CN110359018B - 高速耐磨钢领的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速耐磨钢领的加工工艺，包括热处理工艺和表面处理工艺；所述热处理工艺为：采用等温淬火工艺对高碳合金钢钢领基体进行热处理；所述表面处理工艺为：采用微弧真空离子镀膜方法对经热处理后的高碳合金钢钢领基体进行表面镀层处理，所述高碳合金钢钢领基体从下到上依次镀有Cr层、CrN层和MoS2层或DLC层。采用本发明的加工工艺获得的高速耐磨钢领具有很好的耐磨性和抗腐蚀性，表面光滑，走熟期短。

Description

高速耐磨钢领的加工工艺
技术领域
本发明属于纺纱钢领的加工技术领域，具体涉及一种高速耐磨钢领的加工工艺。
背景技术
钢领是纺纱过程中的重要部件之一，它与钢丝圈形成了一对摩擦副。其几何尺寸、加工精度和表面质量直接影响了纺纱的质量和使用寿命。
传统的纺纱用钢领多采用国产材料和较为落后的加工设备和工艺以及电镀硬铬表面处理工艺。其尺寸精度低(圆度大于0.16mm)、表面粗糙度大(Ra3.2左右)、镀层摩擦系数大(大于0.2)、耐磨性差、运转速度小于15000rpm等。
传统钢领走熟期为1个月左右，使用寿命为1-3年，对纺纱质量有很大的影响，如毛羽、棉结、条干或飞圈增加等众多生产问题，已经不能满足当前及未来高速度、长使用寿命的纺纱要求。
此外，纺纱企业要生存和发展，面对资源和生产成本的增加，必须提高纺纱效率和纺纱品质、减少次品率和提高产品附加值。因此，对钢领的使用性能提出了更高的要求：上车走熟期短、使用寿命长(6年以上)、速度高(18000rpm)、飞圈少、抗摩擦、耐磨损、耐腐蚀性能强，从而提高生产质量，降低使用和维护成本。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高速耐磨钢领的加工工艺，以解决现有的钢领上车走熟期长、使用寿命短、速度低，耐腐蚀剂抗磨性能差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高速耐磨钢领的加工工艺，包括热处理工艺和表面处理工艺；
所述热处理工艺为：采用等温淬火工艺对高碳合金钢钢领基体进行热处理；
所述表面处理工艺为：采用微弧真空离子镀膜方法对经热处理后的高碳合金钢钢领基体进行表面镀层处理，所述高碳合金钢钢领基体从下到上依次镀有Cr层、CrN层和MoS2层或DLC层。其中，所述Cr层的厚度为5-10μm，所述CrN层的厚度为5-6μm，所述MoS2层或DLC层的厚度为1-2μm。碳合金钢钢领基体表面涂层总厚度超过10μm。Cr层和CrN层起到耐磨防腐功能，MoS2层或DLC层起减磨功能，具有自润滑特性。其中，优选为MoS2涂层；由于DLC膜层较硬，钢领在运行过程中存在不均匀磨损，DLC涂层一旦出现不均匀磨损，在高速状态下，钢丝圈在上面运行跳动加剧，反而加速钢领磨损，严重导致纱线质量问题；而MoS2属于软质自润滑涂层，即使出现不均匀磨损，也不会对钢丝圈的运行造成阻力，且磨损掉的MoS2会转到钢丝圈上，进一步较少了钢丝圈钢领的磨损，从而延长使用寿命。
进一步，所述热处理工艺包括淬火处理和盐浴处理，先将高碳合金钢钢领基体在780-840℃下进行淬火处理，保温20-30min；然后在240-280℃下进行盐浴处理，保温60-120min，自然冷却20-30min后进行清洗。
进一步，所述表面处理工艺中采用微弧真空离子镀膜方法进行表面镀层的具体操作方法如下：
(1)使用前级泵粗抽镀膜室的真空度至10×100Pa；
(2)打开高真空阀精抽镀膜室的真空度至4×10-4Pa；
(3)开启靶电源，向镀膜室内通入氩气，沉积Cr层，Cr靶电流7～8A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，沉积时间为1～1.5h；然后通入氮气，沉积CrN层，Cr靶电流6.5～7.5A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，氮气流量50～100sccm，沉积时间为1.5～2h；沉积MoS2层，Cr靶电流0.2～0.3A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，MoS2靶电流5.5～6.5A，频率300～500Hz，占空比20％～50％，沉积时间为2.5～3h；或者沉积DLC层，Cr靶电流0.2～0.3A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，C靶电流5～6A，频率300～500Hz，占空比10％～20％，沉积时间为2.5～3h。
(4)关闭靶电源，关闭气体流量计。
微弧真空离子镀膜技术集中了磁控溅射、多弧离子镀的优点，克服了多弧离子镀加工温度高，表面粗糙度大的缺点；避免了磁控溅射内应力大、镀层薄、且易剥落、附着力差的缺点。微弧真空离子镀涂层镀速快，结合力好，加工温度低(150℃以下)、绕镀性能好等优点。涂层硬度较高，具有很好的耐磨性，表面光滑，走熟期短，钢领运转速度大于18000rpm，使用寿命达到6-10年。
进一步，所述高碳合金钢为轴承钢，优选为GCr15。
进一步，以高碳合金钢为原料，经下料-冲压-车床车削加工-热处理-研磨机加工底平面及顶平面-磨床加工内外跑道-粗抛光-表面处理-研磨抛光得到高速耐磨钢领。
进一步，所述粗抛光采用行星抛光机，磨料由质量比为3:1:1的三角棕刚玉3*8mm：圆柱高频瓷
Figure GDA0002196172660000031
圆形高频瓷
Figure GDA0002196172660000032
组成，所述磨料的加入量为200-300kg，抛光时间为4-8h。
进一步，所述研磨抛光采用的磨料为核桃砂，其大小为12#-8#，加入量为25-20kg，每公斤所述核桃砂添加1-5g甘油或凡士林，抛光时间为2-4h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明高速耐磨钢领的加工工艺通过采用淬/回火一体化盐炉对高碳合金钢进行等温淬火处理，以及采用微弧真空离子镀膜方法对经热处理后粗抛光的高碳合金钢钢管进行表面镀层处理，同时配合采用先进、精密的加工设备控制钢领的几何形状尺寸，使得制备的钢领涂层硬度较高，具有很好的耐磨性和抗腐蚀性，表面光滑，走熟期短，钢领运转速度大于18000rpm，使用寿命达到6-10年。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的高碳合金钢钢领微弧离子镀层与镀硬铬层磨损对比图；
图2为采用本发明工艺制备的高碳合金钢钢领与现有钢领的摩擦系数对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明方法进行详细说明。本发明中的DLC为类金刚石；本发明中采用的淬/回火一体化盐炉的型号为瑞士P80精密热处理盐炉，微弧真空离子镀膜技术采用的仪器MAIP-GL-19设备，粗抛光采用的行星抛光机的型号为XP6-48，研磨抛光采用的德国精密抛光机型号为TP50J-G。
实施例1
一种高速耐磨钢领的加工工艺，以高碳合金钢GCr15为原料，经自动管料下料-自动冲压-高精度数控车床车削加工-精密热处理-高精度研磨机加工底平面及顶平面-磨床加工内外跑道-粗抛光-表面处理-研磨抛光等多个工序得到高速耐磨钢领。
自动管料下料：采用编程控制下料的长度尺寸(13.5-13.6mm)及批量一致性，给后续的冲压工艺提供更好的精度控制，保证了冲压模具的使用寿命和冲压批次尺寸的稳定性及良好率。
自动冲压：采用自动连续冲压，一次冲压完成，其精度保证在0.2-0.3mm，替代过去的冲孔、落料、克平三道工序。
高精度数控车削加工：采用自主研究开发的五联数控内外圆数控车床生产线，对钢领进行精密加工，车削转速为1500rpm左右，加工精度≤0.05mm；设计优质合金成型刀具，排削性能好，防止铁屑对钢领的损失。采用高速水压断屑方式，进一步保证了排屑性能，同时对刀具及钢领进行冷却，杜绝了钢领的退火软化，延长刀具的使用寿命。
热处理工艺为：采用淬/回火一体化盐炉对高碳合金钢GCr15进行等温淬火工艺，包括淬火处理和盐浴处理，先将高碳合金钢GCr15基体装炉，并在780℃下进行淬火处理，保温20min；然后在240℃下进行盐浴处理，保温60min，自然冷却20min后，在80℃下对热处理后的高碳合金钢GCr15进行清水清洗，时间为1min。
本发明采用淬/回火一体化盐炉对高碳合金钢GCr15进行等温淬火处理，替代油淬火，极大的提高了产品一次合格率(100％)，加工效率高，热处理变形量小于1％，保证了跑道圆度变形精度(0-0.01mm)；金相组织从过去的M4提高到M1-2，为长寿命钢领提供了有力的保证。
高精密研磨机加工底平面及顶平面：采用数控双端面磨床，对钢领的上下端面进行精密研磨，其磨削精度保证在0.01mm范围内。
高精密磨床加工内外跑道：使用自行设计的金刚石砂轮，保证加工精度≤0.01mm；采用大流量液体冷却方式，防止了钢领在磨削过程的烧伤。
粗抛光：采用行星抛光机，磨料由质量比为3:1:1的三角棕刚玉3*8mm：圆柱高频瓷
Figure GDA0002196172660000061
圆形高频瓷
Figure GDA0002196172660000062
组成，磨料的加入量为200-300kg，抛光时间4-8h；得到的钢领表面粗糙度Ra≦0.1。
表面处理工艺为：采用微弧真空离子镀膜方法对经热处理后粗抛光的高碳合金钢GCr15进行表面镀层处理，高碳合金钢GCr15基体从下到上依次镀有Cr层、CrN层和MoS2层。所述Cr层的厚度为5μm，所述CrN层的厚度为5μm，所述MoS2层的厚度为1μm。
其中，微弧离子镀镀膜条件：真空度抽至4×10-4Pa，温度<150℃。每一层的沉积参数：Cr底层：Cr靶电流7～8A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，沉积时间为1h；CrN层：Cr靶电流6.5～7.5A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，氮气流量50～100sccm，沉积时间为1.5h；MoS2层：Cr靶电流0.2～0.3A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，MoS2靶电流5.5～6.5A，频率300～500Hz，占空比20％～50％，沉积时间为为2.5h。
表面处理工艺中采用微弧真空离子镀膜方法进行表面镀层的具体操作方法如下：
(1)使用前级泵粗抽镀膜室的真空度至10×100Pa；
(2)打开高真空阀精抽镀膜室的真空度至4×10-4Pa；
(3)向镀膜室内通入氩气，气流量100cssm，打开Cr靶电源，靶电流0.2～0.3A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，偏压500～600V，占空比70％～80％，离子刻蚀20～30min；
(4)氩气流量50sccm，Cr靶电流7～8A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，Cr打底层1～1.5h；
(5)氮气流量由0～50sccm渐变通入，Cr靶电流由7～8A渐变至6.5～7.5A，渐变时间5min，维持20min，氮气流量由50～100sccm渐变通入，渐变时间10min，维持1.5～2h；
(6)MoS2层，Cr靶电流渐变降至0.2～0.3A，打开C靶电源，靶电流由0渐变至5.5～6.5A，渐变时间15min，频率300～500Hz，占空比20％～50％，沉积时间2.5～3h；
(7)关闭靶电源，关闭气体流量计，完成。
研磨抛光：表面处理后的钢领还存在少量的附着物，采用德国精密抛光机进行研磨抛光，其磨料为核桃砂，其大小为12#-8#，加入量为25-40kg，每公斤所述核桃砂添加1-5g甘油或凡士林，抛光时间为2-4h，抛光后钢领表面粗糙度到达Ra0.05，具有自润滑效果，大大减少上车走熟期。
图1给出了镀硬铬层与微弧离子镀磨损对比图，a为镀硬铬，b为微弧离子镀Cr+CrN+MoS2。从图中可以看出，在相同磨损条件下，微弧离子镀的磨损量较小，900min时，镀硬铬的磨损量是微弧离子镀的6倍左右；而镀硬铬钢领的一般使用寿命为1.5-2年，则表明，微弧离子镀的寿命为8-10年。
此外，为了对比采用本发明提供的加工工艺与现有的加工方法所制备的钢领的摩擦系数的大小，对不同涂层的摩擦系数进行了测定，结果如图2所示，图中，A为碳膜掺Cr涂层，B为碳膜掺TiN涂层，C为碳膜掺CrN涂层，D为MoS2涂层，E为DLC涂层，从图中可以明显得出，MoS2涂层和DLC涂层的摩擦系数明显小于前三者的摩擦系数，因而，在高碳合金钢GCr15基体最外层镀MoS2涂层或者DLC涂层可以大大减少上车走熟期，提高钢领的运转速度。虽然DLC涂层的摩擦系数小于MoS2涂层，但是由于DLC膜层较硬，钢领在运行过程中存在不均匀磨损，DLC涂层一旦出现不均匀磨损，在高速状态下，钢丝圈在上面运行跳动加剧，反而加速钢领磨损，严重导致纱线质量问题；而MoS2属于软质自润滑涂层，即使出现不均匀磨损，也不会对钢丝圈的运行造成阻力，且磨损掉的MoS2会转到钢丝圈上，进一步较少了钢丝圈钢领的磨损，从而延长使用寿命。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：热处理工艺为：采用淬/回火一体化盐炉对高碳合金钢GCr15进行等温淬火工艺，包括淬火处理和盐浴处理，先将高碳合金钢GCr15基体装炉，并在840℃下进行淬火处理，保温30min；然后在280℃下进行盐浴处理，保温120min，自然冷却30min后，在80℃下对热处理后的高碳合金钢GCr15进行清水清洗，时间为3min。
表面处理工艺中Cr层的厚度为10μm，沉积时间为1.5h；CrN层的厚度为6μm，沉积时间为2h；DLC层的厚度为2μm，Cr靶电流0.2～0.3A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，C靶电流5～6A，频率300～500Hz，占空比10％～20％，沉积时间为3h。
其他处理工艺和处理条件与实施例1相同。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：热处理工艺为：采用淬/回火一体化盐炉对高碳合金钢GCr15进行等温淬火工艺，包括淬火处理和盐浴处理，先将高碳合金钢GCr15基体装炉，并在800℃下进行淬火处理，保温25min；然后在260℃下进行盐浴处理，保温100min，自然冷却25min后，在80℃下对热处理后的高碳合金钢GCr15进行清水清洗，时间为2min。
表面处理工艺中Cr层的厚度为7.5μm，沉积时间为1h；CrN层的厚度为5.5μm，沉积时间为1.5h；MoS2层的厚度为1.5μm，沉积时间为2.5h。
其他处理工艺和处理条件与实施例1或实施例2相同。
此外，本发明高碳合金钢还可以为其它型号的轴承钢，例如：100Gr6、9Gr18MoV。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种高速耐磨钢领的加工工艺，其特征在于，包括热处理工艺和表面处理工艺；
所述热处理工艺为：采用等温淬火工艺对高碳合金钢钢领基体进行热处理；所述热处理工艺包括淬火处理和盐浴处理，先将高碳合金钢钢领基体在780-840℃下进行淬火处理，保温20-30min；然后在240-280℃下进行盐浴处理，保温60-120min，自然冷却20-30min后进行清洗；
所述表面处理工艺为：采用微弧真空离子镀膜方法对经热处理后的高碳合金钢钢领基体进行表面镀层处理，所述高碳合金钢钢领基体从下到上依次镀有Cr层、CrN层和MoS2层或DLC层；所述Cr层的厚度为5-10μm，所述CrN层的厚度为5-6μm，所述MoS2层或DLC层的厚度为1-2μm。
2.根据权利要求1所述的高速耐磨钢领的加工工艺，其特征在于，所述表面处理工艺中采用微弧真空离子镀膜方法进行表面镀层的具体操作方法如下：
(1)使用前级泵粗抽镀膜室的真空度至10×100Pa；
(2)打开高真空阀精抽镀膜室的真空度至4×10-4Pa；
(3)开启靶电源，向镀膜室内通入氩气，沉积Cr层，Cr靶电流7～8A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，沉积时间为1～1.5h；然后通入氮气，沉积CrN层，Cr靶电流6.5～7.5A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，氮气流量50～100sccm，沉积时间为1.5～2h；沉积MoS2层，Cr靶电流0.2～0.3A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，MoS2靶电流5.5～6.5A，频率300～500Hz，占空比20％～50％，沉积时间为2.5～3h；或者沉积DLC层，Cr靶电流0.2～0.3A，频率100～200Hz，占空比5％～10％，C靶电流5～6A，频率300～500Hz，占空比10％～20％，沉积时间为2.5～3h；
(4)关闭靶电源，关闭气体流量计。
3.根据权利要求1所述的高速耐磨钢领的加工工艺，其特征在于，所述高碳合金钢为轴承钢。
4.根据权利要求1-3任一所述的高速耐磨钢领的加工工艺，其特征在于，以高碳合金钢为原料，经下料-冲压-车床车削加工-热处理-研磨机加工底平面及顶平面-磨床加工内外跑道-粗抛光-表面处理-研磨抛光得到高速耐磨钢领。
5.根据权利要求4所述的高速耐磨钢领的加工工艺，其特征在于，所述粗抛光采用行星抛光机，磨料由质量比为3:1:1的三角棕刚玉3*8mm：圆柱高频瓷
Figure FDA0002869695720000021
圆形高频瓷
Figure FDA0002869695720000022
组成，所述磨料的加入量为200-300kg，抛光时间为4-8h。
6.根据权利要求4所述的高速耐磨钢领的加工工艺，其特征在于，所述研磨抛光采用的磨料为核桃砂，其大小为12#-8#，加入量为25-40kg，每公斤所述核桃砂添加1-5g甘油或凡士林，抛光时间为2-4h。
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