（机械设计及理论专业论文）钢丝圈表面耐磨耐蚀涂层的理论与试验研究.pdf

摘要 摘要 钢丝圈作为纺纱机上的高速旋转的关键部件，其表面性能一直倍受人们的关注。现 行的表面处理方法主要是电镀镍钴，但对环境有很大的污染。本文以其表面涂层的应用 及改进为基本出发点，寻求取代电镀的新的涂层和工艺。选择了粘结性聚四氟乙烯 ( p t f e ) 复合涂层、化学镀镍磷叫i p ) 合金涂层和类金刚石( d l c ) 涂层为主要研究对象， 对各个涂层在不同的工况下的摩擦磨损性能进行了系统的研究，探讨了涂层的耐磨耐蚀 性能及其机理。 实验结果表明：( 1 ) p t f e 涂层有相对较低和较稳定的摩擦系数，适用于低速高载 的场合，涂层的耐蚀性能良好。( 2 ) 镍磷镀层在6 0 n 或更高载荷下摩擦磨损中涂层会 发生片状脱落，但在低载荷情况下使用良好。 ( 3 ) d l c 涂层的摩擦系数随着速度的增 大而降低，在磨损过后表面只表现出轻微的划伤，有很好的抗磨性能。在腐蚀失重实验 中，失重率低，耐蚀性能好。 在实验基础上研究了涂层的耐磨耐蚀机理：( 1 ) p t f e 复合涂层能在对偶面上形成 相对稳定的转移膜，p t f e 与树脂等填料有很好的协同作用，磨损方式主要为磨粒磨损 和粘着磨损。( 2 ) 高载荷下镍磷镀层因循环应力作用晶界变成涂层的薄弱环节，发生 开裂。n a c l 腐蚀介质中，涂层表面能迅速钝化，形成良好的保护膜。( 3 ) 高速滑动中， d l c 涂层在摩擦过程中产生的瞬时高温下，亚稳态的无定型碳打破能量壁垒转化为稳定 的石墨，对涂层起到了润滑的作用，有效降低了摩擦系数和磨损量。涂层有一定的厚度 且为非晶态结构，有良好的耐蚀性。 综合摩擦系数、磨损量、耐蚀性能、成本和环保等因素，化学镀镍磷和d l c 涂层 可用于改善钢丝圈表面性能。从经济的角度考虑，镍磷涂层有着很高的性价比；从环境 保护的角度来说，d l c 涂层将是最佳的选择。 关键词：钢丝圈、摩擦磨损、耐蚀、机理 a b s t r a c t a sm ep i v o t a lh i g hs p e e dt u m i n ga c c e s s o 叫o fs p i n l l i n gm a c h i n e ，m es u 疏c e p e 雨肌锄c co fr i n g 仃a v e l e ra t t r a c t sm o s ta t t e n t i o no fe x p e n sf o ri t si m p o r t 锄c ei nt h ew h o l e m a c h i n e t h ep r e s 铋ts u m c e 仃e a 缸l l 锄tf o c u s 髂o nn i - c oe l e c n p l a t i n g ，w h i c hi n e v i t a b l y c o u l dc a u s es e v e r ep o l l u t i o n t h i sa r t i d ei sw r i t t e ni nt h ep i 印o s eo ff i n d i n gt h ea p p l i c a t i o n s o ft l l es u r f a c ec o a t i n go fr i n g 仃a v e l e r 硒w e l l 嬲m a k i n gi m p r 0 v e m e n t ss u c ha ss e a r c h i n gf o r n e wt r e 栅肌t s 锄dc o a t i n gp r o c e s s 懿o fi t b o n d e dp t f es o l i dl u b r i c 雒t6 l m ，e l c c 咖l e s s n i - pp l a t i n g 锄dd i 锄0 n d l i k ec a r b o n ( d l c ) 6 l mh a v eb e e nc h o s 嬲t l l em a i nr c s e a r c h s u b j e c t si n t h j sp 印e r n o to n l yt h e i r 衔c t i o n a l 锄dw e a rp r o p c n i e su i l d e rd i 疏r e n tw o 幽n g c o n d i t i o n s缸es y s t e m a t i c a i l y锄a i y z e d ，b u ta l s om ew e a r - f e s i s t i n ga l l da n t i c o r r o s i o n c 印a b i l i t i e s 觞w e l l 嬲m e i ri n t e m a lm e c h a j l i s m sa r em o r o u 曲l yd i s c u s s e d t h er e s u l t so fm ee x p 研m e n t ss h o w ：( 1 ) w i t hr c l a t i v e l yl o w 觚ds t a b l e 衔c t i o n c o e 伍c i e n t b o n d e dp t f es o l i dl u b r i c 觚tf i l m ，f e a t 谢n gs o u n da i l t i - c 0 玎0 s i o np r o p e n y c 觚b e a p p l i e di l lm eo c c 弱i o no fl o w s p e e d 锄dm 曲- l o a d ( 2 ) u n d e rl o a do f6 0 n0 ra b o v e ，t l l es l i c e s c o m eo f f 丘o mt 1 1 en i p 鲫m c e ，w h 日e 鹤t h ec o a tp e r f o m sr a t h e rw d li nm ec o n d i t i o no fl o w l o a d ( 3 ) f r i c t i o nc o e m c i e n to fd l cc o a t i n gd e c r e a s e sw i t l lt h ei n c r c 懿eo fs l i d i n gv c l o c i 够 1 r i l ef a c tm a t 伍c t i o n a b r 嬲i o nt e s to i l l yl e f ts l i 曲ts c r a t c h e so n 廿l e 剐d i a c ew l l i c hv e r i f i e st h e s o u i l da n t i - w e a rp r o p e r 吼f u i t l l e n n o r e ，t l l ec o r r o s i o nw e i 曲tl o s se x p e r i m e n tc o n f i m st h a t l e c o a t i n gw i n l e s s c st 1 1 el o wl o s sr a t ea n dw e ua n t i c o f r o s i o n t h ee x p 甜m e l l t so nm ew e 瓣陀s i s t i n g 觚da i l t i c o 仃o s i v em ec _ h a l l i s mf o rt l l ec o 撕n g d 锄o n s 咖t em a t ：( 1 ) p t f ec o a t i n gc 觚f o n l lar e l a t i v e l ys t a b l e 仃觚s 衔6 l m0 nf h c t i o n s u r f - a c cb e c a u s ei te n j o y s9 0 0 ds ) ，i l e 哂s t i ce 腧c t 州t hf i l l e fs u c h 嬲r e s i n a b r 嬲i v ew e 盯锄d 舭i v ew e 盯c 觚b em et 、7 l r om 萄0 ra b r a s i v es _ t y l e s ( 2 ) u n d e rh i 班l o a d ，n i pp l a t i n gw i n 伽【c kd u et ow e a i ( 】s so fg r a i nb o u i l d 棚阱s o a k e di nc o 玎o s i v em e d i u mo f5 ln a c l ，m e s u r f a c ew i l lb ep a s s i v a t e dm p i d l y 锄df o 册ap r o t e c tf i l m ( 3 ) u n d e rt 1 1 ei i l s t a n tl l i g l l t 锄1 p 舒a t i 鹏c a _ 峪e db ym eh i g l ls p ds l i d i i l 舀m em e t 嬲t a b l e 锄。印h o 吣c a r b o n 谢nb r e a k 坞 e i l q g yb a r r i e r 觚d 协m s f o 珊i i l t os t a b l eg r a p h i t e nl u b r i c a t e sm ec o a t i n ga n dd e c r e a s e sb o t l l 伍c t i o nc o e 伍c i e n t 觚dw e a rr a t e 舡锄锄o r p h o u s 咖c t u r ew i t l lc e f t a i nt l l ic _ k n e s s ，廿l ec o a t f e 栅f a y o r a b l eg o o da n t i c o n o s i o nc 印a b i l i t y o u to fc o m p r e h e i l s i v ec 0 n s i d 酬i o nf o r 衔c t i o nc o e m c i e l l t ，w e a rr a t e ，趾t i c o n o s i o i l ， c o s ta n d 讥r o m n e n t ，e l e 咖l e s sn i pp l a t i n ga n dd l cf i l mc 锄b ea p p l i e dt oe i l l l a n c et l l e s u r f a c ep e r f o m l a n c eo fr i n g 咖| v e l 既1 1 1m ev i e wo fe c o n o m 弘m ep e 墒n n a i l c ev e r s u sp r i c e r a t i oo fn i - pp l a t i n gi sr a t h e rk 幽w h n eo fe n 、响l l l n 饥t d l cj 6 i h l lc o u l d b em e0 p t i m a l c h o i c e k e y w o r d s ：砒n gn a v e l f r i c t i o na n dw e 甄a m i c o n o s i o nc a p a b i i i 呗m e c h a i l i s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 僻 日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 1 9 6 5 年“摩擦、磨损和润滑”被作为一门学科正式提出来，命名为“摩擦学”。磨损由 于摩擦引起，摩擦和磨损都具有二重性，摩擦是造成能量损失的原因，早期的磨损在新 机器使用之前称为“磨合”，是有益的；但后期的磨损会降低机器精度和可靠性，是导致 机械零件、设备失效的主要原因【i 】。 在我们的日常生活和国民经济的各个领域都存在着磨损和腐蚀失效的现象，摩擦引 起的能量损失和磨损所引起材料损耗、零件的磨损失效加大了人力物力的投入，降低了 生产效率，在经济上造成了巨大的损失。据美国1 9 7 7 年的估计，磨损造成的损失相当 于国民经济总产值的1 2 。这样看来，设计者在设计过程中虽然考虑了结构合理、强度 校核等，但不一定能考虑具体工件条件并采用最有效的方法来减轻磨损，对于很多连接 件、摩擦磨损件还是不够的【2 】。 金属材料由于受到介质的作用而发生状态的变化，转变为新相，从而遭受破坏，称 为金属腐蚀。金属的腐蚀遍及国家经济各部门，根据工业发达国家的调查，每年因腐蚀 造成的经济损失约占国民生产总值的2 4 ，我国每年因为腐蚀造成的经济损失至少达 二百亿元【3 1 。 表面处理通过各种途径来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特 性。其中一类有效的表面处理方法就是施加各种覆盖层。主要采用各种涂层技术，包括 电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、热喷涂、浸镀、搪瓷涂覆、真空蒸镀、溅射镀、 离子镀、化学气相沉积、分子束外延制膜、离子束合成薄膜技术等【4 】。其中很多的涂层 具有良好的耐磨耐蚀特性，从而对材料起到保护作用。 无论是磨损还是腐蚀都会对材料造成破坏，会导致零件和机器的失效。材料的磨损 和腐蚀有其内在的联系，通过一些表面处理的方法可以获得既耐磨又耐蚀的涂层，来加 强对材料的保护，使零件和设备在运作过程中的使用寿命得到延长，降低摩擦磨损和腐 蚀带来的经济损失1 5 1 。 1 2 课题的研究背景及其意义 随着现代工业的发展，在航空工业、纺织技术等工况中，传统的润滑脂、润滑油已 经不能胜任，而固体润滑防锈能适应复杂的工作环境。比如钢领，钢丝圈是纺织机械 细纱机及捻线机上卷捻部分非常重要的零件，它们高速运转组成一对摩擦副，在无润滑、 干摩擦的条件下服役。其使用寿命的长短与纺织生产的成本直接相关，其质量的高低和 寿命的长短直接影响成纱的质量和劳动生产率。一般国内钢丝圈的寿命仅在7 天左右。 因此，世界各国的纺织界都十分重视提高钢领钢丝圈的性能。现在纺织工业的发展迅速， 很多新品的开发又对产品表面提出了新的要求，这不仅要求表面具有润滑、耐磨、光滑 而且要具有防腐蚀功能。无锡某纺织器材有限公司主要生产纺织器材及其辅机产品，现 因该厂要搬至新区，对产品的质量、工艺的环保等提出了更高的要求，需要寻求更好的 江南人学硕十学位论文 方法或新的涂层技术取代原先对环境污染较重的电镀工艺，采用更环保的技术，降低对 环境的影响的同时，并提高钢丝圈的表面质量和使用寿命。 1 3 相关涂层技术的原理和特点 1 3 1 粘结性p t f e 复合薄膜技术 粘结性固体润滑膜以有机或无机粘结剂为基料，p t f e 微粒为固体润滑剂，配以溶 剂并添加其他辅助固体润滑剂和抗磨剂、缓蚀剂等制成复合固体润滑涂料，经涂覆或喷 涂等工艺成膜【6 】。p t f e 微粒均匀分散于涂层中，所以工作期问，均具有润滑作用。粘 结性p t f e 复合薄膜有如下的特点： ( 1 ) 一般粘结固体薄膜都比较薄，可以用到几乎所有摩擦件上而不至于改变部件 的尺寸，机械设备采用粘结固体润滑膜可以省去相当复杂的油路系统； ( 2 ) 与常规油脂润滑相比，粘结涂层可以在高温、高负载、辐射等条件下工作， 而且环保无污染： ( 3 ) 粘结涂层具有优良的防腐性能和动密封性能，可以起到减小机械振动和机械 噪音的作用。 1 3 2 化学镀镍磷技术 化学镀是通过溶液中适当的还原剂使金属离子在金属表面的自催化作用下还原进 行的金属沉积过程，也叫无电解电镀、自催化镀。其实质是化学氧化还原反应，有电子 转移、无外电源的化学沉积过程。化学镍磷镀有不错的耐磨和耐腐蚀性能，是良好的功 能性和装饰性涂层【1 7 1 。 化学镀镍是一种比较新的工艺技术，1 9 4 4 年，a b r e n n e r 和gr i d e l l 进行了第一次 实验是试验，几年后才对外公布。化学镀镍和电镀镍相比具有以下特点： ( 1 )镀层厚度非常均匀，化学镀液的分散能力好，无明显的边缘效应，特别 适合形状复杂的工件，镀层均匀，易于控制； ( 2 )化学镀镍可以在各种基体，包括金属、非金属及半导体上施镀，突破了 电镀的只能对导体表面施镀的限制； ( 3 ) 工艺设备简单，不需要电源，输电系统及辅助电极等，其过程各项参数 也得到简化； ( 4 ) 化学镀镍是靠基材的自催化活性起镀，其结合力优于电镀，控制含磷量 得到的n i p 非晶态结构镀层致密无孔，耐蚀性远优于电镀镍，有些情况 下，其耐蚀性能甚至可和不锈钢媲美； ( 5 )化学镀镍的硬度较高，还可以通过热处理再进行提高，耐磨性能良好， 兼备良好的耐磨性能和耐蚀性能： ( 6 ) 磷含量可以控制，可得到磁性或非磁性镀层，钎焊性好【8 】o 1 3 3 类金刚石涂层技术 类金刚石涂层和金刚石有着相似的性质，表现出高硬度、耐磨损、表面光洁度高、 2 第一章绪论 化学惰性及低电阻率等特性1 9 _ 叭，其产品被广泛运用到机械、电子、光学和医学等多个 领域，主要制备方法有：真空电弧沉积、脉冲激光沉积、等离子体沉积、喷射沉积等l 。 本课题采用的是直流等离子化学气相沉积技术( d c p c v d ) 。 利用直流电等离子体的激活化学反应进行气相沉积的技术称为直流等离子体化学 气相沉积( d e r e c t e dc o r r e n tp l 嬲m ac h e m i c a lv a p o rd 印o s i t i o n ，d c p c v d ) 。对类金刚石 薄膜来说则是利用直流辉光放电分解碳氢气体后再沉积到基体上，它在阴极侧成膜，此 膜会受到阳极附近的空问电荷所产生的强磁场的严重影响。用氩气稀释反应气体时膜中 会进入氩。一般将电位等于阴极侧基材电位的帘棚放置于阴极前面，可得到优质薄膜。 d c p c v d 的原理图见图1 1 。 图1 1d c p c v d 的原理图 f i gl ld i a g r a 瑚m a t i cs k e t c ho f d c p c v ds y 8 t 锄 d c p c v d 技术和其他的制备d l c 涂层的方法相比具有以下特点：( 1 ) 沉积基体温 度低，对工件绕镀性好；( 2 ) 原材料简单，主要为碳氢类气体，可以通过调节参数控制 涂层的含氢量和硬度；( 3 ) 涂层和基体结合力强，比较容易实现工业化。 1 4 耐磨耐蚀涂层的基础理论研究 1 4 1 摩擦 两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动时或具有相对运动趋势时，在接 触表面产生切向运动阻力，这种切向阻力称为摩擦力，这种现象被称之为摩擦。常见摩 擦有干摩擦和流体摩擦两种类型，干摩擦描述两个干燥表面发生相对运动或者有相对运 动趋势时的接触力切向分量。干净表面相互接触时，有相对运动趋势时的摩擦力称为静 摩擦力，相对运动时的摩擦力称为动摩擦力。 关于干摩擦机理的理论很多，一类是分子理论，认为摩擦是由表面接触点上分子间 相互作用而产生的；一类是机械理论，认为摩擦是由于表面高低不平的微峰间的机械作 用和材料变形所引起的。 对于不同的材料副，摩擦系数不是常数，与正压力、表面粗糙度和表层状态等众多 江南人学硕+ 学位论文 因素有关，也有些科学家倾向于摩擦时有摩擦表面日j 的分子作用与机械作用合成引起的 二重性作用。一般认为影响干摩擦系数的因素主要有表层性质、温度、速度、摩擦副材 料等。 1 4 2 磨损 在有相对运动的两个接触表面之间，由于相对运动使物体工作表面的物质不断损失 的现象称为磨损。一般来说磨损的成因和表现形式是非常复杂的，磨损的分类方法也特 别多。鲍威尔按照磨损机理将磨损分为四大基本类型：粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳 磨损和腐蚀磨损。 ( 1 ) 粘着磨损：由于粘着作用使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损。由 于表面存在粗糙度，所以表面问的接触是不连续的，即只有少数的几个微凸体产生接触， 所以此时的实际接触面积很小，故在外载荷的作用下，局部的压力很高，其压力极有可 能超过材料的屈服极限，于是接触点便产生了塑性变形。此时，如果没有表面膜，或者 虽有表面膜，但在切向方向运动时发生了破裂，那么常温下也可能产生冷焊作用，在重 载，高速还有摩擦产生高温的条件下，表面膜极其容易破裂，在接触点局部发生软化或 熔化而产生“热粘着”，形成粘结点。在其后的运动中，粘结点被剪断，与此时又形成新 的粘结点，于是就出现了粘结点的形成与剪断的循环，从而出现粘着磨损。一般来说， 除了润滑材料和载荷以外，影响粘着磨损的因素还有摩擦材料的组合的影响和相对滑动 速度等。 ( 2 ) 磨粒磨损：在摩擦面之间的固体磨粒对摩擦表面或者硬的固体磨粒对摩擦表 面产生微切削和刮擦作用引起的机械磨损称为磨粒磨损。关于磨粒磨损的机理有三种假 说，分别是微切削假说，疲劳假说和擦痕假说。材料性质，磨粒硬度和尺寸都是影响磨 粒磨损的因素。 ( 3 ) 表面疲劳磨损：当摩擦材料表面的微体积受到一定大小的接触循环变应力的 作用时，在表层内萌生裂纹，当裂纹逐渐扩展到表面，导致表面产生片状或颗粒状的磨 屑，磨屑脱落后表面形成豆状的坑的磨损形态。一般发生在材料表层内存在物理缺陷和 化学缺陷处。 ( 4 ) 腐蚀磨损：摩擦副工作时，表面金属与周围介质发生化学变化或电化学反应 并生成反应产物，与此同时还有机械作用使反应产物脱落，这种以腐蚀为主导的磨损即 称为腐蚀磨损。腐蚀磨损通常是一种比较轻微的磨损，但是在高温和潮湿的环境中也会 引起严重的磨损。 1 4 3 腐蚀 介质对材料的腐蚀作用分为两类。当介质是液态金属时，由于液态金属对金属材料 的溶解引起的金属材料破坏称为物理作用，而金属材料与介质之间发生化学反应，使参 与反应得金属材料的状态改变，导致金属材料破坏，这种腐蚀作用是化学作用。实际中 遇到的金属腐蚀破坏大多是化学作用引起的。腐蚀实际上是金属被氧化的氧化还原反 应，发生腐蚀反应的必要条件是介质中有能使金属氧化的物质存在。 4 第一章绪论 在腐蚀反应中金属的价念升高：从原来的零价变成腐蚀产物中的j 下价。价态升高的 原因是因为金属在腐蚀反应中失去价电子，同时另一物质接收金属原子所失去的电子， 腐蚀反应可以以两种不同的方式进行，一种是：介质中被还原的物质的粒子在与金属表 面碰撞时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属就地形成腐蚀 产物，一般情况下这种腐蚀产物往往覆盖在金属表面上，称为化学腐蚀；另一种是：由 于金属是电子良导体，如果介质是离子导体的话，金属的被氧化与介质的被还原的物质 获得电子这两个过程，可以同时在金属表面的不同部位进行，这个过程包含一个电极反 应过程，通过这种途径的腐蚀叫做电化学腐蚀。 大气腐蚀一般被认为是二者的组合，在大气中，如果没有水膜在金属表面聚集，就 不存在离子导体的介质，这时的腐蚀过程只能按照化学腐蚀进行，这比电化学腐蚀要困 难得多，但是一旦大气中的湿度升到某个临界值，在金属表面凝聚成水膜，电化学腐蚀 就得以进行，金属的腐蚀速率就会突然增大。无论是化学腐蚀和电化学腐蚀，都需要介 质的存在。 一般防止大气腐蚀的方法有以下几种：( 1 ) 从金属本身来考虑，比如改善金属内部 组织、适当提高表面光洁度、热处理等。( 2 ) 在金属表面加上一层坚固的有机或无机的 保护层，起到与外界介质隔离的作用而实现对金属的保护或者通过牺牲防护的方式达到 效果。一般无机的涂层通过介质隔离起到耐蚀效果，而金属镀层则可以按照电化学性质 分为两类，一是阳极性镀层，在一定的介质中，镀层金属的电极电位比基体金属要负， 而导致镀层先溶解，即使镀层的完整性遭到破坏，还可以借电化学作用继续保护基体免 受腐蚀，其耐蚀能力主要取决于镀层的厚度，镀层越厚，保护作用越强，比如对金属的 镀锌处理；二是阴极型镀层，在一定介质中，镀层金属的电极电位比基体正，这类镀层 能够机械地保护基体不受腐蚀，一旦被破坏，将加速基体金属的腐蚀，其耐蚀性能取决 于其孔隙率和厚度，比如对金属的镀镍处理。( 3 ) 控制环境条件或者选择有效的防锈材 料，可将金属置于干燥惰性的气体中加以保存，给其制造出缓蚀的气氛，比如采用干燥 封存或者防锈包装等。 1 4 4 耐磨耐蚀涂层的研究现状 有足够的耐蚀能力又有良好的摩擦学性能的涂层称为耐磨耐蚀涂层。现在国内外已 经研制出多种耐磨耐蚀涂层，主要包括以下几种： 1 金属涂层：利用电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂和扩散镀等工艺可以在金属或非金 属表面形成一层金属涂层，起到保护基材的作用。电镀，化学镀可以得到均匀、致密、 表面光洁的镀膜，目前可镀的金属入n i 、c r 、c u 、s n 、z n 、c d 、f e 、p b 、c o 、a u 、 a g 、p t 等金属，也可以镀合金，复合化学镀或者在电镀过程中添加粒子，可以有效增 强镀层的耐磨耐蚀性能。 李【1 2 】等制备的化学镀镍磷涂层在减摩方面有不错的效果，他们认为，在摩擦过程中， n i 3 p 的弥散析出，镀层延性增加，摩擦系数低，是镀层耐磨性提高的主要原因。 陈【l3 】等人利用碳纳米管作为增强相制备的镍磷复合镀涂层，具有优良的耐磨性和自 润滑性能，化学镍磷镀涂层的耐蚀性与涂层中磷元素的含量有很大的关系，吴【1 4 】等人认 5 江南人学硕十学位论文 为磷元素的含量在2 0 左右为最佳。 a r 锄a l h o 【1 5 j 等研究了化学镀镍磷和镍磷p t f e 复合镀在高速钢上的摩擦磨损性 能，结果表明： ( 1 ) 化学镀镍磷和镍磷p t f e 涂层均能提高高速钢的表面硬度； ( 2 ) 经过热处理的涂层有更高的硬度，对于摩擦磨损性能而言，热处理对镍磷涂 层有很好的改善，镍磷p t f e 涂层在热处理前后均具有不错的耐磨性能。 王迎春【1 6 】等研究了化学镀镍磷合金的耐磨性能，结果表明： ( 1 ) n i p 合金镀层经2 0 0 以下热处理仍是非晶态结构，耐磨性远低于晶态结构， 磨损形貌有突起变形，为粘着磨损； ( 2 ) n i p 合金经4 0 0 热处理后硬度达到最高，耐磨性也显著提高，表现为磨粒磨 损，这主要与n i 3 p 呈细小弥散析出有关； ( 3 ) n i p 合金经6 0 0 热处理，硬度虽比4 0 0 热处理时有所下降，但耐磨性达到 最高这可能与n i 基体结晶更为完整有关。 t s n s 觚k a r an a r a y 觚锄【l 刀等人制备了不同磷含量的涂层并对其耐蚀性进行了比 较，结果表明随着磷含量的增加，耐蚀性能相应增加，但是涂层经l 小时4 0 0 热处理后， 其耐蚀性能呈下降趋势。 2 无机非金属涂层：无机非金属涂层的种类和制备方法很多，比如搪瓷涂层和硅酸盐 水泥涂层均属于无机非金属涂层。 3 有机涂层：有机涂层的种类很多，分别适用于不同的工作状况和场合。主要成分是 合适的成膜物质，不同的耐磨成分和抗蚀添加剂，采用喷涂或浸涂后恒温固化的方式获 得涂层。一般在制备涂层前，工件表面需要磷化或喷砂处理来提高涂层的粘结性能和耐 蚀性能。p t f e 具有独特的螺旋形链结构，其分子间的吸引力很弱，分子间容易滑动， 从而易在摩擦对偶件表面形成转移膜但文献表明，单质的p t f e 形成的转移膜在对偶面 上的粘附性能较差，而形成较大的磨损【1 8 】。粘结固体润滑膜可代替许多机械设备传统的 油、脂润滑材料，改善摩擦副的润滑性能，同时适用于无油润滑的干摩擦场合【1 9 】。p t f e 具有最低的摩擦系数、很广的使用温度区间以及最低的表面能。由于其优良的自润滑和 耐腐蚀性能，p t f e 在摩擦磨损和防腐领域中有着十分特殊的地位【2 0 1 。 赵普【2 l 】等人利用m 2 0 0 0 型试验机考查了一种一聚苯脂、聚酰亚胺填充聚四氟乙烯 复合材料，认为：( 1 ) 该复合材料是一种良好的综合摩擦性能的自润滑材料，聚亚酰胺和 聚苯脂的添加可以有效提高材料的抗磨性及减低摩擦系数；( 2 ) 聚亚酰胺的加入可以有 效增进转移膜与对偶面之间的结合力。 候f 2 2 】等人在4 5 钢基体上制备了聚四氟乙烯有机涂层，涂层在4 9 0 m p 范围内具有 优良的减摩性能，有很低的摩擦系数，正压力与摩擦因数服从负指数衰减模型，随着载荷 的增加，静摩擦因数和滑动摩擦因数先迅速降低，然后趋于定值。 现用于粘结p t f e 涂层的粘结剂很多，环氧树脂粘结聚四氟乙烯p t f e 固体润滑膜 在载荷为5 n ，速度为l i i l s 滑动条件下，适当增加膜密度和膜厚度，可实现磨损率低于 l0 8 n n 3 ( n 幸m ) 【2 3 1 。 6 第一章绪论 周兆福【2 4 】等在l c r l 8 n i 9 t i 和低碳钢上制备了改性酚醛环氧p t f e 耐磨防蚀涂层， 这种涂层在环块试验机上于3 1 2 n ，2 5 砒条件下耐磨寿命可达1 3 5 0 0 n l p m ，摩擦系数 在0 2 左右：在叉哆灭卜试验机上3 m p a ，0 2 m s 干燥空气和相对湿度为5 0 时耐磨寿 命均大于2 5 1 0 5 周，经5 n a c l 盐雾试验1 0 0 小时后，底材与涂层的粘结强度，抗冲 击强度及柔韧性能良好，低碳钢底材未发生锈蚀。 4 通过气相沉积的方式获得的涂层：气相沉积技术是近3 0 年来发展迅速的一门新技术， 利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，运用不同的工艺方 法，控制一定的工艺参数，可以得到不同结构的薄膜，如单晶薄膜，多晶薄膜，非晶态 薄膜等，可以沉积金属，非金属，化合物等。沉积的金属包括a g ，p d 等；非金属有类 金刚石涂层，聚四氟乙烯等，化合物包括t i n ，m o s 2 等，一般可分为物理气相沉积( p v d ) 和化学气相沉积( c v d ) l 巧】。 徐禄祥【2 6 】等利用脉冲真空弧源沉积技术在c r l 7 n i l 4 c u 4 不锈钢和s i 基体上制备了类 金刚石薄膜，结果表明： ( 1 ) 用磁过滤脉冲真空弧源沉积技术在不锈钢表面沉积类金刚石薄膜，使不锈钢 表面的耐磨性大幅度提高。d l c 薄膜的结构、化学键状态、化学惰性、薄膜 硬度、摩擦系数、磨屑性质及膜基间结合力和残余应力均会影响薄膜的耐磨 性。 ( 2 ) 沉积偏压影响d l c 薄膜内部s p 3 键和s p 2 键的含量，随着沉积偏压的增加，d l c 薄膜内s p 3 键和s p 2 键的比值增大，从而使d l c 薄膜的耐磨性发生变化。 李红轩【2 7 】等人利用直流射频等离子增强化学气相沉积技术在单晶硅表面制备了类 金刚石薄膜，结论表明： ( 1 )利用d c r f p e c v d 技术在单晶硅表面成功地制备了均匀、致密且表面粗糙 度很小的d l c 薄膜，该薄膜具有较高的s p 3 含量、h 含量和较高的硬度。 ( 2 ) 所制备的d l c 薄膜与s i 3 n 4 陶瓷球对摩时显示出良好的抗磨减摩性能；薄膜 的减摩抗磨性能同其在s i 3 n 4 陶瓷球偶件磨损表面形成的转移膜相关。 1 5 课题的主要研究内容 钢领与钢丝圈组成一对摩擦副，一般钢领与钢丝圈之间的相对滑动速度高达3 8m s 以上。钢领与钢丝圈之间的磨损机理十分复杂，近年来国内外不少学者根据各自的研 究方法和观测结果，提出了不同的见解，几乎包括了摩擦学中所有的磨损形式，如氧化 磨损、磨料磨损、机械粘合、接触疲劳、撕裂等【2 犯9 1 。国内外的学者们根据此对钢领、 钢丝圈的结构等作了不少改善，现在纺织材料的发展，对钢领、钢丝圈的材料和表面处 理方法也提出了更高的要求，提高钢丝圈的工作寿命能大幅度降低工作时间，提高劳动 生产率。现在的钢丝圈的工艺大致为抛光后再电镀金属镍，以获得耐磨耐蚀的功能，但 是电镀镍会对环境造成污染，很多国家和地区对电镀有严格的限制，所以寻求新的方法 和工艺来满足钢丝圈的工作性能是当务之急。 本课题的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据钢丝圈的工况初步选择几个合适的涂层； 江南人学硕十学位论文 ( 2 ) 对所选择的几个涂层的性能进行检测，包括显微硬度、厚度、表面形貌、涂 层结合强度等分析测试； ( 3 )在摩擦磨损试验机上对几个涂层进行摩擦磨损实验，评价各种涂层的摩擦磨 损性能，分析其是否适用于钢丝圈工况，分析其摩擦磨损机理，并进行比较； ( 4 ) 用腐蚀失重实验、电化学测试等方法测定涂层的耐蚀性能，进行比较： ( 5 ) 综合经济、环境、耐磨耐蚀性能、对工件的加工实现可能等因素对涂层进行 综合评价。 8 第_ 二章h j 丁钢丝罔试验的涂层的选抒 第二章钢丝圈试验涂层的选择 作为环锭细纱机和捻线机上的易损器材，钢丝圈的消耗量非常大，其主要失效形式 是磨损报废。关于其磨损机理和失效形式，国内外学者通过各种方法、装置获得的数据 为依据，提出了众多的见解。钢丝圈的磨损方式并非单一磨损，应包含了粘着磨损、疲 劳磨损、熔化、撕裂等【3 0 】。表面状态对钢丝圈的使用性能和使用寿命有着十分重要的影 响，这一点在钢丝圈制造和应用中早有共识【3 i 】。 2 1 国内现行钢丝圈表面处理方法 近年来国内对钢丝圈表面进行处理的方法主要是采取电镀镍钴的方式，其镀层与钢 丝圈是金属基体属于化学分子键结合，而不是物理附着，这种涂层能承受钢丝圈运行时 所产生的摩擦力，减少磨损，提高钢丝圈的使用寿命【3 2 1 。 青岛一棉、江西棉纺织印染厂等对钢丝圈表面涂覆一种“8 2 3 ”固体薄膜保护剂，使 用表明，润滑性能良好，摩擦系数降低3 0 以上，提高了钢丝圈的抗禊性能，无走熟期， 延长使用寿命一倍多f 弱j 。 西安一家研究所曾与有关单位合作，进行了钢丝圈表面化学气相沉积氮化钛，涂层 厚4 5 微米，硬度h v 2 7 0 0 以上，光洁度v 9 以上，氮化钛与钢的摩擦系数小，耐磨性 能好，试用表明，适纺性、走熟性良好，但由于涂层硬度过高，对普通钢领磨损加剧， 加之当时涂覆设备、工艺复杂，未能得到推广。 2 2 国外钢丝圈表面处理方法 相比较国内而言，国外用于钢丝圈的表面处理方法可谓是五花八门，也取得了各异 的效果，据代表性的简单介绍如下： ( 1 ) 瑞士b r 冱c k e r 公司采用多种技术对钢丝圈进行表面处理【3 4 1 ，有超精细抛光技术、 电镀镍银、深层扩散镀等。其上车后与钢领运行无磨合期，运行稳定，使用寿命长，表 面呈蓝色，笔者也曾对b 画c k e r 的产品做过研究，发现其表面光洁度非常好； ( 2 ) 印度一家公司做了类似b 砌旧公司的深层扩散镀的技术用于钢丝圈表面处理。 处理时将渗剂渗入钢丝圈表面形成一层紧密的组织，可减少高速摩擦生热，耐磨损。钢 丝圈运行平稳，有利于钢领走熟，且对钢领跑道有保护作用； ( 3 ) 日本金井公司对钢丝圈进行镀高强度镍处理，在硬镍镀层中添加其他特种元 素，形成较厚的镀层，钢丝圈走熟良好，该公司还提出镀镍铁合金，低熔点合金铟、锡、 铅复合层，含二硫化钼的合成树脂等技术【3 5 】； ( 4 ) 俄罗斯一家公司对钢丝圈进行激光处理，有效延长了钢丝圈的使用寿命，前 苏联一所纺织学院与企业联合进行了电镀亚硝酸钛钢领和钢丝圈的试验研究，处理的钢 丝圈使用寿命比普通钢丝圈延长了3 4 倍，且纱线断头率低、成纱质量好； 此外，欧美一些公司对钢丝圈也进行了一系列的处理，包括镀镍银、镀金、煮黑、 发兰、涂二硫化钼、聚四氟乙烯等。 9 江南人学硕十学位论文 2 3 试验涂层的选择及其依据 蓉 盖 o 2 3 h _ ce m 憎r 帅 ( 8 ) _ j，m 附”酬 叶”“m ”w 刈州叭以忡 以h m - 恍 厂 l _ u t r 蜀旺d o 棚h ： h 。_ 2 0 0瑚o o 椭ke 啊州 ( b ) 洲k e 唧州v 图2 1 钢丝圈的俄歇电子能谱谱线图 f i g 2 la e sv e r s 邯k i n 鲥c 盯g yo f t h e m 吣eo f r i i l g 昀v e l 盯 l o 第一二章 l j 丁钢丝圈试验的涂层的选择 2 3 1 对现有钢丝圈技术的分析 总之国外的用于钢丝圈的技术目前先进于国内，但大多技术均处于保密状态，且国 外钢丝圈的价格远高于国内。 笔者所在的实验室也对国外某公司的使用性能很好的零件作了一些研究，采用俄歇 电子能谱仪对其表面进行了分析，设备型号p h i 7 0 0 ，采用同轴电子枪和c m a 能量分析 器，能量分比辨率l ，入射角为3 0 0 ，分析室真空度为3 9 l o 9 t 0 r r 。其俄歇电子能谱谱 线图如图2 1 所示。图2 一l ( a ) 是样品表面的a e s 能谱，能看出来，表面含有c 、o 元素， 图2 一l ( b ) 是经溅射o 8 分钟以后的a e s 能谱，含有元素c ，再溅射2 分钟之后含有元素不 变，如图2 一l ( c ) ，可见涂层表面元素种类比较单一，另外此钢丝圈有非常光洁的表面， 无走熟期，使用寿命长。从钢丝圈表面元素分析来看，钢丝圈良好的走熟性能应和表面 光洁度有关，其非常光洁的表面也会带来平稳的摩擦系数和良好的摩擦磨损性能。 2 3 2 最终用于试验涂层的选择及其原因 考虑到时间、经济等因素，课题需要对试验的涂层进行选择，根据以上国内外现行 的和过去的对钢丝圈的表面处理方法，结合可能的实现条件、经济性能、根据现有文献 预期的涂层性能、国内现有技术成熟程度、环保性能等5 个方面的因素，运用主观结合 客观的指标赋权法，对几种涂层进行粗略的预估，选取总分较高的涂层作为本课题的实 验涂层。设定每个指标分数为3 分，分成三个级别，最高为3 分，最低为1 分，中间 等级2 分，未知因素按1 分计算，具体如表2 1 。 瑞士的涂层有着最好的性能，但是由于目前该技术国内几乎不可实现，最后通过几 个涂层的比较，确定化学镀镍磷合金技术、粘结性p t f e 复合薄膜技术、化学气相沉积 技术三种技术获得的涂层作为本课题的研究涂层，其中化学气相沉积技术陕西的一个研 究所曾经试过，采取的是氮化钛，虽然摩擦系数低，摩擦磨损性能好，但由于硬度太高， 会导致钢领加速磨损。在此，笔者结合近年来化学气相沉积技术的发展，考虑涂层硬度、 摩擦磨损性能、耐蚀性能等方面，选择了类金刚石涂层。 一圆殴蠢蔓曩纬雕捌酮 阿j 蟹静吒一晰仍。 錾 t a b i e2 - 1c o l n p a r eo fp r o p e n i e so fd i f r e r e n tc o a t s ，。 n 涂层 器。j 类痢、 扩散镀( 瑞。化学镀镍磷 7- - 有机二硫化聚四氟乙烯化学气相沉薯 镳铑! ，士技术) “4 。技术钼涂层一7一复合涂层。积技术。： ，z、， ，j 一o 馥建r 。，黝i i 缘1 ! 。、i ：一：，赫? ：+ i j ? 艺j t，j 涟o0 4 茹，：。，： ? 预估涤层牲能i 好( 3 )一般( 1 )未知( 1 )未知( 1 )良好( 2 ) 。 ? 技术预估成本鬟 未知( 1 ) 较低( 3 )中( 2 )中( 2 ) 高( 1 ) 。! 国内技术成熟j未知( 1 )成熟( 3 )一般( 1 )成熟( 3 )相对成熟( 2 ) 舅， ： 一叠 ，一性，鬟磁 ! 。环保性能6 i无污染( 3 ) 一般( 1 )轻微( 2 )轻微( 2 )无污染( 3 ) 盘韬 实现条件 ? 未知( 1 )成熟( 3 )相对成熟( 2 ) 相对成熟( 2 ) 相对成熟( 2 ) j 涂层总分 ! 91 18l o1 0 ，施：，“，。o 如崩缢 江南人学硕士学位论文 第三章粘结性p t f e 复合膜的制备和性能研究 3 1 试验试样的制备 实验用基材为7 0 r n i n 7 m m 的4 5 钢，经淬火、回火、表面磨削、化学机械抛光处 理。处理后的试样表面粗糙度r a o 4 左右。主要制备工艺如图3 1 。 厂 l l i 图3 一lp t f e 复合薄膜的制备工艺示意图 f i 9 3 一ls c h 锄ef o rt h ep r 叩a m t i o np r o c e s so f b o n e d 伽n p 啪d e dp t f e s o l i dl u 晡c 锄tf i l 脚 试样前处理采用水洗后热碱除油，再水洗、烘干，喷砂的方式。前处理是影响粘结 固体润滑薄膜摩擦学性能的重要步骤，对于有锈的基体应当先除锈，再进行脱脂，之后 可采用喷砂或磷化处理，鉴于表面磷化会带来污染，结合基体材料考虑，采用喷砂的方 式进行前处理，以提高基体与涂层的结合强度。薄膜制备采取了浸涂、喷涂结合的方式， 然后在2 8 0 下固化烧结4 0 m i n 。一般固体润滑膜的后处理可采用常温固化或者高温固 化，在2 8 0 下固化得到的粘结固体润滑膜的综合性能一般来说优于常温固化。 3 2 涂层性能的测试 3 2 1 涂层表面粗糙度和涂层厚度的测定 用手持式粗糙度仪对试样进行测量，为了保证测出的粗糙度更加接近实际涂层，避 免可能出现的误差，对每块试样均进行了多次测量取其均值来表示涂层的粗糙度。用 t