1、關(guān)于多弧靶離子鍍鉻的研究背景

鍍鉻鋼領(lǐng)在我國應(yīng)用的歷史已有40年，最早全面應(yīng)用鍍鉻鋼領(lǐng)的是上海嘉豐棉紡織廠。1977年在江陰召開了全國性的鋼領(lǐng)鍍鉻會(huì)議[1]，使得這一新生事物得到肯定，引起了全國紡織科研人員的關(guān)注。當(dāng)時(shí)，“五七棉紡廠”(現(xiàn)安陸棉紡廠)的王力總工程師，從鍍液、配方、工藝等方面進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，使鍍鉻鋼領(lǐng)的鍍鉻技術(shù)進(jìn)一步提高，在全國得到應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，麻面鋼領(lǐng)逐步退出歷史舞臺(tái)，而擦光鋼領(lǐng)得到發(fā)展，鍍鉻鋼領(lǐng)在不斷的改進(jìn)中前進(jìn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近年來在常州與無錫三角區(qū)的鍍鉻工業(yè)園中，采 用了快速鍍鉻工藝，研究出的催化劑使鉻晶粒更細(xì)小，從而使鍍鉻鋼領(lǐng)走熟期短，鋼領(lǐng)內(nèi)跑道鍍鉻層均勻，紡紗質(zhì)量提高，特別是使用周期可達(dá)3年之久，受到紡紗廠廣泛使用和歡迎。東華大學(xué)孔永華教授在文獻(xiàn)[23中指出，經(jīng)檢驗(yàn)瑞士布雷克名牌鋼領(lǐng)表面處理是鍍鉻，這更堅(jiān)定了我國鍍鉻鋼領(lǐng)發(fā)展的方向。但我國的鍍鉻鋼領(lǐng)與瑞士布雷克鋼領(lǐng)存在著較大的差距。必須認(rèn)真研究解決以下幾點(diǎn)問題：一是在鋼領(lǐng)內(nèi)跑道上鍍厚，鍍均勻，保證個(gè)與個(gè)、臺(tái)與臺(tái)、批與批之間的差異很小，保證摩擦因數(shù)一致性，便于鋼絲圈統(tǒng)一管理。二是做到鍍鉻層與基體的無縫結(jié)合，膜不起泡、不起皮，不脫膜，保證鍍膜質(zhì)量。三是克服鍍鉻工藝中產(chǎn)生的“邊角效應(yīng)”，保持良好的網(wǎng)狀裂紋的粗糙度，且鋼領(lǐng)表面光滑。四是如何達(dá)到納米晶的鍍鉻層，使我國鍍鉻鋼領(lǐng)由粗晶到微晶，進(jìn)一步向納米級(jí)鋼領(lǐng)發(fā)展。五是必須在滿足紡紗工藝要求的前提下，進(jìn)一步提高鋼領(lǐng)的硬度，延長其使用壽命，但不是愈硬愈好。六是做到鍍鉻工藝和生產(chǎn)對(duì)人體健康及環(huán)境無害，目前電解鍍鉻為限制生產(chǎn)的行業(yè)，不利于鍍鉻鋼領(lǐng)的發(fā)展。七是如何做好潮濕高溫及沿海地區(qū)的鋼領(lǐng)防銹處理，做到免維護(hù)管理。

2006年是中俄科技年，武漢高校受邀去俄羅斯進(jìn)行艦船鍍鉻工藝新技術(shù)交流。此后，我們開始對(duì)多弧離子鍍表面技術(shù)進(jìn)行研究探索，經(jīng)過3代離子鍍爐體結(jié)構(gòu)及工藝的更新?lián)Q代，在總結(jié)多年理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2016年我校新設(shè)計(jì)了“多弧離子鍍”設(shè)備，用于鋼領(lǐng)鍍鉻，進(jìn)行小試生產(chǎn)研究。

2、多弧離子鍍鉻的設(shè)備及工藝原理

多弧離子鍍鉻設(shè)備如圖l所示。該設(shè)備為一個(gè)不銹鋼真空爐體，前為真空爐的爐門，后為真空抽氣口，與真空系統(tǒng)相連。真空爐四角為4個(gè)加熱器，保證爐溫均勻，爐中部為活動(dòng)的工件架，工作架上放置鋼領(lǐng)(容量達(dá)500個(gè))，由爐底部傳動(dòng)裝置傳動(dòng)，其一方面可沿著真空室軸心做周轉(zhuǎn)，另一方面可沿著自身軸心自轉(zhuǎn)，從而保證工件架上的每一個(gè)工件，在多弧鍍過程中受到均勻的轟擊，得到成分均勻的納米級(jí)鉻的鍍層。爐體周圍為4個(gè)鉻靶(金屬鉻塊)。

其工作原理：爐內(nèi)抽真空時(shí)，開啟偏壓電源，使?fàn)t內(nèi)通人的氬氣分離至納米級(jí)氬離子，在這同時(shí)開啟鉻靶電源，使鉻靶產(chǎn)生像電焊時(shí)一樣的弧光，加熱鉻塊，使其鉻靶的鉻金屬氣化成為納米級(jí)鉻離子Cr+、Cr+和原子，逸出的動(dòng)能將這些納米級(jí)鉻離子濺射出來，并按鉻靶上的磁場(chǎng)的磁力線向外飛散，這些被逸出來的鉻離子Cr+，會(huì)被工件架上所施的偏壓電源的負(fù)極吸引，而轟擊在工件架的鋼領(lǐng)上，并沉積在鋼領(lǐng)表面上，形成納米級(jí)鉻的鍍層，由于可控可調(diào)，能達(dá)到所需的納米鍍層和納米晶體的尺寸。經(jīng)紅外光譜及X射線衍射圖 的分析，在鋼領(lǐng)的表面及內(nèi)跑道上有均勻的鉻層。

3、多弧離子鍍鉻的特性

目前鍍鉻工藝已由粗晶工藝、微晶工藝，發(fā)展到納米結(jié)晶工藝。多弧離子鍍鉻在性能上與過去的電解鍍鉻不相同，具有納米特性，主要表現(xiàn)在以下方面。

3.1 鍍鉻工藝原理

3.1.1 電解鍍鉻

該工藝基本原理是鋼領(lǐng)表面鉻吸附原子生長成鉻核晶，鉻核晶繼續(xù)生長形成鉻膜層。圖2為鍍鉻層晶面階梯生長示意圖[3]，在電解鉻過程中，離子放電可以在晶面上的任何地點(diǎn)發(fā)生，形成晶面上的吸附原子，然后這些吸附原子通過晶面上的擴(kuò)散過程轉(zhuǎn)移到“生長線”和生長點(diǎn)Ⅱ、Ⅲ并結(jié)合進(jìn)入晶格。顯然吸附原子將傾向于占有能量最低的C點(diǎn)位置，進(jìn)而生長為鉻核晶。圖3為簡(jiǎn)單地表示出晶面的相對(duì)生長速率與晶體形態(tài)間的聯(lián)系圖。可以看出，由于生長速率的不同，快生長的晶面趨于消失，而慢生長的晶面保留下來，最后結(jié)晶體呈現(xiàn)一定的形態(tài)特征。繼續(xù)生長而成為膜層，電沉積出來的鍍鉻層大多數(shù)為晶態(tài)。

這種鍍鉻工藝，在鋼領(lǐng)內(nèi)跑道上形成粗晶結(jié)構(gòu)，圖4所示是電解鍍鉻鋼領(lǐng)，鋼領(lǐng)表面具有“網(wǎng)狀裂紋”的粗鉻晶結(jié)構(gòu)的形貌。

采用快速鍍鉻工藝對(duì)鋼領(lǐng)鍍鉻，合理控制鉻層晶體生長核率和生長速率可使生長核加大，生長速率盡可能減小，則獲得的鍍鉻層結(jié)晶顆粒就可細(xì)小如圖5所示，鋼領(lǐng)鍍鉻層晶粒細(xì)小，“網(wǎng)狀裂紋”就多而淺，表面光滑，因此獲得細(xì)微鉻晶表面鍍鉻層的鋼領(lǐng)能具有較好的紡紗性能。

由此可知，電解鍍鉻鋼領(lǐng)的鉻結(jié)晶較粗，晶核形成主要依靠鉻晶吸附原子吸附在鋼領(lǐng)上，因而鉻晶與鋼領(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)還會(huì)形成氣泡而產(chǎn)生起皮、起泡甚至脫膜現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鍍鉻質(zhì)量。

3.1.2 多弧離子鍍鉻

該工藝是在真空爐中，多弧靶上鉻塊氣化成鉻離子，鉻離子轟擊鋼領(lǐng)基體表面，這些移動(dòng)的離子就會(huì)進(jìn)到多弧離子鍍工藝所造成的缺陷和小洞穴中去(如圖6所示)，并停留在坑中與基體的原子進(jìn)行擴(kuò)張，進(jìn)而滲入到基體形成鉻核，由于多弧離子鉻靶不斷提供鉻離子，使鉻核生長成原子團(tuán)，這些原子團(tuán)就不斷長大成為粒子，這些不斷長大的粒子就是鉻晶體，這些鉻晶的能量鍵與基體表面上能量鍵相互作用，而成為一個(gè)與基體結(jié)合成的過渡層，若繼續(xù)入射鉻離子到基體表面，粒子繼續(xù)長大，形成如圖7所示納米級(jí)“島狀”結(jié)晶結(jié)構(gòu)， 這些許許多多的納米級(jí)小島，通過迷津結(jié)構(gòu)形成鉻薄膜層，在其表面形成“網(wǎng)狀裂紋”多而淺的形貌。

由上述可知，多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)鍍膜工藝是由納米級(jí)鉻離子、原子與鋼領(lǐng)表面基體原子共同組成的一體過渡層，鉻靶不斷提供納米鉻原子而逐漸生長成“島狀”晶體，經(jīng)迷津結(jié)構(gòu)形成鉻薄膜層，并具有“網(wǎng)狀裂紋”結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)的鍍鉻層，鍍鉻層表面光滑并具有牢固的附著力。

3.2 附著力高

鍍鉻層與鋼領(lǐng)表面基體的結(jié)合力在技術(shù)上稱附著力，是鍍鉻工藝中的重要質(zhì)量指標(biāo)。用WS200型附著力劃痕試驗(yàn)儀測(cè)試膜基結(jié)合力，其檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可見，由于多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)的鍍鉻層與基體有一個(gè)合為一體的過渡層，因此鍍鉻層與基體的附著力非常好，不會(huì)出現(xiàn)鍍鉻層起皮、起泡、膜剝落等質(zhì)量缺陷。

3.3 摩擦因數(shù)小并可控、可調(diào)根據(jù)許多文獻(xiàn)的報(bào)道臥。瑞士布雷克鋼領(lǐng)與國產(chǎn)軸承鋼領(lǐng)表面都具有鍍鉻層，這是由于鉻的摩擦因數(shù)小，特別是干摩擦因數(shù)在現(xiàn)有金屬中是最低的，鍍鉻層具有良好的摩擦因數(shù)。通過改變多弧離子鍍各項(xiàng)工藝參數(shù)，可在鋼領(lǐng)表面形成如圖8所示的各種不同“島狀”鍍鉻層的形狀。通過改變“島”的形狀，從而改變鋼領(lǐng)表面上的摩擦因數(shù)，滿足紡棉、紡滌(細(xì)、中、粗號(hào)紗)，紡各種化纖紗所需的摩擦因數(shù)，紡好紗。

3.4 硬度較高

硬度是鋼領(lǐng)使用性能的主要指標(biāo)之一，鍍鉻可以使鋼領(lǐng)鍍鉻的表面獲得高硬度，使鋼領(lǐng)有較長的使用壽命。

在同一基礎(chǔ)條件下，將水磨鋼領(lǐng)，擦光鋼領(lǐng)及鍍鉻鋼領(lǐng)在洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其洛氏硬度：水磨鋼領(lǐng)HRC60.5，拋光鋼領(lǐng)HRC60.5，多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)HRC65.0。采用HX-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試鋼領(lǐng)表面硬度：普通鍍鉻鋼領(lǐng)HV 831，快速鍍鉻鋼領(lǐng)HV 928，多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)HV959．2。可以看出，多弧離子鍍的鍍鉻鋼領(lǐng)具有較高的硬度。

根據(jù)摩擦磨損理論，鋼領(lǐng)的主要磨損形式包括氧化磨損、黏著磨損(包括磨粒磨損)以及疲勞磨損。由于鍍鉻具有高硬度，又有較好的耐熱性，在500℃以下高溫，其光澤性、硬度均無明顯變化。這說明鍍鉻鋼領(lǐng)具有很高的抗氧化磨損性能。

由于鍍鉻層的高硬度、高耐熱特性，使鋼領(lǐng)內(nèi)跑道在與鋼絲圈摩擦?xí)r，不易產(chǎn)生因塑性變形而引發(fā)的黏著磨損，減小摩擦中的犁削分量，減少了磨損率，同時(shí)鋼領(lǐng)的高硬度能有效降低各種形式的磨損，延長其使用壽命。

高硬度鍍鉻層不易嵌入外來硬微粒而引起磨粒磨損。同時(shí)其對(duì)高壓應(yīng)力的能力使其具有較好的抗疲勞磨損性能，因而不易引起鋼領(lǐng)的疲勞磨損。

鉻具有高的防腐蝕性能，抗氧化腐蝕能力強(qiáng)，因而能延長鋼領(lǐng)使用壽命。

由于鍍鉻層具有較小的摩擦因數(shù)，磨損率減少。

由于鍍鉻層的高硬度，能克服鋼領(lǐng)的氧化磨損、黏著磨損和疲勞磨損，良好的抗磨蝕性及小摩擦因數(shù)使其獲得高耐磨性能，延長鍍鉻鋼領(lǐng)的使用壽命，最長可達(dá)5年之久。

3.5 對(duì)人體和環(huán)境無害，產(chǎn)量高，成本低電解鍍鉻采用的是由鉻酐(Cr0。)和少量的硫酸催化劑而組成的鍍鉻溶液，鉻酐有毒，是有害化學(xué)品，在電鍍鋼領(lǐng)時(shí)，電解工藝過程中會(huì)有大量的鉻酸濃霧逸出而帶出鉻酸溶液，向周圍環(huán)境中排出大量的氣體，危害人類健康和周圍環(huán)境，還向周圍環(huán)境排出有毒的水、汽及廢液、廢渣，已成為一個(gè)重污染行業(yè)，屬于限制和淘汰的行業(yè)。

多弧離子鍍鉻工藝是在真空室中進(jìn)行，開啟蒸發(fā)源的電源，使純金屬鉻塊的表面出現(xiàn)明亮的弧斑，不斷發(fā)光閃動(dòng)，使純金屬鉻氣化成納米鉻離子，且原子按磁場(chǎng)中磁力線向外擴(kuò)散。而這些被轟擊出來的鉻的正離子及原子，在鋼領(lǐng)的表面及內(nèi)表面上沉積，隨著時(shí)間的增加而形成鉻層。整個(gè)工藝中沒有有害化學(xué)品，沒有有害廢氣、廢水、廢渣的排出，而整個(gè)加工工藝是在密閉的真空室中進(jìn)行，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行，不會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境產(chǎn)生危害，屬環(huán)保加工工藝，也是目前推廣應(yīng)用的高新技術(shù)。

我們將繼續(xù)努力研制新的大功率靶及靶材(包含鉻鋁、鉻鈦鎢、鉻鋁硅等復(fù)合靶)，以期提高多弧鍍鉻鋼領(lǐng)內(nèi)跑道鍍鉻層厚度，以其高的硬度，高耐熱性能，高防腐蝕性能，高抗氧化、黏著及疲勞磨損性能，讓鋼領(lǐng)的使用壽命更長，特別是提高紡細(xì)特紗的紡紗性能，全面提升納米級(jí)多弧離子鍍鋼領(lǐng)的應(yīng)用水平。

4、多弧離子鍍鋼領(lǐng)紡紗性能

4.1紡紗周期長

鋼領(lǐng)年消耗量大，一般拋光鋼領(lǐng)平均使用壽命為9個(gè)月，而鍍鉻鋼領(lǐng)平均使用壽命為3年，甚至更長，可為企業(yè)節(jié)約費(fèi)用開支。而且使用鍍鉻鋼領(lǐng)時(shí)無需中間拋光工序修復(fù)，生產(chǎn)順利，紡紗斷頭率降低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度相應(yīng)降低，為企業(yè)節(jié)省了大量成本。

4.2 降低紡紗斷頭率。提高紡紗質(zhì)量

由于鋼領(lǐng)表面粗糙度值減小，使鋼絲圈運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的“跳躍”幅度減小，鋼絲圈運(yùn)行更趨平穩(wěn)，從而降低了紗線張力突變，使斷頭率得以下降。紡紗品種為T／C13 tex，使用電解鍍鉻鋼領(lǐng)，細(xì)紗千錠時(shí)斷頭率30根；使用多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)，細(xì)紗千錠時(shí)斷頭率23根。紡C 14．6 tex紗，使用電解電鍍鉻鋼領(lǐng)，細(xì)紗條干CV值14．4％，一50％細(xì)節(jié)4個(gè)／km，+50％粗節(jié)138個(gè)／kin，+200％棉結(jié)258個(gè)／km，毛羽H值4.61；使用多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)，細(xì)紗條干CV值13．6％，一50％細(xì)節(jié)3．3個(gè)／kin，+50％粗節(jié)120個(gè)／kin，+200％棉結(jié)214個(gè)／kin，毛羽H值3.8。

5、 結(jié)語

1）多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)具有較高的鍍鉻硬度，同時(shí)具有納米結(jié)構(gòu)的鍍鉻層，在500℃高溫時(shí)，硬度及粗糙度不變；具有良好的耐高溫性能、抗氧化性能、抗黏著磨損以及磨粒磨損的性能；又具有金屬中較小的摩擦因數(shù)以及高抗腐蝕性能。在這些優(yōu)異性能的共同作用下，多弧離子鍍鍍鉻鋼領(lǐng)的使用壽命可提高到3年～5年。

2）多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)是以固體鉻金屬為原料，采用不含毒的化學(xué)藥品和工藝進(jìn)行生產(chǎn)，屬于高新技術(shù)，是對(duì)人體健康和周圍環(huán)境無害的新工藝技術(shù)。

3）鍍鉻鋼領(lǐng)經(jīng)過40年的發(fā)展，由粗晶到微晶再到納米級(jí)鉻晶，由小到大，現(xiàn)占鋼領(lǐng)市場(chǎng)的50％～60％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。多弧離子鍍鉻鋼領(lǐng)設(shè)備及工藝是對(duì)人體和環(huán)境無害的高新技術(shù)，做好示范普及和推廣工作，將使鍍鉻鋼領(lǐng)迎來一個(gè)創(chuàng)新的春天。

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