鎳-磷-納米碳化硅-聚四氟乙烯化學復合鍍對紡紗鋼絲圈壽命的影響

馬沙沙，王俊勃，雒 千，思 芳，楊敏鴿， 陳寧波，張小峰，李 博

(1. 西安工程大學，陜西 西安 710048；2. 咸陽信合紡機器材有限公司，陜西 咸陽 712000)

鋼絲圈作為環錠細紗機、捻線機的核心器件，與錠子、鋼領協同配合完成紗線的加捻、卷繞[1-2]。鋼絲圈在鋼領上的運轉屬于一種高速、高溫摩擦，與鋼領接觸的部分極易發生過量磨損而使鋼絲圈運行平穩性降低，且接觸處局部高溫的產生會導致黏著磨損現象的發生，屬于一種易磨損、耗量大的紡紗器件。隨著成紗的高速化發展，鋼絲圈耐磨性差，使用壽命短，需頻繁更換等問題逐漸凸顯，其對紡紗的質量、生產成本和勞動生產效率影響很大[3]。

Ni-P基化學復合鍍是在化學鍍的基礎上發展起來的一種表面處理技術，是在化學鍍鎳磷基礎鍍液中加入不溶的第2相微粒，從而獲得綜合性能優異的復合鍍層，因其工藝簡單、鍍層性能良好等特點受到廣泛關注[4-5]。為使化學復合鍍層達到耐磨自潤滑的效果，通常加入的微粒有SiC、SiO2、金剛石等高硬顆粒和聚四氟乙烯(PTFE)、石墨、二硫化鉬(MoS2) 等軟質微粒[6-8]。Ni-P基化學復合鍍與Ni-P 化學鍍相比，其鍍層具有高硬度、耐磨損、熱穩定性強以及工藝簡單等優點，被廣泛應用于航空、輪船、石油化工、機械、汽車及電子等領域[9-11]，且目前將Ni-P基化學復合鍍應用于紡紗鋼絲圈并工業化生產的相關研究報道較少。

基于此，本文以高碳鋼為基材，將納米碳化硅(SiC) 和聚四氟乙烯添加于鎳磷基礎鍍液中，利用化學鍍的方法制備具有Ni-P-SiC-PTFE復合鍍層的鋼絲圈，旨在獲得具有高耐磨、自潤滑性能的化學復合鍍層，提高鋼絲圈的使用周期。同時將Ni-P-SiC-PTFE 化學復合鍍的鋼絲圈與Ni-P化學鍍的鋼絲圈進行對比分析，研究納米SiC和PTFE的添加對鋼絲圈鍍層組織及性能等的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料: 高碳鋼(SWRH 82B，相當于國產82MnA)，江蘇南通金輪集團；純棉纖維(含水率為7.6%，含雜率為1.9%，短絨率為11.8%，回潮率為8.3%)，陜西長嶺紡織機電科技有限公司；六水硫酸鎳，分析純，西安市吉昌化工有限公司；次亞磷酸鈉、碳酸氫鈉、氟化鈉、硼酸、乳酸、乙酸、硫脲、氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸氫鈉，分析純，天津紅巖化工有限公司；納米碳化硅(粒徑為5～10 nm)，上海超威有限公司；非離子分散劑，分析純，天津科密歐化工有限公司；聚四氟乙烯乳液(粒徑為10～15 nm)，廣州菲爾特有限公司。

儀器: DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限公司；Quanta450型掃描電子顯微鏡(SEM)，美國FEI公司；MH-5型數字式顯微硬度計，上海恒一精密儀器有限公司；CT2000型條干均勻度測試儀，陜西長嶺紡織機電科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鋼絲圈基體制備

將高碳鋼圓絲于壓扁機床上壓扁后去應力退火，然后在鋼絲圈成型機(自制)上成型，再進行淬火、回火，最后拋光制成C1#6/0型鋼絲圈基體。

1.2.2 鋼絲圈前處理

在超聲波發生器中加入氫氧化鈉20～40 g/L，碳酸鈉20～40 g/L，磷酸鈉40～60 g/L，于50～70 ℃條件下對試件除油5～10 min，然后取出試件水洗、活化、水洗至無大量氣泡產生。

1.2.3 鋼絲圈化學復合鍍

基礎鍍液配方為：六水硫酸鎳20～30 g/L、次亞磷酸鈉20～30 g/L、碳酸氫鈉20～25 g/L、氟化鈉0.6 g/L、 硼酸3 g/L、乳酸25 mL/L、乙酸5 mL/L、穩定劑2 mL/L。化學復合鍍是在以上基礎鍍液中再加入10～20 g/L納米碳化硅、60～65 mL/L聚四氟乙烯乳液及10 mg/L非離子分散劑，然后將化學復合鍍液置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，在pH值為4.6～4.8，溫度為(80±2) ℃條件下施鍍20～30 min后取出鍍件，并沖洗、干燥和稱量，得到Ni-P化學鍍與Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍鋼絲圈。

1.3 測試與表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)配合能譜分析儀(EDS)，對鍍層表面及其上車磨損后的組織微觀形貌和表面化學組成進行觀察測試，并測量鍍層厚度。

用數字式顯微硬度計測試鋼絲圈鍍層和基體的硬度，2種樣品各測量5次，取平均值。

將鋼絲圈置于環錠紡紗機上，采用純棉纖維紡制14.5 tex精梳紗，在同品種、同機臺情況下跟蹤試紡，利用條干均勻度測試儀測試使用鋼絲圈試紡周期后紗線質量的各項指標。測試速度為400 m/min。

2 結果分析與討論

2.1 鍍層形貌分析

Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層及Ni-P化學鍍層的鋼絲圈表面形貌如圖1所示。可見，Ni-P-SiC-PTFE鍍層表面大部分區域較Ni-P鍍層的表面更光滑平整，復合鍍層表面覆蓋了一層薄膜，該薄膜為PTFE乳液在化學復合鍍溫度下發生膠化而形成的，且膜下均勻分布著許多胞狀物，并有一些棱角分明的黑色顆粒嵌入；而圖1(b)Ni-P鍍層表面僅呈現出胞狀形貌，且胞狀物尺寸偏大。這可能是因為鍍液中添加的SiC微粒，使形核質點數增加，形核率提升，細化了晶粒。

圖1 鍍層表面形貌照片(×2 000)Fig.1 Surface images of coatings(×2 000). (a) Ni-P-SiC-PTFE electroless composite plating; (b)Ni-P electroless plating

為更直觀地觀察鍍層的表面形貌，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層的表面形貌如圖2所示。可清楚地觀察到一些棱角分明的黑色顆粒鑲嵌或半鑲嵌于大量胞狀物中。

圖2 腐蝕后的Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層表面 形貌照片(×2 000)Fig.2 Surface morphology of Ni-P-SiC-PTFE electroless composite plating after corrosion(×2 000)

圖3示出對圖2中A、B點進行EDS測試分析的能譜圖，A、B點的元素及其含量如表1所示。可知，鍍層中A、B點元素分布分別接近于SiC和鎳磷，因此，鍍層中黑色顆粒(A點)和呈淺灰色的胞狀物(B點) 分別為納米SiC和Ni-P合金。SiC顆粒鑲嵌在鎳磷基質中，作為第2相可對組織產生彌散強化的作用。

Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層截面能譜面掃描圖像如圖4所示。

由氟元素縱截面(即鍍層表面)的面掃描圖中氟元素分布可明顯觀察到，PTFE微粒多分布于呈胞狀顆粒的界面處。結合圖1(a)、圖2和圖3(b)能譜圖可以確定，PTFE微粒大部分沿胞狀鎳磷合金的界面均勻分布；圖4(c)中氟元素在橫截面的整體分布也較均勻，可見PTFE微粒均勻分布于整個復合鍍層。圖4(b)和(d)中SiC微粒在復合鍍層中出現部分團聚，分布不均勻。

圖3 Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層的能譜圖Fig.3 EDS diagrams of Ni-P-SiC-PTFE electroless composite plating in point A(a) and point B(b)

表1 Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層表面A與 B點元素及含量Tab.1 Element and content of points A and B on surface of Ni-P-SiC-PTFE electroless composite plating %

圖4 Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層截面的面掃描圖像Fig.4 Scanned image of Ni-P-SiC-PTFE electroless composite plating. (a) Fluorine element longitudinal section; (b) Silicon element longitudinal section; (c) Fluorine element cross section; (d) Silicon element cross section

圖5示出Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層及Ni-P 化學鍍層的截面形貌。圖中Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍層厚度均勻，且鍍層與基體間結合十分緊密，經測試其厚度約為14 μm，鍍層整體光滑細膩。而Ni-P化學鍍層與基體間存在較大縫隙，分層較明顯，因此其界面結合力較差；且Ni-P化學鍍層高低起伏，厚度不均勻，這對紗線在鋼絲圈上的運行平穩性有較大影響，經測試鍍層厚度約7 μm，與Ni-P-SiC-PTFE 化學復合鍍層相比，厚度較薄，這可能導致鍍層過早脫落。

圖5 鍍層截面形貌(×5 000)Fig.5 Cross-section morphology of coatings(×5 000). (a) Ni-P-SiC-PTFE electroless composite plating; (b) Ni-P electrless plating

2.2 鍍層顯微硬度分析

不同表面處理后鋼絲圈的基體和鍍層的硬度值如表2所示。可以看出，Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍和Ni-P化學鍍鋼絲圈基體的硬度分別為6.39、6.36 GPa，二者硬度基本一致。而Ni-P-SiC-PTFE復合鍍層的硬度為6.68 GPa，與Ni-P鍍層相比提高了24.5%。鍍層硬度的差異可能是由于：Ni-P-SiC-PTFE 化學復合鍍液中加入的SiC顆粒明顯提高了鍍層硬度；雖然也加入了軟質的PTFE，但測量壓頭尺寸明顯大于SiC和PTFE顆粒尺寸，且SiC和PTFE顆粒分散分布，壓頭很難壓在整個PTFE微粒上，因此，復合鍍層硬度高于普通Ni-P鍍層。

表2 不同表面處理后鋼絲圈基體和鍍層的硬度Tab.2 Hardness of base and coating of traveller after different surface treatments

2.3 上機試紡結果分析

以精梳緊密紡14.5 tex棉紗線為例，將試樣置于環錠紡紗機上，同品種、同機臺情況下，各隨機選取4個錠子進行成紗質量跟蹤，表3示出上車7 d后不同表面處理鋼絲圈的試紡結果。Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍與Ni-P化學鍍相比：紗線的質量變異系數和毛羽值有所降低，成紗質量穩定，對最終織物的手感及外觀有一定的改善；紗線的細節、粗節和棉結分別降低40%、18.8%、10.3%，細節、粗節和棉結都與紗線強力有很大的相關性，都是紗線斷頭發生的主要因素[12]。表4示出不同表面處理的鋼絲圈試紡后的斷頭率。可以發現：與Ni-P化學鍍相比，Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍的鋼絲圈試紡后，紗線千錠時斷頭、落紗后斷頭減少，其中鋼絲圈掛花引起的斷頭率明顯降低，因此，Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍具有比Ni-P化學鍍的鋼絲圈更好的紡紗性能。

表3 不同表面處理鋼絲圈的試紡性能Tab.3 Yarn hairiness index of travellers with different surface treatments

表4 不同表面處理的鋼絲圈試紡后的斷頭率Tab.4 Breakage ratio of different surface treated travellers after trial spinning

圖6示出Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍和Ni-P化學鍍的鋼絲圈上車紡紗1周后的磨損表面形貌。可見，Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍的鋼絲圈磨損后表面磨痕較淺，鑲嵌在鎳磷基中的SiC顆粒部分磨損，棱角鈍化，磨損表面較光滑，顆粒表面及周圍覆蓋了一層薄膜，且復合鍍層產生的磨屑尺寸較鎳磷鍍層小；而Ni-P鍍層的磨損表面呈現較深的犁溝，磨痕多且寬。

圖6 化學復合鍍鋼絲圈磨損表面形貌照片(×2 000)Fig.6 Morphology of electroless composite plated traveler after abrasion(×2 000). (a) Ni-P-SiC-PTFE electroless composite plating; (b) Ni-P electroless plating

2種磨損表面的差異在于磨損機制不同，圖7示出化學復合鍍鋼絲圈的磨損機制模型。Ni-P化學鍍鋼絲圈高速運轉時，其與鋼領間處于干摩擦狀態，磨痕易產生并不斷增多，紗線極易刮毛和斷頭。化學復合鍍鋼絲圈組織中分布著納米SiC和PTFE自潤滑顆粒，同時鍍層表面覆蓋了1層由PTFE乳液在化學復合鍍溫度下發生膠化而形成的黏膜，其包裹著PTFE顆粒，使具有良好潤滑性的PTFE顆粒吸附在硬相SiC和鎳磷球周圍(見圖7(a))，此黏膜會縮短鋼絲圈上車走熟期。鋼絲圈上車初期,鍍層表面黏膜由于磨損逐漸消失，隨后鎳磷球和SiC顆粒開始磨損，與紗線接觸部位的鍍層產生以高硬度SiC被磨損為主的磨粒磨損，減緩了磨損速度；同時，鍍層表面PTFE顆粒在壓力作用下發生塑性變形，鋪展在硬顆粒及鎳磷球周圍，形成1層自潤滑膜，如圖7(b)所示，此潤滑膜可鈍化硬SiC顆粒的銳角，繼而減少摩擦和降低紗線毛羽率。隨著鋼絲圈運轉，鍍層表層磨損掉，新的鎳磷球、SiC顆粒和PTFE顆粒暴露出來，在壓力作用下新的自潤滑膜又形成，鍍層不斷磨損至脫落。

圖7 化學復合鍍鋼絲圈的磨損機制模型Fig.7 Wear mechanism model of electroless composite plated traveler. (a) Unspun period; (b) Early spinning

鑒于單個鋼絲圈質量很小且磨損量難以直觀反映，取上車試紡1周后的2種鋼絲圈各100個，稱其總磨損量發現：Ni-P化學鍍的鋼絲圈磨損量為0.38 g，而Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍鋼絲圈的磨損量為0.26 g，其較化學鍍鋼絲圈的磨損量減少31.6%，因此，Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍的鋼絲圈呈現出比Ni-P化學鍍優良的耐磨性。

3 結 論

本文利用化學復合鍍技術制備了具有Ni-P-SiC-PTFE復合鍍層的鋼絲圈，所制備的Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍與Ni-P化學鍍鋼絲圈相比，鍍層的厚度、硬度和均勻性等均得到明顯提高，復合鍍層厚度由7 μm增加至14 μm，且厚度均勻，鍍層硬度由5.37 GPa提升到6.68 GPa。高硬度納米SiC和PTFE自潤滑顆粒的加入，使鋼絲圈試紡后的紗線質量得到提高，其中紗線的細節、粗節和棉結分別降低40%、18.8%和10.3%，紗線千錠時斷頭根數減少，鋼絲圈掛花引起的斷頭率也明顯下降，這將賦予織物美觀性及舒適性。試紡后，Ni-P-SiC-PTFE化學復合鍍鋼絲圈因磨損量較Ni-P化學鍍鋼絲圈減少了31.6%，呈現出優良的耐磨性，因此，Ni-P-SiC-PTFE 化學復合鍍技術在延長鋼絲圈的使用壽命中有良好的應用前景。