关键词：磁控溅射;;氮化钛;;薄膜;;钢领;;减摩
摘 要：钢领作为环锭细纱机的一个重要零件,在不同型号环锭细纱机上的用量在600~1200个之间,年消耗量接近一亿个,钢领表面的减摩性能直接关系到纺纱质量和生产效率。国际上先进纺纱企业采用的钢领表面摩擦系数、粗糙度低,纺纱锭速可达到25000 r/min,使用寿命两年以上,但生产成本较高。国内纺纱企业多使用普通碳钢或合金钢钢领,钢领表面摩擦系数高,纺纱锭速为15000 r/min,纺纱效率低,高锭速下纱线毛羽值、断头率较高,纺纱质量差。因此研究钢领的减摩性能对提高纺纱锭速和改善纺纱质量有着重要的意义。本研究以102Cr17Mo不锈钢抛光钢领为研究对象,采用磁控溅射技术对钢领表面进行镀膜改善减摩耐磨性。以现有试验设备条件要求选择试验靶材,从溅射自润滑软膜、硬膜两个角度考虑,试验设计三种镀膜方案:铬膜层、自润滑石墨膜层、氮化钛硬质膜层。经过大量试验对比分析:磁控溅射镀铬膜层摩擦系数降低到0.6左右,与电镀铬钢领差异不大,但膜基结合力强;石墨镀层膜基结合力小,减摩耐磨效果差;TiN镀层减摩耐磨性能良好但结合力需进一步提高。为实现减摩耐磨性与膜基结合力的同时提高,综合分析镀膜方案采用以铬为基底过渡层的Cr/TiN双层膜方案。研究Cr/TiN膜层摩擦系数与试验变量的关系,以影响膜层摩擦系数的主要因素(氮气流量、镀膜时间、镀膜功率和炉内温度)设计正交试验,探究四个主要影响因素和膜层摩擦系数的关系,由得出的摩擦系数变化曲线和正交试验极差值分析对比得到不同因素影响下Cr/TiN薄膜减摩性能的变化趋势,试验变量对膜层减摩性能影响程度由大到小依次为氮气流量、镀膜时间、镀膜功率和炉内温度。由正交试验中影响因素数据综合分析得到的最低摩擦系数为0.344。对最主要影响因素氮气流量进行单因素试验,分析Cr/TiN双层膜减摩效果。采用扫描电子显微镜、能谱仪、XRD对Cr/TiN膜层的表面形貌、原子构成、膜层晶粒取向变化进行检测分析,氮气流量为20 sccm时,TiN主要为(200)择优取向,能谱曲线图中氮原子与钛原子的个数比约为1∶1,此时薄膜表面粒子分布均匀,直径在50 nm左右,膜层致密,生成的为稳定的TiN化合物,摩擦系数最小值0.27。综合正交试验分析结果取得较优的镀膜工艺参数,进行重复试验,膜层摩擦系数稳定在0.2~0.3之间。对采用较优工艺参数生成的Cr/TiN薄膜的性能进行了检测。附着力测试平均值为51.4 N;采用载荷25 g显微硬度测试平均值为11.7 Gpa;采用粗糙度仪对膜层摩擦系数进行检测得粗糙度平均值为12.1 nm;薄膜的耐腐蚀性能评定为10级。在纺纱机上进行未镀膜与镀膜钢领实际应用对比测试,纺纱质量标准要求纱线毛羽H值在3以下,断头率在20(根/千锭·h)以下,该要求下镀膜钢领锭速可由15000r/min提高到18000 r/min,纺纱质量得到明显改善,纺纱效率可提高20%。
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