張一鳴，張?zhí)祠啵芨?，陳志?/p>

(武漢紡織大學(xué)，武漢 430000)

0 引言

我國(guó)是紡織生產(chǎn)大國(guó)，擁有環(huán)錠紡錠數(shù)約1.3億，世界第一。環(huán)錠紡紗機(jī)中，鋼絲圈在鋼領(lǐng)上約以15 kr/min的速度運(yùn)行，一年360 d、24 h連續(xù)不停地干摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)高速紡紗生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。

國(guó)內(nèi)制造鋼領(lǐng)大都采用20鋼鋼板沖軋而成，淺表層C-N共滲，表面硬度約為800 HV，由于制造精度不高，平行度和圓整度差，若采用軋光工藝，經(jīng)C-N共滲熱處理后鋼領(lǐng)變形就更大，一般使用3個(gè)月須拆下回磨修理，使用8～12個(gè)月必須更新。因此，此類鋼領(lǐng)售價(jià)低，壽命最短，紡紗質(zhì)量也較差。

我國(guó)使用較多的國(guó)外鋼領(lǐng)為瑞士布雷克(Br?cker)鋼領(lǐng)，它采用100Cr6軸承鋼，表面有納米級(jí)鉻合金鍍層，抗熱性能佳、抗氧化性能好，錠速由15 kr/min提升到25 kr/min，可連續(xù)使用3 a～5 a，不必回磨修理；又由于易得到納米級(jí)的晶粒，具有較小的表面粗糙度值，使摩擦因數(shù)減小，能獲得良好的穩(wěn)定紡紗氣圈形態(tài)，紡出優(yōu)質(zhì)紗，深受國(guó)內(nèi)紡紗企業(yè)的歡迎，但價(jià)格為國(guó)內(nèi)鋼領(lǐng)的20倍。

電解鍍鉻鋼領(lǐng)在我國(guó)應(yīng)用的歷史已有30多年，最早全面應(yīng)用鍍鉻鋼領(lǐng)的是上海嘉豐棉紡織廠。1977年在江陰召開全國(guó)性的鋼領(lǐng)鍍鉻會(huì)議[1]，使這一新生事物得到肯定，引起全國(guó)紡織科研人員積極展開研究，在鍍液、配方、工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使鍍鉻技術(shù)進(jìn)一步提高，在全國(guó)推廣。近年來在常州與無錫三角區(qū)的鍍鉻工業(yè)園中，采用快速鍍鉻工藝，研究出的催化劑使鉻晶粒更細(xì)小，使鍍鉻鋼領(lǐng)走熟期短，內(nèi)跑道鍍鉻均勻，紡紗質(zhì)量提高，使用周期達(dá)3 a之久，受到紡紗廠歡迎。東華大學(xué)孔永華教授在其文章中指出[2]，瑞士布雷克鋼領(lǐng)表面處理是鍍鉻，這更堅(jiān)定了我國(guó)鍍鉻鋼領(lǐng)發(fā)展的方向，與瑞士布雷克鋼領(lǐng)存在較大差距。

1 氣相沉積納米薄膜技術(shù)在鋼領(lǐng)上鍍氮化鉻

氣相沉積納米薄膜技術(shù)在鋼領(lǐng)上鍍氮化鉻(以下簡(jiǎn)稱“真空納米鍍鉻”)。2006年前后中俄科技年，武漢部分高校受邀交流俄羅斯艦船鍍鉻防銹工藝新技術(shù)。回國(guó)后，結(jié)合多年理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，武漢紡織大學(xué)于2016年下半年開發(fā)出新的納米薄膜氣相沉積設(shè)備，用于鋼領(lǐng)鍍氮化鉻。真空納米薄膜鍍氮化鉻的工作原理：采用磁控濺射及多弧離子鍍技術(shù)時(shí)，抽真空至6×10-3Pa，加溫，開啟電壓600 V～800 V時(shí)，使氬(Ar)、氮?dú)?N2)電離，真空爐內(nèi)產(chǎn)生輝光，開啟計(jì)算機(jī)控制電器柜，整個(gè)操作按設(shè)定的工藝曲線進(jìn)行，如進(jìn)一步金屬表面清潔，金屬表面活化，金屬表面微處理；自動(dòng)調(diào)節(jié)電流、電壓、氣壓以及氮?dú)饬康裙に噮?shù)，在真空爐中Ar、N2離子以高能量轟擊鉻靶的局部區(qū)域，被激烈加熱，鉻被氣化成納米鉻離子并與氮離子化合生成CrN離子，并按磁場(chǎng)中的磁力線向外飛散，這些被轟擊出來的CrN離子，便會(huì)沉積在旋轉(zhuǎn)工夾架的鋼領(lǐng)上。

2 真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)的特性

真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)防銹、耐腐蝕、耐高溫，在約500 ℃時(shí)硬度、表面粗糙度都不變，同時(shí)具有以下優(yōu)良性能。

2.1硬度較高

要提高金屬零部件上的表面硬度及耐磨性，完全靠鍍鉻，包括電鍍硬鉻也是難以提高的，試驗(yàn)證明[3-7]，氮?dú)夂豌t相結(jié)合的CrN可以提高金屬零部件的硬度及耐磨性能，因此我們?cè)谖锢須庀喑练e設(shè)備中，采用磁控鉻靶及多弧離子鍍鉻靶，在真空爐內(nèi)通入氮?dú)?、氬氣使其生成氮化鉻晶薄膜層，以提高鍍鉻硬度。圖1為氮?dú)鈮簭?qiáng)對(duì)CrN薄膜硬度的影響。

圖1 氮?dú)鈮簭?qiáng)對(duì)CrN涂層硬度的影響

從圖1可以看出，N2含量的增加，有利于膜層硬度增大；但N2含量增加到一定時(shí)，再提高會(huì)引起膜層成分和結(jié)構(gòu)的變化，如圖2和圖3所示。

圖2 面心立方結(jié)構(gòu)的CrN

圖3 六角密堆結(jié)構(gòu)的Cr2N

當(dāng)N2含量為33.3%時(shí)，試樣保有一個(gè)相：面心立方結(jié)構(gòu)的CrN，硬度較高；當(dāng)N2含量大于40%，試樣出現(xiàn)六角密堆結(jié)構(gòu)的Cr2N，說明N2含量的改變引起了相的改變，從而引起硬度下降?？梢奛2壓強(qiáng)對(duì)CrN硬度有很大的影響。

據(jù)報(bào)道稱，CrN的顯微維氏硬度可達(dá)2740 HV，而實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣中測(cè)出的CrN的顯微維氏硬度為1900 HV～2200 HV，基本是基體硬度的4～8倍，是Cr硬度的2～3倍。

在滿足紡優(yōu)質(zhì)紗工藝的前提下，應(yīng)盡量提高硬度以達(dá)到延長(zhǎng)鋼領(lǐng)使用壽命的目的。我們將普通鍍鉻鋼領(lǐng)、快速鍍鉻鋼領(lǐng)及真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)用HX-1000型顯微硬度計(jì)檢測(cè)，硬度對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 3種不同鍍鉻鋼領(lǐng)的表面硬度對(duì)比

鋼領(lǐng)類別表面硬度/HV普通鍍鉻831．0快速鍍鉻928．0真空納米鍍鉻959．2

從表1可以看出，真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)有較高的硬度，實(shí)踐檢驗(yàn)其使用壽命達(dá)3 a，甚至更長(zhǎng)。

2.2表面粗糙度小

根據(jù)許多文獻(xiàn)的報(bào)道[2]，瑞士布雷克鋼領(lǐng)與國(guó)產(chǎn)軸承鋼領(lǐng)表面都有鍍鉻層，這是由于鍍鉻層的摩擦因數(shù)小；特別是干摩擦因數(shù)，在所有金屬中是最低的，因此，鍍鉻鋼領(lǐng)具有較小的摩擦因數(shù)。

電解電鍍鋼領(lǐng)由于工藝生產(chǎn)中的“邊角效應(yīng)”導(dǎo)致很高的摩擦因數(shù)，故棉紡廠將電解電鍍鋼領(lǐng)用行星齒輪拋光機(jī)拋光1 h～2 h后再使用，在使用初期，仍需開慢車約3 d，再恢復(fù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但紡紗斷頭仍然較多，值車工勞動(dòng)強(qiáng)度加大。然而采用真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)，只需金相砂布擦拭跑道部分，即可上車使用，開車初斷頭略有增加，運(yùn)行1 h～2 h后即可正常生產(chǎn)。

我們?cè)谀Σ聊p試驗(yàn)機(jī)上測(cè)出如圖4所示的含氮量在35%的CrN薄膜的摩擦因數(shù)曲線圖。

圖4 N2含量為35%的CrN薄膜摩擦曲線

從圖4可以看出，開始出現(xiàn)摩擦因數(shù)μ為0.65的一個(gè)高峰，經(jīng)過約50 s，摩擦因數(shù)μ值下降，這明顯是一個(gè)初期磨合階段，經(jīng)過100 s以后，摩擦因數(shù)μ穩(wěn)定在約0.5，出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)態(tài)磨損階段，這一曲線說明鉻層硬度起主要的作用。該摩擦因數(shù)曲線較小且平穩(wěn)，能滿足紡紗工藝。

2.3附著力高

鍍鉻層與鋼領(lǐng)表面基體結(jié)合力稱“附著力”，是鍍鉻工藝的重要指標(biāo)，我們用WS200型附著力劃痕試驗(yàn)儀測(cè)試膜基結(jié)合力，結(jié)果見表2。

表2 兩種工藝鍍鉻層附著力測(cè)試對(duì)比 單位：N

電解鍍鉻層的工藝[4]晶核的形成主要依靠鉻晶吸附原子，鉻晶與鋼領(lǐng)基體附著力不強(qiáng)，加之電解過程中，放出氫氣等氣體，很容易附在被鍍基體上，使基體與鍍鉻層隔開，有時(shí)會(huì)形成氣泡產(chǎn)生起皮、起泡甚至脫膜，嚴(yán)重影響鍍鉻質(zhì)量。

真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)是由納米級(jí)鉻原子與鋼領(lǐng)表面基體原子，共同組成的無縫過渡層，鉻靶不斷提供納米鉻原子而逐漸生長(zhǎng)成島狀晶體，具有“網(wǎng)狀裂紋”結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)鍍鉻層，從表2可見真空納米鍍鉻層具有牢固的附著力，不會(huì)起皮和脫膜。

2.4表面形貌獨(dú)特

2.4.1表面光亮

電解鍍鉻的表面鍍鉻層(包括硬鍍鉻層和裝飾鍍鉻層)是略帶藍(lán)色調(diào)的銀白色光亮層。而真空納米鍍鉻表面也光亮，不過略偏帶銀白色。

2.4.2表面有更多細(xì)“網(wǎng)絡(luò)裂紋”

從顯微鏡下，可看到電解鍍鉻表面有許多“網(wǎng)絡(luò)裂紋”特征，如圖5和圖6所示；而真空納米鍍鉻有比電解鍍鉻更細(xì)的裂紋，如圖7所示。這說明兩者具有相同的鍍鉻層，也說明后者較電解鍍鉻有更小的納米晶粒，具有較低的摩擦因數(shù)。從圖8也可看出在鋼領(lǐng)上經(jīng)非平衡濺射或多弧離子鍍氣相沉積的沉積鉻層，是由許多微晶和納米晶所構(gòu)成。因此，我們可以說真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)是屬于納米級(jí)的鉻晶結(jié)構(gòu)的納米鍍鉻鋼領(lǐng)。

圖5 真空納米鍍鉻細(xì)小裂紋的表面形貌

圖6 快速電解鍍鉻鋼領(lǐng)微晶表面形貌

圖7 普通電解鍍鉻鋼領(lǐng)粗晶表面形貌

圖8 真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)原子力顯微照片表面形貌

2.5產(chǎn)量高費(fèi)用低且環(huán)保

我們知道電解鍍鉻是采用電解鍍鉻液的工藝[8]，鍍鉻液可分為六價(jià)鍍鉻液和三價(jià)鍍鉻液兩大類。六價(jià)鍍鉻液由鉻酐(CrO3)和少量催化劑硫酸組成。

由于電鍍過程中使用了大量強(qiáng)酸，其中鉻酐是有毒有害化學(xué)品，電解時(shí)其陰、陽極大量析出氫氣以及大量鉻酸濃霧逸出而帶出鉻酸溶液，排放出大量危害環(huán)境和人類健康的廢水、廢氣、廢渣，已屬于限制生產(chǎn)行業(yè)。

真空納米鍍鉻是在真空室內(nèi)，氬氣保護(hù)下進(jìn)行。開啟弧光蒸發(fā)源電流，在純金屬鉻塊的表面出現(xiàn)明亮的弧斑，從而使純金屬鉻蒸發(fā)氣化成等離子體，按磁場(chǎng)中的磁力線向外擴(kuò)散，在爐中與氬氣、氮?dú)怆x子合成為CrN離子，而這些被轟出來的氮化鉻離子沉積在工件表面上，隨著時(shí)間延長(zhǎng)形成鍍鉻層。整個(gè)加工工藝是在密閉的真空室，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行，無有害化學(xué)品和廢液、廢氣、廢渣產(chǎn)生，不會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生危害，是非常環(huán)保的高新技術(shù)。

真空納米鍍鉻工藝，每次可加工500只～1000只鋼領(lǐng)，時(shí)間為2.5 h，而電鍍鍍鉻每次加工72只，時(shí)間為2 h，因而真空納米鍍鉻較電鍍鍍鉻產(chǎn)量高。

真空納米鍍鉻與電解鍍鉻加工費(fèi)用持平或略低，但真空氣相沉積鍍鉻爐的設(shè)備費(fèi)用較高。

3 結(jié)語

3.1鍍鉻鋼領(lǐng)經(jīng)過30 a的發(fā)展，由粗品到細(xì)品，再到納米級(jí)鉻晶，現(xiàn)占領(lǐng)50%的市場(chǎng)份額，但由于電解鍍鉻屬于限制行業(yè)，阻礙了鍍鉻鋼領(lǐng)的發(fā)展；我們開發(fā)的300只多弧離子鍍鍍鉻鋼領(lǐng)設(shè)備及工藝是對(duì)人體健康和環(huán)境無污染的高新技術(shù)，武漢紡織大學(xué)將義不容辭地努力做好示范普及推廣工作。

3.2真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)采用固體鉻金屬原料、無有毒化學(xué)藥品生產(chǎn)工藝，屬于對(duì)人體健康和周圍環(huán)境不產(chǎn)生污染的新工藝技術(shù)。生產(chǎn)產(chǎn)量高，成本低廉，但真空納米氣相沉積爐設(shè)備費(fèi)用高。

3.3由于真空納米鍍鉻鋼領(lǐng)具有硬度高、摩擦因數(shù)小、附著力較高、不起皮、不脫膜、耐高溫以及防銹防腐蝕等性能，因而能抗氧化磨損、抗粘著磨損以及抗疲勞磨損，使用壽命達(dá)3 a，甚至更長(zhǎng)，可替代電解鍍鉻鋼領(lǐng)。

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