金属黄铂合金喷丝头，在大大提升纤维质量的同时，也大幅降低生产成本，具有很好的经济效益。

本发明制备工艺设计合理，适配于工业规模化生产，在真空炉内通过电弧放电发热使金属靶发热蒸发，靶材受热由固态变为带电离子态，同时配合多种高纯度反应气体，在脉冲偏压电场的作用下使带电离子加速沉积在钽、不锈钢喷丝头(板)上。采用低温涂层的工艺不会导致工件受热变形，原材料可采用Cr、Ti、Zr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi等金属靶材，以及氮气、氩气、甲烷、乙炔等高纯工艺气体，复合靶材的原子比例可以根据工艺要求定制，通过调整反应气体的流量比例、磁场、电场、电流，在综合的工艺作用条件下，在钽、不锈钢喷丝头上生成全新的纳米复合涂层。

本发明能够有效地解决了化纤纺丝中出现的质量问题，达到了可纺性良好的目的，提高了产品的质量和制成率，降低了损耗提高了经济效益。

附图说明

图1为本发明应用于钽、不锈钢喷丝头、板孔道(导孔、微孔)膜层放大剖面示意图；

图2为本发明应用于钽喷丝头、板膜层放大剖面示意图；

图3为本发明应用于不锈钢喷丝头整体结构示意图。

其中，1、钽、不锈钢喷丝头本体，2、过渡层，3、复合离子膜纳米涂层。

具体实施方式

下面结合具体实施对本专利的技术方案作进一步详细地说明，本发明所述的技术特征或连接关系没有进行详细描述的部分均为采用的现有技术。

以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1-3所示，本发明钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，包括钽、不锈钢喷丝头本体1、过渡层2和复合离子膜纳米涂层3，所述过渡层2设于钽、不锈钢喷丝头本体1外侧，复合离子膜纳米涂层3设于过渡层2外侧，复合离子膜纳米涂层3设于钽、不锈钢喷丝头本体1的出丝面侧。

其中，过渡层2为Ti过渡层或Cr过渡层。复合离子膜纳米涂层3为Ti复合离子膜纳米涂层、Cr复合离子膜纳米涂层、Zr复合离子膜纳米涂层、TiAl复合离子膜纳米涂层、TiAlSi复合离子膜纳米涂层、CrAl复合离子膜纳米涂层、CrAlSi复合离子膜纳米涂层的一种。钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的厚度为02.-1.2um。过渡层2的厚度为0.02-0.12um。钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的表面硬度为HV2000～4000。钽、不锈钢喷丝头本体1为钽钢喷丝头本体或不锈钢喷丝头本体。

参照图2和3结构所示，本发明的用于钽、不锈钢喷丝头，板表面的纳米复合离子镀膜处理方法，实施例如下：

步骤1，将钽材(片)或316L不锈钢板材根据不同的图纸技术要求加工成不同形状大小的喷丝头(板，)再通过精密加工制成不同孔径孔数的喷丝头(板)。

步骤2，工件镀膜前的清洗，用超声波清洗机先后进行市水洗→纯水洗→酒精洗→烘干，去除工件中的灰尘杂物。

步骤3，进真空炉，当工件放入真空炉内以后，进行抽真空及升温，真空抽到10×10^-3Pa，温度150-400℃保温10-30分钟。

步骤4：等离子清洗，向真空炉内通入高纯Ar气体，通过气体流量控制系统，将炉内压力控制在2-5Pa，开启偏压电源，电压为300-800V，占空比20％-80％，进行辉光放电清洗，清洗时间为15-30分钟，延长清洗时间可提高清洗效果。

步骤5:离子轰击，将偏压调整为400～800v,占空比20％～80％，开启Ti(或Cr)靶材，靶电流40～60A,离子轰击1～3分钟。

步骤6，沉积过渡层，通过调整Ar气体流量将真空值调整为0.4-0.8pa，迅速将偏压电源电庄调整为80-250V，占空比20％-80％，保持开启Ti(或Cr)靶材，靶材电流40-60A，沉积5～15分钟。

步骤7：复合离子膜纳米涂层的纳米镀层，偏压电源的电压及占空比保持原有状态不变，通过高纯N₂气体，真空炉内气压0.4-0.8pa，开启Ti(或Cr,Zr,TiAL,TiAISi,CrAI,CrAISi等)靶材，靶电流40～60A，涂层时间10-15分钟，然后通入高纯Ar气体涂层10-15分钟，如此循环，在涂层后段10-30分钟内适当通入10-30Sccm甲烷或乙炔，总涂层时间40-120分钟，涂层结束关闭弧电源偏压电源及工艺气源。

步骤8，梯度冷却，控制降温率，在2小时内使工件冷却至100％以下，出炉关闭相关真空气阀，放真空将工件从炉内取出。

经过纳米涂膜处理后的钽，不锈钢喷丝头、板在表面生成0.2-0.12um厚复合离子膜，表面硬度HV2000-4000(采用美国Agilent公司型号NANO.lndente.G200型纳米压痕仪，压头为Beykpvicno.检测)，表面粗糙度▽12光亮超镜面，孔道内壁光洁度在原来的基础上提高了2个等级，涂层抗腐蚀抗氧化，无需再进行任何加工工序即完成。

纳米涂膜处理的钽、不锈钢喷丝头(板)和其它表面处理的喷丝头，板纺丝效果对比见下表1:

从表1所见，使用本发明纳米涂膜处理的钽、不锈钢喷丝头(板)在纺丝中，可以使换头率、毛丝率更低，成品一等率更加提高。

本发明的纳米涂膜喷丝头(板)的膜层厚度只有0.2-0.12um之间，对原来喷丝头，板的孔径不产生公差影响，不需要在前期加工时预留孔径的公差，确保了孔径的一致性，从而保证了产品的质量。

表2是本发明的纳米涂膜钽喷丝头(板)和其它方法处理的硬度对比:

本发明的纳米涂膜钽，不锈钢喷丝头(板)，表面硬度从过渡层和膜层表面都大大超过用其它方法处理的喷丝头(板)，从而更增加了喷丝头(板)的抗划伤，抗变形，抗磨损的性能，本发明虽然提高了硬度但是不会产生断裂开缝的现象提高了喷丝头(板)的使用寿命。本发明的纳米涂膜处理的复合离子膜层改变了分子结构的排列，过渡层亲和性好膜层表面硬度高但是不破坏喷丝头(板)本体材金属结构因此达到了使用寿命长要求，膜层的光洁度达到▽12超镜面，不需要再进行抛光等工序处理，避免了涂膜后在再加工中出现的影响质量问题提高了功效，膜层表面光洁度的提高同时孔道内壁光洁度可以在原有的基础上提高二个以上等级，不会出现毛刺，孔道中的毛刺问题就得到了彻底解决，让可纺丝得到了大大的提高，就可以同黄铂合金喷丝头媲美，实现了替代贵金属黄铂合金喷丝头(板)的目的。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造。

Claims (8)

1.一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，其特征在于：包括钽、不锈钢喷丝头本体、过渡层和复合离子膜纳米涂层，所述过渡层设于钽、不锈钢喷丝头本体外侧，复合离子膜纳米涂层设于过渡层外侧，复合离子膜纳米涂层设于钽、不锈钢喷丝头本体的出丝面侧。

2.根据权利要求1所述的一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，其特征在于：所述过渡层为Ti过渡层或Cr过渡层。

3.根据权利要求1所述的一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，其特征在于：所述复合离子膜纳米涂层为Ti复合离子膜纳米涂层、Cr复合离子膜纳米涂层、Zr复合离子膜纳米涂层、TiAl复合离子膜纳米涂层、TiAlSi复合离子膜纳米涂层、CrAl复合离子膜纳米涂层、CrAlSi复合离子膜纳米涂层的一种。

4.根据权利要求1所述的一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，其特征在于：所述钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的厚度为0.2-1.2um。

5.根据权利要求1所述的一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，其特征在于：所述过渡层的厚度为0.02-0.12um。

6.根据权利要求1所述的一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，其特征在于：所述钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的表面硬度为HV2000～4000。

7.根据权利要求1所述的一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构，其特征在于：所述钽、不锈钢喷丝头本体为钽钢喷丝头本体或不锈钢喷丝头本体。

8.一种钽、不锈钢喷丝头纳米复合涂层结构的制备工艺，其特征在于，包括a工件前处理→b进真空炉→c等离子体清洗→d离子轰击→e沉积过渡层→f复合离子膜纳米涂层→g梯度冷却→h出炉，具体步骤如下：

a工件前处理：工件是指材质为钽、不锈钢的喷丝头，在其加工制作完成后，因加工制作过程、环境或人为因素，导致其表面含有油污、杂质、垃圾，需将其在除油溶液和除杂质溶液中，分别超声波清洗5-30分钟，去除表面油污和其它的附着物，再放入酒精或丙酮中超声波清洗5-20分钟，最后放入干燥烘箱里烘干，烘烤温度80-150℃，烘烤时间10-30分钟，完毕后，将工件装入专用治具后，并及时装入涂层设备的真空炉内，以减少工件再次受到污染的几率；

b进真空炉：当工件放入真空炉以后，进行抽真空及升温，真空抽到10×10^-3Pa，温度150-400℃，保温10-30分钟；

c等离子体清洗：向真空炉内通高纯Ar气体，通过气体流量控制系统，将炉内压力控制在2-5Pa，开启偏压电源，电压300-800V，占空比20％-80％，进行辉光放电清洗，清洗时间为15-30分钟，延长清洗时间，可提高清洗效果；

d离子轰击：将偏压调整为400-800V，占空比20％-80％，开启Ti或Cr靶材，靶电流40-80A，离子轰击1-3分钟；

e沉积过渡层：通过调整Ar流量，将炉内真空值调整为0.4-0.8Pa，迅速将偏压电源电压调整为80-250V，占空比调整为20-60％，保持开启Ti或Cr靶材，靶电流40-60A，沉积5-15分钟；

f复合离子膜纳米涂层：偏压电源的电压及占空比保持原有状态不变，通入高纯N₂气体，真空炉内气压0.4-0.8Pa，开启Ti、Cr、Zr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi中的一种靶材，靶电流40-60A，涂层时间10-15分钟；然后通入高纯Ar气体，关闭高纯N₂气体，涂层时间1-2分钟；再开启高纯N₂气体，关闭高纯Ar气体，涂层10-15分钟，如此循环；在涂层后段10-30分钟内，适当通入10-30sccm甲烷或乙炔，总涂层时间40-120分钟；涂层结束时，关闭弧电源、偏压电源及工艺气源；

g梯度冷却：控制降温速率，在2小时内，使工件冷却至100℃以下；

h出炉：关闭相关真空泵阀门，放真空，将工件从炉内取出。