王顯方

摘 要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)液氮深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)的表面微觀組織、力學(xué)性能、磨損性能和紡紗性能等進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)深冷處理過(guò)的鋼領(lǐng)，顯微硬度高，壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度大，成紗質(zhì)量好。故鋼領(lǐng)液氮深冷處理是提高成紗質(zhì)量，延長(zhǎng)鋼領(lǐng)使用壽命的有效途徑。

關(guān)鍵詞：液氮深冷處理；鋼領(lǐng)；顯微硬度；沖擊強(qiáng)度；磨損量；質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TS103.813 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-2346（2017）04-

鋼領(lǐng)是紡紗機(jī)的關(guān)鍵器材之一，對(duì)成紗質(zhì)量和企業(yè)成本有著重要的影響。鋼絲圈和鋼領(lǐng)是一對(duì)關(guān)鍵的摩擦副，完成紗線的卷繞和加捻功能，對(duì)紗線的條干、棉結(jié)、毛羽等質(zhì)量指標(biāo)有一定的影響作用。[1]

深冷處理技術(shù)是指在-120℃以下對(duì)金屬材料進(jìn)行處理，目的是提高材料的強(qiáng)度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。早期將零件埋于干冰中來(lái)提高零件的綜合性能，目前采用液氮作為冷處理的冷卻介質(zhì)，利用其相變（ 氣化） 吸熱來(lái)獲得低溫環(huán)境。氮?dú)馐谴髿庵械淖钪饕煞葜?，?lái)源廣泛，無(wú)毒無(wú)味，對(duì)環(huán)境無(wú)污染且價(jià)格便宜，因而在深冷處理技術(shù)的應(yīng)用屬于綠色制造技術(shù)范疇，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。[2]

美國(guó)從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始進(jìn)行深冷處理對(duì)金屬性能影響的研究，主要應(yīng)用對(duì)象是航空領(lǐng)域。1965年Barron對(duì)不同種鋼材分別進(jìn)行了深冷處理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理與未經(jīng)深冷處理的鋼相比，耐磨性增加了2～7倍。1987年，Gray國(guó)際深冷處理研究會(huì)對(duì)各種磨具和刀具、特殊用鋼等進(jìn)行深冷處理，發(fā)現(xiàn)處理后壽命可提高5～10 倍。[3]我國(guó)徐祖耀院士在1960年對(duì)高速鋼的低溫處理進(jìn)行了卓有成效的研究工作。在20世紀(jì)80年代后期，李智超、董允等研究深冷處理工藝在各鋼種上的應(yīng)用、深冷處理對(duì)冷模具材料9SiCr力學(xué)性能的影響、深冷處理40Cr鋼的韌性、深冷處理高速鋼的工藝規(guī)范及力學(xué)性能等。[4]如今，國(guó)內(nèi)主要對(duì)工模具鋼、軸承鋼、高速鋼及硬質(zhì)合金等進(jìn)行了大規(guī)模深冷處理技術(shù)的應(yīng)用，特別是在標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)、工具行業(yè)、紡織行業(yè)、航空航天行業(yè)以及復(fù)合材料等方面，取得了一定進(jìn)展。

1 液氮深冷處理鋼領(lǐng)的制備

將盛放材質(zhì)為20#低碳鋼的PG1-4254普通鋼領(lǐng)的網(wǎng)籃放入專(zhuān)用的液氮容器內(nèi)，液氮的溫度為-185℃，保持時(shí)間為19小時(shí)，然后取出鋼領(lǐng)使其自然恢復(fù)到室溫，作為試樣待用。

2 液氮深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)性能分析

2.1 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)內(nèi)跑道表面形貌分析

在S-570掃描電子顯微鏡下，拍攝了PG1-4254鋼領(lǐng)在深冷處理前后使用1個(gè)月和6個(gè)月后的內(nèi)跑道

表面形貌，由圖1可知，由于鋼絲圈內(nèi)腳的作用使得普通鋼領(lǐng)表面出現(xiàn)了深淺不一、高低不平的平行溝槽，圖2為普通鋼領(lǐng)使用6個(gè)月后的表面情況，由于粘著磨損犁削作用使內(nèi)跑道形成的溝槽越來(lái)越明顯。圖3為經(jīng)過(guò)深冷處理的鋼領(lǐng)使用1個(gè)月內(nèi)跑道形貌，圖4為深冷處理鋼領(lǐng)使用6個(gè)月內(nèi)跑道形貌，從圖中可以看出， 使用1個(gè)月與使用6個(gè)月的深冷處理鋼領(lǐng)內(nèi)跑道表面形貌幾乎近似，鋼領(lǐng)表面沒(méi)有粘結(jié)物，沒(méi)有磨損的裂紋和疲勞磨損，鋼領(lǐng)表面光滑。

2.2 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)內(nèi)跑道力學(xué)性能分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案與儀器

硬度實(shí)驗(yàn)采用HXS-1000A型顯微硬度計(jì)分別對(duì)20個(gè)PG1-4254深冷處理前后鋼領(lǐng)試樣表面進(jìn)行硬度測(cè)量，加載質(zhì)量為250g，時(shí)間為15 s，每個(gè)試樣測(cè)9個(gè)點(diǎn)，去掉1個(gè)最大值和1個(gè)最小值后取算術(shù)平均值。[5]

沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用XJXD-22型懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊強(qiáng)度執(zhí)行GB/T1043-93標(biāo)準(zhǔn)，在常溫下分別對(duì)20個(gè)深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測(cè)試，最后計(jì)算20個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用濟(jì)南時(shí)代WDW-10型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，常溫下分別對(duì)20個(gè)深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，計(jì)算20個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。

壓縮性能用材料的壓縮強(qiáng)度來(lái)表示，壓縮強(qiáng)度計(jì)算公式為：

Pt = P / （ b·d）

式中：P-壓縮過(guò)程中試樣承受的最大載荷，b-試樣寬度，d-試樣厚度。

2.2.2 結(jié)果與分析

深冷處理前后鋼領(lǐng)內(nèi)跑道平均力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1試驗(yàn)結(jié)果表明，深冷處理鋼領(lǐng)的顯微硬度為800 HV，約為普通鋼領(lǐng)的1.0倍；壓縮強(qiáng)度為290 Mpa，約為普通鋼領(lǐng)的1.5倍；沖擊強(qiáng)度為20.8 Mpa，約為普通鍍鎳鋼領(lǐng)的1.5倍。分析其主要原因是：經(jīng)過(guò)深冷處理后的材料微觀組織發(fā)生了變化，殘余的奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高了材料的硬度和尺寸穩(wěn)定性；在上述轉(zhuǎn)化中從馬氏體中又析出了大量的微細(xì)碳化物，從而產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化，提高材料的機(jī)械性能。另外在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，待恢復(fù)至室溫時(shí)，在鋼領(lǐng)表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這種應(yīng)力對(duì)材料局部強(qiáng)度成紗有利，從而進(jìn)一步提高材料的表面硬度及強(qiáng)度，鋼領(lǐng)尺寸更加穩(wěn)定。[6]

2.3 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)內(nèi)跑道摩擦磨損性能分析

2.3.1 試驗(yàn)方案與儀器

鋼領(lǐng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用MM–200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，上環(huán)采用45#低碳鋼，硬度為HV850，表面粗糙度Ra為0.1 ?m，下環(huán)為深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為2.0 m/s，試驗(yàn)載荷3 kN，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)120 min，在常溫下分別20個(gè)深冷處理鋼領(lǐng)和普通鋼領(lǐng)試樣進(jìn)行摩擦磨損量試驗(yàn)，摩擦力矩經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，并換算成摩擦因數(shù)，按下式計(jì)算摩擦系數(shù)：

式中：M-摩擦力矩，F(xiàn)-載荷，r-對(duì)磨件半徑。

用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量試樣磨痕寬度，并換算成磨損率。

2.3.2 結(jié)果與分析

深冷處理前后鋼領(lǐng)內(nèi)跑道平均摩擦磨損性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知：深冷處理前后2種鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)差別不大，深冷處理鋼領(lǐng)的平均磨損量為1.5 %，普通鋼領(lǐng)磨損量約為4.5 %，深冷處理鋼領(lǐng)的耐磨性能明顯高于普通鋼領(lǐng)，分析其原因是：由于經(jīng)過(guò)深冷處理的鋼領(lǐng)其硬度和強(qiáng)度都明顯提高，故鋼領(lǐng)的磨損量減低，延長(zhǎng)了鋼領(lǐng)的使用壽命。[7]

3 深冷處理鋼領(lǐng)與普通鋼領(lǐng)的紡紗性能分析

3.1 試驗(yàn)條件

選用深冷處理前后的PG1-4254型鋼領(lǐng)各30只，配套鋼絲圈型號(hào)為FU 10/0型，細(xì)紗機(jī)為FA506，粗紗定量為4.5 g/10m，錠子速度分別為15000 r/min和21000 r/min情況下，在細(xì)紗機(jī)相同錠子上紡制精梳13.2 tex純棉紗，細(xì)紗車(chē)間溫度為25℃，相當(dāng)濕度為68 %。

3.2 試驗(yàn)用的儀器設(shè)備及參數(shù)設(shè)計(jì)

采用長(zhǎng)嶺紡電XT128型單紗強(qiáng)力儀，拉伸速度為500 mm/min，夾持長(zhǎng)度為500 mm，預(yù)加張力為5±0.5 cN，取30次測(cè)試平均值；采用YG172毛羽儀，測(cè)試長(zhǎng)度為10 m，測(cè)試速度為30 m /min，每管測(cè)試20次。在測(cè)試溫度20±3℃，相對(duì)濕度65±3 %下，進(jìn)行成紗質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

成紗質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在相同錠速下，深冷處理的鋼領(lǐng)較普通鋼領(lǐng)的條干CV值小、單紗強(qiáng)度CV值大，成紗的細(xì)節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié)少、毛羽指數(shù)小、千錠時(shí)斷頭少。其主要原因是：在紡紗過(guò)程中，由于鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間為點(diǎn)接觸干摩擦，導(dǎo)致鋼絲圈運(yùn)行不穩(wěn)定，使得鋼絲圈呈跳躍式不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，紗線張力易產(chǎn)生突變，一方面使成紗的條干和強(qiáng)力不勻，另一方面產(chǎn)生紗條毛羽、細(xì)節(jié)、粗節(jié)、棉結(jié)和斷頭，使成紗質(zhì)量降低。經(jīng)過(guò)深冷處理后的鋼領(lǐng)微觀組織發(fā)生了變化，其硬度、強(qiáng)度得到了改善，尺寸穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)，高溫硬度更大，[8]故鋼絲圈在其上運(yùn)行時(shí)，相對(duì)平穩(wěn)、可靠，成紗質(zhì)量得到了改善。對(duì)比錠子的不同速度中可以看出，使用普通鋼領(lǐng)時(shí)當(dāng)錠子的速度增加時(shí)，成紗質(zhì)量下降，而使用深冷處理過(guò)的鋼領(lǐng)時(shí)在錠子速度發(fā)生變化時(shí)，成紗各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，故深冷處理鋼領(lǐng)更能滿足高速紡紗生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)論

1）經(jīng)力學(xué)試驗(yàn)證明，深冷處理鋼領(lǐng)的顯微硬度為800HV、壓縮強(qiáng)度為290 Mpa、沖擊強(qiáng)度為20.8 Mpa，其力學(xué)性能均優(yōu)良于普通鋼領(lǐng)。

2）經(jīng)磨損試驗(yàn)證明，深冷處理鋼領(lǐng)的磨損率量約為1.5%，比普通鋼領(lǐng)的磨損量減少了3倍，使用壽命更長(zhǎng)，性價(jià)比高。

3）經(jīng)紡紗試驗(yàn)，使用深冷處理鋼領(lǐng)的成紗質(zhì)量較普通鋼領(lǐng)優(yōu)，鋼領(lǐng)無(wú)走熟期。

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Preparation and Performance Analysis of Cryogenic Treatment of Steel Collars with Liquid Nitrogen

WANG Xian-fang

（Shaanxi Institute of Industry Technology， Xianyang， Shaanxi， 712000）

Abstract： Based on the experimental methods， the surface microstructure， the mechanical properties， the wear properties and the spinning properties of the steel collars cryogenically treated with liquid nitrogen and the common steel collars were tested and analyzed. The results show that the cryogenically treated steel collars have high micro hardness， high compression strength and impact strength， and excellent yarn quality. Therefore， the cryogenic treatment of steel collars with liquid nitrogen is an effective way to improve the yarn quality and prolong the life of the steel collars.

Key words： cryogenic treatment with liquid nitrogen； steel collars； micro hardness； impact strength； wear extent； quality