化学镀镍的研究.doc

摘要目前，环锭细纱机在我国纺织工业中占有的比例最高，而钢领是细纱机及捻线机上卷捻部分的关键零件之一，它与高速（38m/s）在其上旋转的 T7A 钢制的钢丝圈组成一对摩擦副，其工作条件恶劣（高速、高温、高压、单支撑面接触），易磨损、耗量大、更换频繁。由于钢领使用周期短，运转纺纱稳定期短，造成纺纱气圈变化大，尤其使用后期纺纱质量难以保证，出现大量断头，钢领的性能直接关系到纺纱质量及产品成本，因此，为降低和稳定纺纱张力，减少断头，减少成纱毛羽，提高细纱产品质量，节约钢材、能源，降低成本，就必须提高钢领的硬度、耐磨性、光洁度和减少其变形量及摩檫系数，从而延长它的使用寿命。复合化学镀层中嵌入某些固体颗粒可使它们的硬度和耐磨性得以大大提高，纳米材料具有比普通材料高得多的强度和硬度，而纳米陶瓷材料在力学性能方面的优越特性，国外已经有对精密仪器应用纳米陶瓷复合镀覆技术，并已取得了显著效果。本课题研究鉴于对钢领综合性能的要求，对钢领表面采用纳米陶瓷复合镀覆技术，可以大大提高钢领表面硬度，降低表面粗糙度，增加钢领的耐磨性能，延长钢领使用寿命。本文重点研究了钢领表面纳米陶瓷复合化学镀覆工艺，通过大量实验，优化了不同合金层化学复合镀工艺，确定出最佳纳米陶瓷粉粒的配合，最终优选出适合于钢领表面纳米陶瓷复合镀的工艺路线；对纳米陶瓷复合镀层的结构性能和后处理工艺进行了研究，确定了最佳热处理温度，得出纳米陶瓷合金钢领的生产方案。本文通过分析钢领钢丝圈这对摩擦副对纺纱质量及其磨损失效的影响，提出钢领钢丝圈性能需配合使用才能达到较理想的使用情况。因此，对钢领进行纳米陶瓷复合镀的同时，对钢丝圈进行镀覆时加入MoS2、聚四氟乙烯、氟化石墨等减摩粒子，使此对摩擦副的摩擦系数降低至0.140.16之间，并保持钢丝圈硬度在HV9001000左右，使钢领、钢丝圈的硬度配合适中,这样不仅有效减少纺纱断头率和纱线毛羽，还可以提高钢领和钢丝圈的使用寿命，保证钢领的使用寿命为45年，也使钢丝圈寿命20天。通过对钢领表面镀层性能的研究，证明纳米陶瓷复合镀覆技术大大提高了钢领钢丝圈的物理机械性能。本文还对纳米陶瓷合金钢领和纳米陶瓷合金钢丝圈进行了上机试纺试验，实验表明，此种方法所得出的钢领钢丝圈较轴承钢钢领和普通钢丝圈相比，具有表面硬度高，耐磨性好，上机走熟期短，纺纱断头率低的优点，不但大大提高了纺纱质量，还延长了钢领钢丝圈的使用寿命。该工艺的推广运用可节省人力物力，对降低产品成本、提高纺纱质量和增强国际竞争力都具有极其重要的意义。关键词：钢领，钢丝圈，表面硬度，耐磨性，纳米微粒，复合化学镀。ABSTRACTThe ring-spinning-frame is the highest rate in textile industry in china,the ring is one of the key parts of the spiral part on the ring-spinning-frame,It makes up a pair of frictions with the ring travelers which spin with high velocity and is made by T7A steel,Its work condition is very bad(high velocity,high temperature,high pressure,single contact surface),So that the ring wear easily,the wastage is big and exchange constently. At the same time, the short service cycle and stabilization period of the ring make the spinning balloon changing a lot,spinning quality assures hard at late stage and severs appear lot ,the capability of ring relate directly to the quality of spinning and the cost of the products. In order to reduce and stabilize spinning tension,reduce severs and hairiness,imporve spinning quality, save steel material and energy,reduce cost,we have to enhance the hardness,wear resistance,glossiness of the ring,and reduce the rings distortion,so that lengthen its life.Electroless composite coating that embed some solid particle can greatly increase their hardness and fritional,the Ceramic Materials strength and hardness is much taller than common material and nano Ceramic Material proved advantages in mechanical property, nano Ceramic composite electroless plating successed in precise instrument overseas.In view of the combination property of ring in the article, nano Ceramic composite electroless plating technique have application in surface of ring to increase of the surface hardness , wear resistance and service life and to reduce the surface roughness concentration.The article primary study nano Ceramic composite electroless plating technique through many experiments,we optimized composite electroless plating technique of different alloy layer and definited best fit of Ceramic particle and choosed the best nano Ceramic composite electroless plating technique for ring suface.The article study that a pair of frictions consists of ring and ring travelers influence spinning quality and wear to fail and told that performance of ring coordinateing with performance ring travelers can get good effect.Ring surface was treated by nano Ceramic composite electroless plating technique and ring travelers was treated by chemical plating intermingle with particle that can reduce friction,for example :MoS2、polyfluortetraethylene and graphite fluoride,those treatment can reduce the friction coefficient from 0.14 to 0.16 , held the hardness of ring travelers from HV900 to HV1000 in conformity with the hardness of ring, effective reduce the end breaking and hairiness,increase the useful time and keep it from 4 to 5 years and keep the useful time of ring travelers more than 20 days.The study of surface clad layer of ring proved that nano Ceramic composite electroless plating technique can greatly raise rings and travelers physical and mechanical properties.The article said that ring and travelers treaded by nano Ceramic composite electroless plating technique were used spinning machine,results proved ring and travelers treated by this way have higher hardness, higher-wearing feature, good adaptability and lower end breaking than common ring and travelers.This technique not only improve spinning quality and also use long enough.The popularize of the technics will save manpower, material resources and cost , increase the spinning quality and national competitiveness.Sun Wei (Textile process Major)Directed by Professor Wang ShaobinKEY WORDS:ring, ring traveller ,surface hardness,wear resistance, nanoscopic particle, composite electroless plating目录1绪论31.1钢领生产研究现状31.1.1 钢领的工况条件31.1.2钢领、钢丝圈运转与纺纱的关系41.1.3钢领工作部位受力分析51.1.4钢领的磨损机理和失效形式71.1.5钢领的种类81.1.6 国内外钢领生产现状91.2化学镀的研究现状111.2.1化学镀的发展历史111.2.2 化学镀技术的特点121.3化学复合镀的研究与发展131.3.1化学复合镀的发展过程131.3.2化学复合镀技术的特点141.3.3化学复合镀沉积机理151.3.4化学复合镀的分类与应用151.4 纳微米化学复合镀的研究171.4.1纳米材料的特性与应用171.4.2纳米粒子化学复合镀沉积原理171.4.3纳米化学复合镀层的结构、性能特点及影响因素181.4.4 纳米复合镀层的应用191.5本论文研究内容及创新191.5.1研究内容191.5.2 创新之处202 实验主要设备和实验方法202.1实验准备202.1.1实验材料202.1.2 实验设备与仪器232.2 实验方案及工艺流程232.3 镀液配制步骤242.3.1酸性镀液配制步骤242.3.2碱性镀液配制步骤252.4预处理252.4.1钢领表面预处理252.4.2 钢领预处理具体工艺272.4.3纳米粉体预处理292.5 化学镀292.6镀层的测试方法302.6.1镀速的测定302.6.2 复合镀层中微粒含量的测定302.6.3 表面形貌302.6.4 结构分析302.6.5 热处理工艺的选定302.6.6镀层硬度的测定312.6.7 镀层耐磨性测定312.6.8镀层抗粘着磨损性测试312.7小结313合金镀层工艺研究313.1实验准备313.1.1 工艺流程及镀液组成313.1.2实验原理323.1.3 实验装置图333.2 实验结果及讨论333.2.1 Ni-P合金镀层工艺研究333.2.2 Ni-B合金镀层工艺研究363.2.3 合金钢领表面组织结构分析423.2.5热处理对钢领表面合金镀层性能的影响443.3 小结464 纳米化学复合镀工艺研究474.1纳米复合化学镀钢领实验装置474.2 (Ni-B)基合金纳米复合化学镀钢领的工艺研究484.2.1复合化学镀(Ni-B)-SiC工艺研究484.2.2复合化学镀(Ni-B)-Al2O3工艺研究494.2.3复合化镀(Ni-B)-SiC/Al2O3工艺研究494.4 (Ni-P)基合金纳米复合化学镀钢领的工艺研究514.4.1(Ni-P)-SiC复合化学镀的研究514.4.2 (Ni-P)-SiC/ZrO2复合化学镀的研究534.5(Ni-P)-SiC/PTFE复合化学镀钢丝圈的的研究534.6小结545 复合镀层组织结构分析545.1各镀层表面形貌观察555.2 金相组织观察与分析575.3 扫描电镜观察与分析585.4 能谱定量分析595.5本章小结616 复合镀层性能研究626.1试验方法626.1.1试验设备626.1.2 试样制备636.1.3磨损试验步骤646.2.4 镀层抗粘着磨损试验方法656.2试验结果及分析666.2.1 镀态下镀层硬度比较666.2.2热处理对镀层硬度的影响676.2.3镀层耐磨性研究686.2.4 镀层磨损试样分析716.2.5镀层抗粘着磨损性测试分析726.3小结737 生产试验情况737.1纳米陶瓷合金钢领生产试验情况737.2 纳米陶瓷合金钢丝圈生产试验情况757.3 本章小结758 结论与不足768.1 结论768.2 不足78参考文献：781绪论我国是一个纺织大国，纺纱规模居于世界前列，其中95%以上为环锭纺纱机。目前，仅规模以上棉纺企业就拥有约8720万枚环锭细纱机锭数，居世界领先地位，而钢领是环锭纺纱机加捻和卷绕的关键专件之一1。普通钢领的使用寿命为9-12个月，全国年消耗钢领超过一亿只，它易磨损、消耗量大、更换频繁，因此钢领的性能直接关系到纺纱质量及产品成本。国际上先进环锭细纱机锭速已达到25000r/m，我国仅为14000-18000r/m。目前国内钢领的生产水平和钢领使用的恶劣状态之间存在着不相适应的问题，随着纺纱速度的提高，这种不适应的矛盾必将更加突出。1.1钢领生产研究现状1.1.1 钢领的工况条件钢领和钢丝圈是环锭细纱机加捻卷绕机构中的关键部件,细纱机一般锭速在13000-18000r/min 左右, 钢丝圈在钢领上做高速回转运动如图1-1所示为，二者相对运动线速度一般在30-40m/s ,有的甚至高达40-50m/s。钢领钢丝圈的摩擦通常是不加润滑剂的,但由于钢领钢丝圈表面上的原子和分子均处于一种不平衡状态,其表面能很高,导致表面与空气和水蒸汽的原子或分子相互反应,生成蒸汽吸附膜或化学吸附膜2-4。另外,钢领钢丝圈上粉化的纤维、棉蜡或化纤油剂等也形成润滑,从而使钢领钢丝圈得到少量润滑。但由于两者间的相对运动速度很高,工作温度也较高,这种润滑极不充分,因此钢领钢丝圈工作时可认为是处于半干摩擦的滑动摩擦状态。钢领钢丝圈工作温度取决于两者间的摩擦系数、相对运动线速度、散热情况、摩擦接触面积以及钢领所受的外力5、6。在锭速10856r/min 时,平均钢领表面温度为248 ,钢丝圈为388 ,在锭速19200r/ min 时,锥面钢领表面温度为297 ,钢丝圈为425 。钢领钢丝圈的接触面积很小,新钢领纲丝圈的初始表观接触面积为0.1mm2,磨合后的表观接触面积为2.5mm2,由于钢领表面存在微观粗糙,其实际接触面积比表观接触面积要小得多。研究表明实际接触面积只有表观接触面积的1/100-1/10000左右。钢丝圈在运动过程中受力不平衡,受两者表面粗糙度以及纺纱特性等因素的影响,钢丝圈在钢领上的运动是扭摆着高频跳跃式的摆动,其运动极不平稳7-10。由于纺纱车间的温湿度要求较高，空气中水蒸汽的含量对磨损的影响也很大,只要湿度为5% ,磨损就会增加许多倍,而细纱车间为保证正常纺纱,湿度一般掌握在50-60%左右,这将大大影响钢领钢丝圈的寿命。因此，钢领钢丝圈易磨损,用量大,更换频繁,二者配合的好坏直接影响纺纱效率和纱线质量。为减少钢领钢丝圈之间的摩擦,提高系统的运转速度,延长使用寿命,近十年来,国内外都在积极开展钢领钢丝圈新技术的研究。1.1.2钢领、钢丝圈运转与纺纱的关系钢领是环锭纺纱机的三大纺纱专件之一，同罗拉、锭子齐名。钢丝圈则是环锭纺纱机的重要器材，它与钢领配套性状的优劣不仅同成纱质量有关，甚至直接影响到纺纱过程能否顺利进行。可见钢领、钢丝圈与纺纱工艺的关系非同一般。钢丝圈与钢领组成一对摩擦副，图1-1为钢领、钢丝圈工作状态图,两者之间的工况为高压、高速和高温11。在纺纱过程中，钢丝圈受运动的纱线带动在钢领的跑道上高速回转，钢丝圈与钢领之间的相对滑动速度高达3540m/s,有的甚至高达65 m/s ,离心力很大,而且与钢领的接触面积很小,其高速滑动产生的热量不易散失,温升很快, 有时甚至超过500,使钢领表面产生退火，发生粘着磨损12。二者的接触弧面受到不同程度的磨损，造成钢领内跑道凹凸不平，钢丝圈运行不平稳, 纺纱张力突变,细纱断头及毛羽增加13。钢领与钢丝圈的摩擦因数对纺纱张力、气圈形态和卷绕张力也有很大的影响14。值不是愈小愈好,应保持在一定范围之内。钢领衰退的实质是钢领跑道表面值的显著减小,而导致断头和毛羽的骤增15。普通钢丝圈的更换周期为36天，钢领的使用寿命为一年左右。1 钢丝圈 2 钢领 图 1-1 钢领、钢丝圈工作状态图 图1-2 钢领受力分析图在选择性能好的钢领的同时，一定要正确选配好钢丝圈,不同的钢领选用相适应的钢丝圈不但可以提高纱线质量和纺纱产量，而且还能延长二者使用寿命。1.1.3钢领工作部位受力分析钢领工作部位受力分析如图1-2所示16，包括：钢丝圈对钢领的摩擦力F ,钢丝圈对钢领的压应力P(由钢丝圈的离心力Fc,通过钢丝圈施加给钢领的纱线圈绕张力Tw,气圈底端纱张力TR共同产生) ,钢丝圈运行时对钢领的切应力,以及由于摩擦热而引起的热应力f 。对PG14254 钢领配W321-65号钢丝圈,锭速15000 r/min时钢丝圈的离心力Fc Fc = mD2 (2n60) 2式中:m 钢丝圈质量(6.510-6kg) ,D 钢领内径(4.210-3m) ,n 钢丝圈转速(按锭速计n =15000r/min) ,Fc = 3. 368 (N) 。离心力Fc 是钢丝圈重量mg 的5287. 248 倍。(1) 压应力P若钢领钢丝圈接触面积按0.1mm2 计,即A =10-7m2 ,则平均压应力P = Fc/ A = 33.68MPa。赫兹指出,接触面上压应力的分布是不均匀的,在接触面中心点压应力具有最大值Pm , 由摩擦学可知: Pm 与P 的关系为Pm = 1.5 P ,即钢领承受的最大压应力Pm = 50. 52MPa。（2）切应力钢领最大切应力m 与最大压应力Pm 的关系为m = KPm ,一般取K = 1/ 3 ,而钢领最大切应力m = 16.87MPa。从金属材料学可知: 最大切应力作用在0.786 bm 处, bm 为接触带宽的二分之一,即最大切应力m 位于表层下约三分之一接触带宽的距离。（3） 摩擦力FF =N式中:钢领钢丝圈间的摩擦系数,取0.2 ,N 钢丝圈对钢领的压力,按FC 计,由于Tw , TR 在离心力方向的合力较小,故忽略之。F = 0.6736(N)（4） 热应力f金属在其弹性范围内,摩擦热引起的热应力f为:f= RET式中: E 材料的弹性模量, 热膨胀系数, T 热循环温度梯度, R 与泊桑约束有关的系数, 一般取0.5-2.5 。钢领的E = 2.0581010N/m2 ,= 1.510 - 51/,热循环梯度(即温度差) 按氪化技术测得钢领温度值为248, 车间温度下限为22即T =226,钢领约束系数取R =1。钢领热应力f = 53.49MPa。由上可见钢领的工作状况是较为恶劣的,其中压应力、切应力及热应力为交变应力,交变频率为220-300Hz(按锭速13000-18000r/min 计) 。1.1.4钢领的磨损机理和失效形式钢领与高速（38m/s）旋转的钢丝圈组成一对摩擦副，其工作条件恶劣(高速、高温、高压、单支撑面接触)，易磨损、耗量大、更换频繁。磨损报废是其主要的失效形式17。磨损是机械零件因摩擦结果而产生的一种破坏现象。钢领与钢丝圈的磨损问题也是磨损中的一种。几十年来，关于钢领和钢丝圈的磨损机理，国内外不少研究者以不同的研究方法和测量工具结合实践进行了研究，提出了不同的见解，众说纷纭，有如机械粘合、热粘合、接触疲劳、热疲劳、氧化磨损与磨料磨损等机制，几乎包括了摩擦学中的各种磨损现象。实际上，磨损是一种复杂的表面物理化学现象，往往同时出现不止一种磨损形式，且影响磨损的因素众多，钢领和钢丝圈的磨损是以不同形式作不同程度的组合而产生的磨损。大多数研究者普遍认为19-21造成钢领失效的主要磨损形式是粘着磨损和疲劳磨损，但也有人提出了失效的直接原因是局部粘合和光坑22的形成所致。 400左右)所引起的粘着磨损与热疲劳综合作用造成的。有研究者认为23钢领的磨损在前期阶段以粘着磨损为主，在后期以疲劳磨损主。（1） 粘着磨损粘着磨损是在法向载荷作用下，两接触固体表面相对滑动时产生的磨损。钢领与钢丝圈之间受工作条件的限制，不加润滑剂属于干摩檫，摩檫温度和相对滑动速度较高，不能形成自然滑动膜。因高温下形成的氧化膜由于压应力较高而受到破坏，导致两金属表面直接接触。在接触表面上产生很高的应力和热量，致使金属局部产生塑性变形并紧密地接触24，此时钢领和钢丝圈接触表面的凸出部分产生粘着、焊合，称为粘结点，当接触表面有相对运动时粘结点被剪切，使得金属从一个表面移到另一个表面，从而产生了粘着磨损。有这种磨损的特征时，在失效的钢领表面上可以观察到不规则的像小山谷和小山丘似的凹坑和粘着物。影响粘着的因素可分两类，一类是材料性质,另一类是工作条件。第一，材料性质方面：(1)粘着点的断裂一般发生在内聚力较弱的材料中；(2)一般六方晶体结构（hcp）的金属材料的粘着力比体心和面心立方金属材料都要低些；(3)互溶度很高的两个纯金属间具有很高的粘着和焊合能力，因此要避免同种材料组成摩擦副；(4)通常高原子密度、低表面能的晶面（最密排面）作表面时粘着力低，粘着磨损率也低；(5)微量元素如碳硫等对金属及合金的粘着有较大的阻滞作用，从而降低粘着磨损；(6)一般多相金属比单相金属的粘着倾向要小些，金属化合物比单相固溶体的粘着倾向也小些。第二，工作条件方面主要是载荷的大小及运转时间对粘着磨损有较大的影响，由阿恰德25方程可知，粘着磨损与载荷大小及运转时间成正比，与较软材料的硬度成反比。（2） 疲劳磨损疲劳磨损的产生实质上是钢领和钢丝圈这对摩擦副之间所受的交变接触应力和热应力综合作用的结果。由于钢领表面长期经受交变压应力、切应力和热应力作用，使摩擦副材料表面或者表层的薄弱部分产生微裂纹，微裂纹随着交变应力的作用不断扩展，最终金属以薄片的形式断裂剥落下来26。表面上存在的交变压应力造成接触疲劳磨损，热应力则产生热疲劳磨损，疲劳磨损的表现形式为微点蚀和剥落，即在原来光滑的接触表面上产生深浅不同的凹坑（俗称麻点）和较大面积的剥落坑。钢领的失效形式表现为圆环形轨道的平整度下降，摩檫系数增大且不恒定使钢丝圈运动状态不稳定，纺纱性能变坏。钢领是环锭细纱机高速高产的关键零件,对钢领的研究主要集中在如何提高其使用性能,延长其使用寿命,采取的主要措施是进行有效的钢领表面处理,因此研究分析钢领的工况条件和磨损过程显得十分必要,只有搞清这些问题,钢领的表面处理才有可能切中主题。1.1.5钢领的种类（1） 平面钢领普通平面钢领根据宽尺寸将其型号分为PG1/ 2、PG1 、PG2三种,适纺范围广泛，可用于纺特细号纱,细号纱和中、粗号纱。国内钢领产品中以平面钢领为主，锥面钢领产量较小。（2） 锥面钢领锥面钢领有ZM 和HZ 两个系列27。锥面钢领的显著特点是内跑道为双曲线、呈55倾角，使钢丝圈的自由度增大；其颈壁很薄只有0.8mm，在纺纱时，钢丝圈外脚不易碰外壁，抗契性能较好28；纲领和钢丝圈在运转时接触面积大，压强小，接触点位置比较高，有利于钢丝圈内脚的散热，耐磨损，走熟期短、钢丝圈运行稳定等优越的性能特点,但是在纺中、粗号纱时容易缩短钢领使用寿命，并且上机操作不便。1.1.6 国内外钢领生产现状（1）国内钢领生产现状我国所生产的钢领产品中，90%以上为普通低碳钢钢领，材料采用20#钢板经冲压成形、车削加工、表面渗碳、淬火、回火、抛光而成。约10%的产品采用GCr15轴承钢制造，制造工艺和普通低碳钢相近。钢领为薄壁零件，在热处理过程中变形较大， 因而严重影响了其制造精度，出厂钢领的椭圆度公差为0.21mm，跑道平面和底平面的平面度误差较大。在上述工艺条件下加工出的钢领表面硬度为HV800左右，表面摩擦系数为0.180.2。此加工缺陷造成钢丝圈在钢领上并非平滑移动,而是在不停的摆动和高频跳动，由于受这些外力频繁的作用,致使钢丝圈材料易疲劳,加速其磨损衰退,同时亦严重影响纺纱过程中成纱毛羽及纺纱强力的变化。国外钢领选材和热处理设备及工艺都很讲究。广泛采用高碳低合金钢制造钢领，再配以恰当的热处理及表面处理工艺，故钢领质量优良29。如日本用高碳铬钢制钢领经热处理、表面处理和碱性发黑处理后，钢领变形小、尺寸精度高、不生锈，寿命长达8年30。瑞士Bracker公司用高铬轴承钢制钢领，整体淬火后经精磨，走熟性好，表面氧化防护层磨掉后依然光滑如镜。（2） 国内外钢领研究现状1）碳氮、硫碳氮等多元共渗为了提高钢领表面硬度，在渗碳的基础上，采用碳氮共渗、氮化及多元共渗等方法。目前国内使用的渗硫方法主要有低温电解渗硫，磁化低温电解渗硫，室温电解渗硫，气化放电渗硫31。此方法降低了摩察系数（但表面硬度降低 ），提高了钢领的抗粘着和抗疲劳能力，具有较好的耐磨性，一定程度上提高了钢领的寿命，但总体性价比不高。2）粉末冶金烧结钢领粉末冶金烧结钢领是由铁基粉末烧结而成，浸油后自润滑性好,具有高强度、高密度、高精度的特点,其缺点是冶金微孔易堵塞，使用范围受到钢丝圈的限制，使用中润滑油易污染纱线32。在加工时，由于密度较小、脱膜技术复杂、高温烧结时变形量过大等技术原因尚未取得成功。3）镀铬钢领镀铬钢领在国内有一定的应用，由于镀铬表层较硬，并可以减少钢领使用中生锈，延长纲领使用寿命，但采用电镀方法加工时33，钢领内外圈电流密度不匀，造成镀层厚薄差异很大，图1-3显示了镀铬钢领内外跑道处镀层厚度的差异。钢领和钢丝圈在作用过程中由于离心力的作用，内跑道为主要支撑面、磨损量大，但是镀铬钢领外跑道镀层厚，而内跑道镀层反而薄，使得钢领不能满足使用需要。这类钢领上车困难，走熟期过长，钢丝圈易磨损，成纱质量不高。 外跑道处 内跑道处图1-3镀铬钢领不同位置镀层金相照片4）化学气相沉积钢领国外有采用化学气相沉积（CVD）TiC 处理钢领34。化学气相沉积（CVD）是在一定的温度和一定的气氛中通过化学反应，在工件表面涂覆一层极薄的具有特殊性能的单质或化合物。（CVD）TiC 处理的钢领具有硬度高，摩檫系数小，使用寿命稍长等特点，经这种方法处理的钢领使用寿命可达四年，但此方法一次性投资过大，且加工工艺较复杂，产品售价高（一般在2540元左右/只），难以适应目前国内市场需要情况。国内并没有将钢领-钢丝圈这对摩擦副综合考虑。很多纺织企业盲目采用镀铬等高硬度钢丝圈与低硬度钢领配合使用，产生这种现象是不合理的，会造成钢领磨损增大，减小其使用寿命，严重影响成纱质量。而在国外,知名的钢领、钢丝圈制造厂对应其每种钢领都仅有几种圈型的钢丝圈,可以适应不同纺纱品种的需要,并且达到理想的纺纱效果。综上所述，可见国内钢领生产应用状况与国外先进水平存在着较大差距，因此，结合国内实际情况，就必须提高钢领的制造水平，不断开发出精度高、走熟期短、硬度高、耐磨性好、粗糙度小、使用寿命长的钢领新产品，以适应我国环锭纺纱机提速的形势。改进钢领磨损的措施，即解决粘着磨损与疲劳磨损的办法,专家推荐35:合理选择摩擦副材料； 合理选择润滑液与润滑方式； 提高材料表面硬度；降低表面粗糙度值；特殊的表面处理工艺。依据专家的建议,我们合理的配合，为提高钢领的表面硬度，降低钢领表面的粗糙度，延长钢领的使用寿命，研制纳米陶瓷合金钢领，于此同时，我们考虑到钢领钢丝圈这对特殊的摩擦副的配合情况，对钢丝圈也进行相应的纳米陶瓷复合镀覆技术，以提高纺纱质量。 1.2化学镀的研究现状1.2.1化学镀的发展历史化学镀也称为自催化镀，是指在没有外加电流通过的情况下，利用还原剂将溶液中的金属离子，在呈催化活性的物体表面进行有选择地还原沉积，使之形成金属镀层。它是提高金属等材料表面的耐磨性、耐腐蚀性、抗高温氧化性以及其它性能的一种表面强化方法36-38。化学镀的发展史可以说是化学镀镍的发展史。早在1844年，A.Wurtz发表了以次亚磷酸盐作还原剂用于镀液的论述。1916年，Roux39用次亚磷酸盐进行了化学镀镍，但此时的镀液极不稳定，自发分解倾向大，只能在制件表面获得黑色粉末附着物。但化学镀镍技术的奠基人是美国国家标准局的A.Brenner和G.Riddell。他们在1944年进行了第一次实验室试验，并获得了较为稳定的化学镀镍溶液，直到1947年提出了沉积非粉末状镍的方法，弄清了形成涂层的催化特性，使化学镀镍技术工业应用有了可能。所以，化学镀镍技术的历史比较短暂。到了二十世纪七十年代，随着科学技术的进步和工业的发展，化学镀镍的应用和研究发展较快。到了八十年代后期，化学镀镍技术有了很大突破，一些长期困扰着人们的问题如镀液的稳定性和寿命等得到了初步解决，基本上实现了镀液的自动控制，使连续化的大型生产有了可能。因此化学镀镍的应用范围和规模越来越大。据估计，八十年代中期化学镀镍的年产量为1500t，按厚度为25m计，面积达到7.5106m2。其中美国占40%，远东地区占20%，其余为南非和南美洲。在美国大约有900个化学镀镍的工厂，其中40%加工本厂的产品，总产值约为2亿美元。化学镀镍在计算机和电子行业的应用份额最大，在美国约占化学镀镍总产值的20%，另外，阀门制造占15%，飞机和汽车制造占10%。由于市场和应用领域的不同，美国和欧洲化学镀镍的发展不同。美国化学镀镍最早源于通用运输公司的kanigen工艺的商品化。此工艺得到8w%-10w%含磷量的镍磷合金镀层，适用于大的槽容量操作，开始用于生产核工厂的贮槽和槽车内衬，后用于航天、食品、化工、钢铁等行业。60-70年代研究人员主要致力于改善镀液性能，而不是镀层性能。80年代高磷化学镀镍应用增加，这是因为其耐蚀性较好的缘故。还出现低磷化学镀镍和其它化学镀镍工艺40-43。在欧洲，早期的化学镀镍直接针对工程应用的需要，特别是耐蚀性的需要，所以在德国主要使用镍硼合金而不是镍磷合金。Dupont公司引入的含铭镍硼合金具有很高的耐磨和耐蚀性，用于航天、汽车、纺织工业，并用于代替硬铬44。化学镀层作为功能性镀层，未来将向两方面发展。一方面在已有的基础上进一步完善和提高。另一方面，发展功能多样化和与其他先进的辅助技术相互融合，包括印刷电路板的计算机的辅助设计、激光、紫外光、红外线、超声波的诱导化学镀、纳米颗粒的掺杂和特殊性能的LCR元件的织造等先进技术。1.2.2 化学镀技术的特点化学镀与电镀相比，虽然具有一定的不足，如所用的溶液稳定性较差，溶液的维护、调整和再生都比较复杂；但亦具有更多的优势45，如下： 镀层厚度非常均匀，化学镀液的分散力接近，无明显的边缘效应，无论工件如何复杂，只要采取适当的技术措施，就可在工件上得到均一的镀层。因此特别适合形状复杂工件、腔体件、深孔件、盲孔件、管件内壁等表面施镀。电镀法因受电力线分布不均匀的限制是很难做到的。由于化学镀层厚度均匀、又易于控制，表面光洁平整，一般均不需要镀后再加工，适合做加工件超差的修复及特殊选择性施镀。 通过敏化、活化等前处理，化学镀可以在非金属如塑料、玻璃、木材、叶、纤维、复合材料陶瓷及半导体材料表面上进行，并且由于化学镀具有自动催化功能，因此可获得任意厚度的镀层。而电镀法只能在导体表面上施镀，所以化学镀工艺是非金属表面金属化的常用方法。 由于化学镀具有自动催化功能，因此可获得任意厚度的镀层。 工艺设备简单，不需要电源、输电系统及辅助电极，操作时只需把工件正确悬挂在镀液中即可化学镀是靠基材的自催化活性才能起镀，其结合力一般均优于电镀。 镀层有光亮或半光亮的外观、晶粒细、致密、孔隙率低，某些化学镀层还具有特殊的物理化学性能。 化学镀层具有良好的化学、机械和磁学性能。同时化学镀层和基体结合致密均匀，腐蚀介质不易透过镀层达到基体材质，起到了良好的防腐层的作用。化学镀镍由于镀层的结晶细致、孔隙率低、硬度高、镀层均匀、化学稳定性好，已广泛用于电子、航空、航天、机械、精密仪器、日用五金、电器和化学工业中。1.3化学复合镀的研究与发展化学复合镀是通过向镀液中加入具有特殊性能的惰性固体颗粒，使之与基质金属共沉积，从而制备具有特殊性能的复合镀层。复合镀技术自年代开始应用于工业领域以来，日益受到人们的重视。在实际生产中，化学复合镀以其成本低、工艺简单、镀层厚度均匀、可大面积镀覆等优点已经得到了非常广泛的应用。1.3.1化学复合镀的发展过程最早的化学复合镀工艺是由德国Metzger研究成功的Ni P-Al2O3化学复合镀46。随后微米颗粒的化学复合镀逐渐兴起，人们通过加入不同的微米颗粒(Al2O3、SiC、CaF2、PTFE、石墨)等获得了许多性能的涂层。近年来，随着人们对材料性能的要求越来越高，复合镀技术的发展也越来越快，人们意识到以往复合镀层中的化合物颗粒粒度大多在15m件范围，有些竟达810m范围，而工业应用的复合镀层厚度一般为协左右。在这有限的厚度内只能复合几层化合物颗粒，所以镀层的复合量难以提高，极大地制约了复合镀层的发展。如果将颗粒尺寸减小到纳米量级，理论上将可以大幅度提高镀层中的化合物复合量一。纳米粒子化学复合镀作为一项新技术尚处在发展阶段，其优异的性能可以预见，发展前景广阔，我们必须做进一步的研究工作，逐渐开发出具有独特功能的纳米粒子化学复合镀层，为人类造福。1.3.2化学复合镀技术的特点与熔渗法、热挤压法、粉末冶金法等目前用得较多的热加工方法相比，化学复合镀的优点与特点如下47-49：用热加工法制造复合材料，一般需要用5001000或更高的温度处理或烧结。因此很难使用有机物来制取金属基复合材料。此外，由于烧结温度高，基质金属与夹杂于其中的固体颗粒之间会发生相互扩散作用及化学反应等，这往往会改变它们各自的性能，人们对此难以控制，从而出现些并不希望出现的现象。而用化学复合镀法制造复合材料时，大多都是在水溶液中进行，温度很少超过95。因此，除了目前己经大量使用的耐高温陶瓷颗粒外，各种有机物和其它一些遇热易分解的物质，也完全可以作为不溶性固体颗粒分散到镀层中，制成各种类型的复合材料。在这种情况下，基质金属与夹杂物之间基本上不发生相互作用，而保持它们各自的特性。但是，如果人们需要复合镀层中的基质金属与固体颗粒之间发生相互扩散，则可在化学复合镀之后，再进行热处理。与其它制备复合材料的方法相比，化学复合镀的设备投资少，操作比较简单，易于控制，生产费用低，能源消耗少，原材料利用率比较高。所以它是一种比较方便而且经济的方法。化学复合镀技术制备的镀层可控性非常好。同一基质金属可以方便地镶嵌一种或数种性质各异的固体颗粒而同一种固体颗粒也可以方便地镶嵌到不同的基质金属中，制成各种各样的复合镀层。而且改变共沉积的条件，可使颗粒在复合镀层中从零到或更高些的范围内变动，镀层性质也会发生相应的变化。因此，可以根据使用中的要求，通过改变镀层中颗粒含量来控制镀层性能。很多零部件的功能，例如，耐磨、减磨、抗划伤能力、抗高温氧化等均是由零部件的表层体现出来的。而在很多情况下可以用某些具有特殊功能的复合镀层取代用其它方法制备的整体实心材料。也就是说，可用廉价的基体材料镀上复合镀层，代替由贵重原材料制造的零部件。因此，其经济效益是非常大的。1.3.3化学复合镀沉积机理复合镀层的基本成分有两类。一类是通过还原反应而形成镀层的那种金属，可称为基质金属，基质金属系均匀的连续相。另一类则为不溶性固体颗粒，他们通常是不连续地分散于基质金属之中，组成不连续相50。化学复合镀时，微粒与合金的共沉积过程，一般认为分以下几个步骤完成51：镀液中的分散颗粒随溶液流动搅拌传送到镀件表面，并在液流冲击作用下在镀件表面发生物理吸附。微粒粘附于试样上，凡是影响微粒与试样间作用力的各种因素，均对这种粘附有影响，它不仅与微粒的特性有关，而且也与镀液的成分和性能以及化学镀的操作条件有关。粘附于试样上的微粒，必须能延续到超过一定时间，才有可能被化学沉积的金属俘获。因此，这个步骤除与微粒的附着力有关外，还与流动的溶液对粘附于试样上的微粒的冲击作用，以及金属沉积的速度等因素有关。吸附的微粒在活性金属表面上被还原析出的金属埋没在镀层之中，逐步形成复合镀层。1.3.4化学复合镀的分类与应用目前，化学复合镀的镀层根据其功能可分为以下几类：（1）耐磨复合镀层耐磨复合镀层是在镀液中添加惰性硬质微粒化学反应共沉积而形成的。耐磨用的复合镀层其耐磨性与分散粒子的硬度有关，作为复合材料的各种碳化物（如SiC、B4C等）和氧化物(如Al2O3、Cr2O3、ZrO2等)硬质粒子，共沉积在镀层中，其耐磨性不论是未经热处理的复合镀层，还是经过高温处理后的复合镀层，都比原来的金属镀层有较大改善。其原因是当弥散分布于复合镀层硬质粒子与另一滑动面相接触时，磨损将持续到硬质粒子暴露出来以致它们承受磨损负载为止，从而提高了表面耐磨能力52。耐磨复合镀层由于有优异的耐磨性广泛应用在工业生产中，如污水泵的活塞要经受严重的磨料磨损，在活塞上镀上化学复合镀层就能大大提高其耐一磨性和耐蚀性在纺织机滚筒的键槽内镀上化学复合镀层，可在窄而深的键槽中获得均匀的镀层，大大提高了滚筒的使用寿命还有某些复杂形状模具表面不但要求光洁，而且还要求它在使用过程中不易发生划伤、碰痕、变粗糙等毛病，可在其表面镀上一层复合镀层以满足要求53。总之，在工业生产中，化学复合多层在耐磨性能方面应用非常广泛，取得的效果也令人满意。（2）自润滑复合镀层随着科学技术的不断发展，许多设备要求在特殊环境下工作如在高温、高压、高磨蚀性、高氧化性条件下，普通液体润滑剂不能适应这些特殊环境，因此人们的目光己经转移到固体润滑剂上，目前固体润滑在航天航空中得到了广泛应用。一般地，把固体润滑剂固定到摩擦界面上的方法有粉末冶金、火焰喷涂、溅射、真空蒸镀等离子镀把固体润滑剂粉末调成糊状物进行刷涂现在可用化学复合镀法，即采用有自润滑性能的固体微粒（CaF2、PTFE等）与金属共沉积，形成具有自润滑功能的复合镀层54。其减磨原理是在摩擦的初期阶段具有自润滑性的软粒子通过自身的层状剥离开始在镀层表面铺展，经过一定时间的摩擦后，这类固体润滑剂在工作的表面形成厚度均匀的减磨层，镶嵌在镀层中的粒子如湿摩擦中的润滑剂微囊能够保持相互摩擦面之间的摩擦系数平稳。在生产应用中，自润滑复合镀层根据使用条件选择合适的固体润滑粒子至关重要。不同的固体润滑粒子，使用的条件和效果不同，如石墨以颗粒状形式镶嵌在基质金属中形成复合镀层，但是这种镀层在高温、高速、高压、及潮湿的环境下，很快失去润滑作用，而氟化石墨在高温、高压、高速的摩擦状态下，仍能保持良好的摩擦性能，其摩擦系数并不因温度变化而发生显著改变。日本已将该镀层用在连续铸钢用铸模的表面上，大大延长了它的使用寿命，另外，它还可用在活塞和内燃机的汽缸上55。聚四氟乙烯由于化学稳定性高，也是一种非常好的固体润滑剂，如在黄铜制的汽油雾化器件上沉积一层Ni-P-PTFE，可有效地预防雾化器内小孔地阻塞和粘合英国北海油田在海上使用的零件，常镀上一层Ni-P-PTFE以增加其耐蚀性和自润滑性能