纳米金刚石复合镀钢领性能分析

2015-01-05王显方乌军锋

纺织科学与工程学报 2015年3期

王显方，乌军锋，尹勇

(1.陕西工业职业技术学院，陕西咸阳712000;2.咸阳恒亿纺织器材有限公司，陕西咸阳712000)

纳米复合镀技术是一种将纳米微粒加入到化学镀液中，经搅拌均匀地悬浮于镀液中，在通过电镀共沉积形成一层复合镀层。金刚石具有最高的硬度和耐磨性，在镀液中加入纳米金刚石微粒，一方面形成致密的复合电镀层，提高镀层的质量，另一方面提高钢领的硬度和耐磨性，在干摩高温条件下，保持良好的磨损性，提高了钢领使用寿命［1］。

钢领是环锭细纱机加捻、卷绕的关键元件之一，具有易磨损、频繁更换、用量大等特点，与高速运转的钢丝圈形成一对干摩擦副，其性能直接影响纺纱的质量和企业的生产成本［2］。目前，国内钢领普遍采用20低碳钢，经冲压、切削、碳氮、淬火和低温回火等简单的表面处理，使用寿命仅有10个月左右。为了提高钢领耐磨性和纺纱质量，本项目采用纳米复合镀表面处理技术制作了一种钢领，并与普通处理的钢领在物理及力学性能进行对比，在磨损面进行分析，在细纱机上进行纺纱综合试验，期望为我国钢领的进一步研究提供借鉴。

1 制备试样

选用PG1-4254型20#低碳钢经过热处理后的钢领为试样，经过:除油(热碱)—水洗—除锈—水洗—超声波清洗—盐酸活化—水洗—预电镀的预处理工艺。然后放置到用硫酸镍(300g/L)、氯化镍(45g/L)，次磷酸钠(40g/L)、乳酸(25ml/L)、稳定剂(5ml/L)及平均粒径为35nm的金刚石纳米粒子(10g/L～30g/L)组成的混合镀液中，在温度为85℃、pH为5.0条件下，开始复合电镀120min。最终制成纳米复合电镀钢领30个［3］。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能分析

2.1.1 试验仪器与方案

本试验用HXS-1000A型显微硬度计对30个试样表面进行硬度测量，加载质量为200 g，时间为10 s，每个试样测7个点，除去最大值和最小值后取算术平均值。

用采用XJXD-22型悬臂梁冲击试验机，冲击强度执行GB/T1043-93标准，在常温下对30种试样分别进行冲击强度测试。

用济南时代WDW-10型微机控制电子万能试验试验机上，常温下对30种试样分别进行压缩性能测试。

2.1.2 结果与分析

经试验纳米金刚石钢领的显微硬度为900HV，约为普通镀镍钢领的1.5倍;压缩强度为240Mpa，约为普通镀镍钢领的2倍;冲击强度为13.4Mpa，约为普通镀镍钢领的2倍。其主要原因是纳米颗粒弥散分布在镀层中，自身的硬度和强度起到了整体支撑作用，对镀层的强化发挥作用;纳米的小尺寸效应，使镀层金属结合的更加牢固，有效提高镀层视为结合强度，镀层与晶粒间的内应力小，有效避免镀层脱落［4］。

2.2 金相组织观察与分析

分别将上述制得的式样和普通镀镍钢领经中性盐雾72小时腐蚀后，照片见图1:

图1 经中性盐雾72小时腐蚀后的两种钢领金相组织

从图1中可以看到，纳米金刚石钢领的晶粒明显比普通镀镍钢领的晶粒细小。在IPP 6.0软件上利用平面截线法测得纳米金刚石钢领的晶粒平均尺寸为50nm，普通镀镍钢领的晶粒平均尺寸为150nm，参照晶粒度等级与晶粒尺寸图可知，复合镀钢领的晶粒度约为12级，普通镀镍钢领等级约为9级。其原因是纳米晶粒使基体中晶界增多，阻碍了显微裂纹的形成和扩展，提高了基体的强度和韧性，从而使钢领的耐磨性得到提高［5］。

2.3 表面镀层组织观察分析

两种钢领表面镀层形貌见图2所示:

图2 两种钢领表面镀层形貌

由图2(a)可知，纳米金刚石钢领表面层金刚石，可看出，表面镀层与基体的结合处没有较好，没有孔洞、间隙等缺陷，镀层致密均匀。而图(b)的普通镀镍钢领镀层中出现不均匀裂纹，与基体的结合处存在少量间隙。两种钢领表面金相照片见图3:

从图3(a)中可看出纳米金刚石钢领表面没有划痕，却有一定密度和深度的网状沟纹，从图4(b)可知，普通镀镍钢领表面却有较多深的划痕，但是没有网状沟纹。划痕是在抛光处理时由于普通镀镍钢领晶粒直径较大产生的，网状结构有利于存储润滑油，增强了润滑性能。因此具有较高的耐磨损性能［6］。

3 摩擦磨损性能分析

3.1 试验仪器与方案

在MM–200型摩擦磨损试验机上对两种试样表面进行摩擦磨损量试验，测试条件:上环采用硬度为HV850的45#低碳钢，接触表面粗糙度Ra为0.1 μm，下环为纳米金刚石钢领和普通镀镍钢领试样，温度18℃ ～25℃，空气相对湿度30% ～50%。在运行速度为0.1 m/s、载荷为0.65KN条件下，按下式计算摩擦系数［7］:

M-摩擦力矩;F-载荷;r-对磨件半径。

计算结果为:纳米金刚石钢领的平均摩擦系数为0.08，普通镀镍钢领的平均摩擦系数为0.12。分析其原因是:一方面由于纳米颗粒具有极大的比表面积和表面活性，可牢固渗入或吸附摩擦表面，形成一层极薄的固体润滑膜，并在金属表面形成轴承效应，降低摩擦系数;另一方面由于纳米颗粒吸附润滑油，作为第一层供油面，镀层作为第二层供油面，有效避免干摩擦，使摩擦系数降低［8］。

3.2 钢领钢丝圈磨损的类型

钢领与钢丝圈的磨损以热疲劳磨损和粘着磨损为主，是造成钢领失效后纺纱性能衰退和质量下降的主要原因。钢丝圈长期在钢领跑道上高速运转，与钢领的接触面积小，所以接触压应力很高并足以引起塑性变形，且其表面温度升高很快(400℃左右)，严重时表面金属局部软化或熔化，导致接触区发生牢固粘着或焊合，在相对运动情况下粘着点被剪切，塑性材料就会转移到另一个工作面上，结果出现粘着—剪切—再粘着的循环过程，即形成粘着磨损［9］。

3.3 钢领的磨损形态

通过高倍放大1800倍的电镜对两种钢领的磨损面进行分析，如图4所示:

图4 纳米金刚石钢领和普通镀镍钢领磨损形貌照片

由图4(a)可知普通镀镍钢领有明显实物点、块状剥落，有较深的犁沟和划痕，这是由于镍镀层为非晶态结构，硬度较低，抵抗塑性变形能力较差，所以磨损较严重。而图4(b)的纳米金刚石钢领表面划痕和剥落较少，一方面因为纳米金刚石本身硬度较大，受到的剪切力也较小，在磨损过程中承受的载荷较大，嵌入到镀层中的纳米金刚石粒子起到弥散强化作用，增大了镀层抵抗塑性变形的能力。另一方面纳米金刚石粒子分布均匀，可减少摩擦表面的粘着面积，减弱了粘着磨损，降低了摩擦系数［10］。

4 纺纱性能分析

4.1 试验条件

选用经过普通镀镍表面处理的PG1-4254型20#低碳钢钢领和纳米复合镀PG1-4254的钢领各30只，配套钢丝圈FU 10/0型30只，粗纱定量为4.5g/10m，在锭子速度分别为 16000r/min和20000r/min情况下，分别在FA506细纱机相同位置纺制精梳14.5tex纯棉纱，对成纱质量进行对比试验。

4.2 试验用的仪器设备及参数设计

山西经纬FA506细纱机，长岭纺电XT128型单纱强力仪(拉伸速度 500mm/min，夹持长度500mm，预加张力(5±0.5)cN，取30次测试平均值)，YG172毛羽仪(测试长度10 m，测试速度30 m/min，每管测试20次)，在测试温度(20±3)℃，相对湿度(65±3)%下，进行成纱质量对比试验，测试结果如表1所示:

表1 两种钢领纺纱质量对比试验结果

4.3 试验结果与分析

在纺纱过程中，造成纱条毛羽、棉结、断头和飞圈的主要原因是纱条拖着钢丝圈在钢领上高速回转，由于钢丝圈运动不规则跳跃式的滑动，使得纱线受力不稳定，而导致成纱的条干和强力的不匀。由表1可知，在锭速相同时，纳米复合镀钢领较普通钢领的条干CV值和强力均有所降低，细节、粗节和棉结明显下降，毛羽指数减小，成纱强力增加，千锭时断头也得到了明显改善;但当锭子速度较高时，使用普通钢领成纱质量明显恶化，而使用纳米复合镀钢领在高速下使用与低速下相比，成纱各项指标变化不大，故纳米复合镀钢领更能满足高速纺纱生产的要求［11］。