鋼領(lǐng)鋼絲圈間摩擦探討

唐文輝

(1.東華大學(xué),上海 201620；2.東飛現(xiàn)代紡織技術(shù)研究所，上海 200083)

?技術(shù)專(zhuān)論

鋼領(lǐng)鋼絲圈間摩擦探討

唐文輝1，2

(1.東華大學(xué),上海 201620；2.東飛現(xiàn)代紡織技術(shù)研究所，上海 200083)

分析鋼絲圈與鋼領(lǐng)間纖維潤(rùn)滑膜的形成原因、摩擦因數(shù)f大小的確定、摩擦力F的測(cè)定及其與f的關(guān)系；論述鋼領(lǐng)、鋼絲圈各種表面處理方法和涂層的優(yōu)劣。指出：減小鋼絲圈與鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)f，可減小鋼絲圈的摩擦發(fā)熱率、增大其散熱能力；我國(guó)鋼領(lǐng)的主要缺陷是鋼領(lǐng)表面遭到破壞，即摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性和一致性被破壞；摩擦因數(shù)f值小且穩(wěn)定的鋼領(lǐng)、鋼絲圈是質(zhì)量追求的目標(biāo)，是產(chǎn)品性能優(yōu)良和技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志。

鋼領(lǐng)；鋼絲圈；摩擦因數(shù)；纖維潤(rùn)滑膜；摩擦力；表面處理；涂層；動(dòng)態(tài)摩擦力

0 引言

在細(xì)紗高速生產(chǎn)運(yùn)行中，鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)殇摻z圈始終在高速、高壓和高溫狀態(tài)下進(jìn)行滑動(dòng)摩擦運(yùn)行，完全不同于常溫狀態(tài)下的滑動(dòng)摩擦。筆者在《鋼絲圈的摩擦發(fā)熱和散熱性能分析》一文中明確指出[1]，突破因鋼絲圈的磨損、燒毀而產(chǎn)生紗線(xiàn)斷頭、毛羽對(duì)錠速提高的約束，就要減小鋼絲圈的摩擦發(fā)熱率和增大鋼絲圈的散熱能力，其有效方法是盡量減小鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦因數(shù)f，以減小鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間的摩擦力F；在另一文中指出[2]，在紡紗過(guò)程中紡紗張力不是恒值，而是不斷波動(dòng)的變量，紡紗張力有隨鋼領(lǐng)板短動(dòng)程升降引起的中周期性變化的張力波動(dòng)，有隨鋼絲圈高速回轉(zhuǎn)引起的短周期性變化的張力脈動(dòng)和由鋼領(lǐng)與鋼絲圈間的摩擦因數(shù)f值突變引起的瞬時(shí)突變張力峰值，這往往是導(dǎo)致紗線(xiàn)斷頭的主因。因此，探討鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦因數(shù)對(duì)細(xì)紗高速化生產(chǎn)有重大意義。

瑞士著名的鋼領(lǐng)、鋼絲圈制造商布雷克(Br?cker)公司曾指出：“鋼領(lǐng)與鋼絲圈問(wèn)題說(shuō)到底是個(gè)摩擦問(wèn)題，也是今后首先要解決的問(wèn)題；但是，要解決摩擦問(wèn)題不是消除摩擦，因?yàn)榧徏喰枰Σ?，至少在某種程度上需要摩擦；平面鋼領(lǐng)上選擇鋼絲圈重量，就是選擇摩擦力”，“鋼領(lǐng)與鋼絲圈問(wèn)題中，最主要的是摩擦和磨損，摩擦力要求達(dá)到一定數(shù)值，但磨損要盡量減少；誰(shuí)解決了摩擦問(wèn)題，誰(shuí)就意味著成功”。

1 纖維潤(rùn)滑膜的形成

在短纖維的紡紗過(guò)程中，三維空間傾斜運(yùn)動(dòng)的鋼絲圈不斷地從運(yùn)行中紗條表面擦、割短纖維性塵雜和毛羽，如圖1所示。擦、割下來(lái)的短纖維性塵雜，不斷擠壓在鋼絲圈與鋼領(lǐng)狹小的接觸面上，使其逐漸形成一層纖維潤(rùn)滑膜，如圖2所示。它改變了鋼絲圈與鋼領(lǐng)間干摩擦狀態(tài)，鋼絲圈能長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，即歸功于這層纖維潤(rùn)滑膜的形成和保持。形成這層纖維潤(rùn)滑膜的必要條件是，紗條表面具有短纖維塵雜和毛羽，這層纖維潤(rùn)滑膜是否形成和保持，直接影響著鋼絲圈與鋼領(lǐng)間摩擦性質(zhì)[3]。

圖1 鋼絲圈擦、割紗條表面

圖2 鋼絲圈與鋼領(lǐng)接觸面形成的纖維潤(rùn)滑膜

2 摩擦因數(shù)f值的討論

鋼絲圈與鋼領(lǐng)接觸面上這層纖維潤(rùn)滑膜的存在，改變了鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦性質(zhì)及摩擦因數(shù)。由于這層纖維潤(rùn)滑膜的復(fù)雜多變性，要確定鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間摩擦因數(shù)f值的大小是困難的，因?yàn)樗c鋼絲圈、鋼領(lǐng)的型式(截面形狀)、材料、熱處理工藝、表面處理和涂層，鋼絲圈速度、紗線(xiàn)內(nèi)纖維材料、車(chē)間溫濕度等諸多因素都有關(guān)系[4]。20世紀(jì)中期，A.E.DE.BARR和H.CATLING認(rèn)為在棉紡生產(chǎn)中，f=0.10～0.35，對(duì)于直徑為51mm的鋼領(lǐng)、8 kr/min的錠子速度和53號(hào)的(1/0)鋼絲圈而言f=0.16，是低速大鋼領(lǐng)條件下典型值[5]。P.F.GRISHIN認(rèn)為：在普通紡紗條件下，當(dāng)鋼領(lǐng)與鋼絲圈之間楔住的情況不顯著時(shí)，f=0.2；在鋼絲圈與鋼領(lǐng)配合不良條件下，f值可以增大到0.25～0.28；當(dāng)楔住問(wèn)題被排除時(shí)，f值可減小到0.12。21世紀(jì)初，瑞士布雷克公司在其《鋼領(lǐng)、鋼絲圈使用手冊(cè)》中指出，現(xiàn)代制造的鋼領(lǐng)與鋼絲圈之間的纖維潤(rùn)滑膜摩擦因數(shù)f值為0.08～0.12[3]。以上資料表明，鋼絲圈與鋼領(lǐng)發(fā)生楔住時(shí)摩擦因數(shù)f值大，楔住消除時(shí)則f值小，在正常紡紗條件下，摩擦因數(shù)f與紗條纖維材料種類(lèi)、表面毛羽和鋼絲圈、鋼領(lǐng)配合及其表面處理狀態(tài)有關(guān)。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，也反映出摩擦因數(shù)f值變化的概況。鋼絲圈在鋼領(lǐng)上的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)決定了在它們配套使用過(guò)程中有走熟期、工作期及損壞期3個(gè)階段。走熟期是鋼絲圈磨損缺口與鋼領(lǐng)內(nèi)跑道的配合逐漸吻合的過(guò)程；工作期是鋼絲圈與鋼領(lǐng)吻合后正常紡紗的過(guò)程；損壞期是鋼絲圈即將磨損到飛圈的短過(guò)程。在鋼絲圈走熟期內(nèi)，摩擦因數(shù)f值較大、紗線(xiàn)張力大、氣圈凸形瘦長(zhǎng)、磨損大；在工作期，摩擦因數(shù)f值變小而相對(duì)穩(wěn)定、紗線(xiàn)張力正常、氣圈凸形適中、磨損少；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，鋼絲圈即將磨損到飛圈短過(guò)程。這說(shuō)明在鋼絲圈走熟期內(nèi)，由于鋼絲圈與鋼領(lǐng)的摩擦配合處幾何形狀不完全吻合，鋼絲圈在三維空間的傾斜運(yùn)動(dòng)受阻，表現(xiàn)為幾何楔的摩擦性狀。這已為不同圈形、不同線(xiàn)材截面形狀的鋼絲圈具有不同摩擦力，即不同摩擦因數(shù)f值和走熟期所證實(shí)。

3 紗線(xiàn)張力與鋼領(lǐng)鋼絲圈間摩擦關(guān)系

由紗線(xiàn)張力理論知，紗線(xiàn)卷繞張力TW和鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間摩擦力F關(guān)系如圖3和公式(1)、公式(2)所示。

F=TWsinγx

(1)

圖3 紗線(xiàn)卷取角與紗線(xiàn)張力

(2)

式中：

γx——紗線(xiàn)卷取角；

f——鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦因數(shù)；

N——鋼領(lǐng)對(duì)鋼絲圈的反作用力；

R——鋼領(lǐng)半徑；

rx——管紗卷繞半徑。

由公式(2)可知，在其他條件不變時(shí)，卷繞張力TW隨鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦因數(shù)f、摩擦力F值增大而增大，減小f、F值是減小卷繞張力TW的有效方法[6-7]。

4 鋼絲圈與鋼領(lǐng)間摩擦力的測(cè)定

直接測(cè)定鋼絲圈與鋼領(lǐng)間摩擦因數(shù)是困難的，一般通過(guò)測(cè)定其摩擦力進(jìn)行換算。鋼絲圈與鋼領(lǐng)間摩擦力的測(cè)定如圖4所示，將紡紗張力測(cè)試設(shè)備中的固定鋼領(lǐng)換成靜壓空氣軸承鋼領(lǐng)，再增加一套動(dòng)態(tài)摩擦力傳感器。取一根金屬絲，將其一端系在固定于鋼領(lǐng)板上的動(dòng)態(tài)摩擦力懸臂梁傳感器的頂部，另一端與鋼領(lǐng)相聯(lián)接。測(cè)試時(shí)鋼絲圈對(duì)鋼領(lǐng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，使鋼領(lǐng)回轉(zhuǎn)體有回轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，但鋼領(lǐng)回轉(zhuǎn)體已被金屬絲聯(lián)接在傳感器上而不能回轉(zhuǎn)，于是鋼絲圈對(duì)鋼領(lǐng)的動(dòng)態(tài)摩擦力被傳遞到傳感器上，被電阻應(yīng)變儀、光線(xiàn)示波器檢測(cè)和記錄。由于靜壓空氣軸承的氣膜有足夠的承載力，因此空氣軸承回轉(zhuǎn)體與軸承座間僅有微小的空氣粘滯力，可以忽略不計(jì)。動(dòng)態(tài)摩擦力及其變化被傳感器反映在光線(xiàn)示波器上的曲線(xiàn)，可以看作是鋼絲圈與鋼領(lǐng)間摩擦力曲線(xiàn)。

1—前羅拉；2—張力傳感器；3—導(dǎo)紗鉤；4—金屬絲；5—?jiǎng)幽Σ亮鞲衅鳎?—橡皮筋；7—鋼領(lǐng)相位傳感器；8—空氣軸承；9—?dú)馊?。圖4 鋼絲圈與鋼領(lǐng)間摩擦力的測(cè)定

測(cè)試條件：紡CJ 29 tex紗，錠速為16.7 kr/min，前羅拉速度為350 r/min，最小氣圈高度為65 mm時(shí)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)態(tài)摩擦力測(cè)定結(jié)果

布雷克公司提供鋼絲圈的摩擦力F與鋼絲圈、鋼領(lǐng)間摩擦系數(shù)f的關(guān)系如圖5所示。

圖5 鋼絲圈摩擦力與鋼絲圈鋼領(lǐng)間摩擦因數(shù)的關(guān)系

由圖5可見(jiàn)：① 鋼絲圈的摩擦力F與鋼絲圈鋼領(lǐng)間摩擦因數(shù)f成正比；② 在鋼絲圈鋼領(lǐng)間摩擦因數(shù)f不變時(shí)，鋼絲圈的摩擦力F隨鋼絲圈質(zhì)量增大而增大；③ 摩擦因數(shù)為0.08、質(zhì)量為40 mg鋼絲圈的摩擦力小于摩擦因數(shù)為0.12、質(zhì)量為28 mg鋼絲圈的摩擦力，體現(xiàn)出小摩擦因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

筆者曾經(jīng)對(duì)普通鋼領(lǐng)和高速鋼領(lǐng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，得到鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦力變化曲線(xiàn)差異，如圖6所示。

圖6 鋼絲圈與鋼領(lǐng)間摩擦力的變化曲線(xiàn)

由圖6可知，鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間的摩擦力隨錠子速度的升高而增大，在一定速度范圍內(nèi)增大比較緩慢；當(dāng)超過(guò)某一速度后，鋼絲圈與普通鋼領(lǐng)間的摩擦力迅速增大，而鋼絲圈與高速鋼領(lǐng)間的摩擦力增大緩慢。這就表明，每一種特定鋼領(lǐng)都有一定的工作速度范圍，超過(guò)此范圍時(shí)，鋼絲圈與鋼領(lǐng)間的摩擦狀況發(fā)生突變，摩擦力迅速增大，不僅產(chǎn)生突變張力、斷頭，而且鋼絲圈與鋼領(lǐng)也迅速磨損。

5 鋼領(lǐng)鋼絲圈的表面處理與涂層

棉紡行業(yè)鋼領(lǐng)、鋼絲圈的質(zhì)量和使用壽命是細(xì)紗高速化生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)鍵，對(duì)成紗的質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)效率都有重大影響。

鋼領(lǐng)、鋼絲圈失效形式主要是摩擦磨損，而機(jī)件的磨損從表面開(kāi)始，當(dāng)幾何形狀、材料、制造設(shè)備與工藝確定后，鋼領(lǐng)、鋼絲圈的表面性能對(duì)其工作狀態(tài)及使用壽命的影響就非常重要。由于鋼領(lǐng)、鋼絲圈的幾何形狀和無(wú)潤(rùn)滑劑狀態(tài)下高速運(yùn)行，劇烈摩擦產(chǎn)生高溫，工作環(huán)境濕度大表面容易氧化銹蝕，從而影響鋼絲圈運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此其表面處理和涂層技術(shù)是細(xì)紗高速化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

5.1 表面處理概況

目前鋼領(lǐng)、鋼絲圈的表面處理主要有以下2種。

a) 鋼領(lǐng)、鋼絲圈的滲碳、滲氮、滲硫等技術(shù)屬于表面改性技術(shù)的范疇，相對(duì)于普通淬火、回火熱處理工藝，它們的表面性能有了較大的改善，但是不能滿(mǎn)足現(xiàn)代高速生產(chǎn)對(duì)其耐磨、優(yōu)質(zhì)的要求。如果能從改善材質(zhì)、提高制造精度以及表面滲金屬及非金屬元素等多種手段同時(shí)運(yùn)用，就會(huì)有效提高鋼領(lǐng)、鋼絲圈的耐磨性能和使用壽命。

b) 近年涂鍍技術(shù)在鋼領(lǐng)、鋼絲圈應(yīng)用，電鍍硬鉻具有高硬度、使用壽命長(zhǎng)，但鍍層的均勻程度差且有污染，難以廣泛應(yīng)用。從工藝及涂層性能上分析，優(yōu)質(zhì)的化學(xué)涂層技術(shù)是比較適于鋼領(lǐng)、鋼絲圈表面處理的，如鍍氟鋼領(lǐng)、鋼絲圈?；瘜W(xué)涂層特點(diǎn)有：① 涂層厚度均勻，不受零件形狀、尺寸影響，與機(jī)體的結(jié)合力好，不會(huì)脫落，方便后處理工序；② 涂層硬度較高、耐磨性能良好，且具有一定的自潤(rùn)滑性，運(yùn)行性能好；③ 防銹蝕性能好，即使在非常潮濕的環(huán)境也不會(huì)被銹蝕；④ 工藝穩(wěn)定、環(huán)保。

化學(xué)涂層因其優(yōu)勢(shì)得到廣泛采用，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以滲入不同的非金屬微粒，在涂層組織中彌散形成復(fù)合涂層，大大地提高涂層的均勻性能，并會(huì)形成自潤(rùn)滑減摩、更加耐磨。當(dāng)加入納米材料時(shí)，便能形成具有特定功能的納米涂層。鍍氟鋼領(lǐng)、鋼絲圈，就是化學(xué)鎳和聚四氟乙烯復(fù)合涂層，它具有較小的摩擦因數(shù)，減摩性能好，但是涂層的硬度低，有硬或鋒利顆粒劃過(guò)時(shí)易破壞涂層。后來(lái)采用化學(xué)鎳添加碳化硼微粒的涂層，碳化硼是綜合性能非常好的陶瓷材料，涂層硬度達(dá)1 000 HV～1 100 HV。碳化硼具有極好的高溫穩(wěn)定性和自潤(rùn)滑性，可以長(zhǎng)期在500 ℃以?xún)?nèi)的高溫下工作而保持硬度不變，具有非常好的耐磨性能。德國(guó)雷納福斯特公司已經(jīng)成功地將這種涂層應(yīng)用于鋼領(lǐng)、鋼絲圈，并且通過(guò)與著名的紡紗廠合作試驗(yàn)，證明了在紡紗鋼領(lǐng)、鋼絲圈上，碳化硼和化學(xué)鎳涂層是最合適的。這種具有陶瓷微粒彌散結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，不但能使鋼領(lǐng)、鋼絲圈的使用壽命有極大地提高，適應(yīng)細(xì)紗高速化生產(chǎn)發(fā)展，還可有效改善紡紗質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

5.2 鋼領(lǐng)的表面處理和涂層5.2.1 光面鋼領(lǐng)

光面鋼領(lǐng)是一種只改變鋼領(lǐng)表面形態(tài)的拋光鋼領(lǐng)，與傳統(tǒng)的麻面鋼領(lǐng)相比，光面鋼領(lǐng)表面光潔，無(wú)明顯加工痕跡，殘余應(yīng)力小，抗粘著、抗疲勞、耐磨損。TW超光潔鋼領(lǐng)，其表面硬度達(dá)到84 HRA以上，表面粗糙度Ra值達(dá)到0.32 μm～0.16 μm，表面組織細(xì)化。

5.2.2 鍍鉻鋼領(lǐng)

鍍鉻鋼領(lǐng)通常應(yīng)用電鍍硬鉻工藝，在鋼領(lǐng)表面鍍上硬鉻層。其最大的特點(diǎn)是硬度高、耐磨損、不生銹、使用壽命長(zhǎng)，使用中還會(huì)在表面生成一層起潤(rùn)滑作用的氧化膜，能抗疲勞裂紋、抗粘著磨損；但其硬鉻層硬度高、抗磨性強(qiáng)，上車(chē)后鋼絲圈很難與之磨合,走熟期長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著鍍鉻技術(shù)和拋光工藝的進(jìn)步，逐步提高電鍍質(zhì)量，上車(chē)前涂潤(rùn)滑脂和加強(qiáng)拋光等方法來(lái)改善鋼領(lǐng)表面粗糙度，縮短鋼領(lǐng)走熟期，但因其對(duì)人體的危害及廢水污染問(wèn)題限制了其發(fā)展[8-9]。

5.2.3 化學(xué)涂Ni-P和浸涂MoS2鋼領(lǐng)

它們的表面處理工藝是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，在鋼領(lǐng)表面形成Ni-P涂層。為提高其硬度和耐磨性，在Ni-P鍍層里添加硬度較大、耐磨性較強(qiáng)的Al2O3、SiC等人造金剛石微粒，然后再增加一道MoS2浸涂工序。鋼領(lǐng)硬度較高、耐磨損，表面摩擦因數(shù)??；耐腐蝕，適于高濕高溫環(huán)境使用；表面平整光滑，摩擦因數(shù)小、走熟期短。

5.2.4 PVD和PACVD真空超硬金屬陶瓷薄膜沉積層處理

在鋼領(lǐng)表面DLC類(lèi)金剛石涂層、TiN(氮化鈦)涂層、TiCN(碳氮化鈦)涂層、TiAIN(氮鋁化鈦)涂層、ZrN(氮化鋯)涂層、CrN(氮化鉻)涂層、TiBN(氮硼化鈦)涂層等可加工性能優(yōu)良的復(fù)合沉積，使鋼領(lǐng)表面耐磨、使用壽命延長(zhǎng)。

5.2.5 激光非晶態(tài)鋼領(lǐng)

通過(guò)脈沖激光照射，使鋼領(lǐng)跑道表面產(chǎn)生一層極薄的金屬熔融層，然后快速急冷凝固，在鋼領(lǐng)表面形成一層非晶態(tài)及枝晶化的金屬組織。鋼領(lǐng)表面硬度達(dá)到1 000 HV以上，同時(shí)減小了表面的摩擦因數(shù)，不僅提高鋼領(lǐng)耐磨性，同時(shí)縮短鋼領(lǐng)走熟期[10]。

5.2.6 自潤(rùn)滑耐磨鋼領(lǐng)

采用具有自潤(rùn)滑性能的固體微粒與金屬分子共同沉積，在鋼領(lǐng)表面滲入并形成一層十分牢固的耐磨自潤(rùn)滑膜，摩擦因數(shù)小而穩(wěn)定、走熟期短，紡紗性能好；耐磨損，大大延長(zhǎng)鋼領(lǐng)使用壽命。

5.2.7 超聲波減磨鋼領(lǐng)

利用超聲波振動(dòng)使鋼領(lǐng)表面在極短時(shí)間內(nèi)迅速形成一層分子厚度的氧化層，并隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐步增厚。此氧化層減小了鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間的摩擦，使鋼絲圈近似于浮在鋼領(lǐng)表面上，其間幾乎處于無(wú)摩擦狀態(tài)，可減少其粘著磨損。

5.2.8 陶瓷鋼領(lǐng)

鋼領(lǐng)采用高性能陶瓷制造，由于材料具有高抗附著磨損性能，耐腐蝕，硬度高，在高溫高負(fù)載情況下，鋼領(lǐng)和鋼絲圈不會(huì)“軟化”，而且鋼領(lǐng)不需要走熟期，可明顯提高鋼絲圈使用壽命，改善成紗質(zhì)量。

5.2.9 納米鍍膜鋼領(lǐng)

該鋼領(lǐng)采用固體薄膜保護(hù)劑，以潤(rùn)滑劑和金屬緩蝕劑相結(jié)合的納米鍍膜新技術(shù)，經(jīng)特殊處理后在鋼領(lǐng)表面形成一層完整固體薄膜，能隔絕空氣與水分等介質(zhì)與金屬表面的接觸，使鋼領(lǐng)具有良好的防銹蝕性能。該膜能與鋼領(lǐng)表面形成一種多層次、多分子化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，其厚度為20 nm，有很強(qiáng)的自潤(rùn)滑特性，使鋼絲圈在鋼領(lǐng)表面上的干摩擦轉(zhuǎn)化為在一層非金屬薄膜上的潤(rùn)滑摩擦。這種新型鋼領(lǐng)顯著降低紡紗過(guò)程中鋼領(lǐng)表面的摩擦因數(shù)，幾乎一上車(chē)即進(jìn)入高速狀態(tài)，可滿(mǎn)足不同紡紗需要[11]。

5.3 鋼絲圈的表面處理和涂層5.3.1 國(guó)內(nèi)鋼絲圈的表面處理和涂層

鋼絲圈的表面處理方法，常用的有電鍍處理、化學(xué)處理和潤(rùn)滑劑處理。電鍍處理，通過(guò)電流浴使鋼絲圈表面鍍上一種或幾種其他金屬層，如電鍍鎳、電鍍鎳鈷和電鍍鎳銀等?；瘜W(xué)處理，改變表面性能，以減少摩擦和劃痕。潤(rùn)滑劑處理是將固體潤(rùn)滑劑(如二硫化鉬)通過(guò)適當(dāng)工藝方法置于鋼絲圈表面(有時(shí)采用加溫滲透法)，以改善它的摩擦性能?，F(xiàn)階段鋼絲圈表面處理有鍍氟、滲硫、滲硼，涂納米級(jí)陶瓷涂料，超高精度拋光等。

a) 重慶金貓紡織器材有限公司產(chǎn)品

1) SP鋼絲圈

在原鋼絲圈表面涂覆一層帶自潤(rùn)滑功能和增加耐磨性能的有機(jī)物涂層，降低表面摩擦因數(shù)，提高鋼絲圈的自潤(rùn)滑性能，故而亦稱(chēng)“高潤(rùn)滑鋼絲圈”。其特點(diǎn)是走熟期短，有效延長(zhǎng)鋼領(lǐng)、鋼絲圈的使用壽命；使用中通常加大一個(gè)號(hào)數(shù)；防銹性能良好，可長(zhǎng)期保存。

2) NT鋼絲圈

采用納米技術(shù)等使產(chǎn)品表面均勻分布并含有一定數(shù)量的納米材料，產(chǎn)生良好抗磨效果，故亦稱(chēng)“高耐磨納米鋼絲圈”，顯著提高鋼絲圈耐磨性能。NT鋼絲圈紡紗特點(diǎn)是走熟期短(純棉、滌棉纖維品種幾乎無(wú)走熟期，粘膠纖維走熟期在1 h～2 h)，適應(yīng)高速生產(chǎn)，壽命長(zhǎng)(一般為普通鍍鎳產(chǎn)品1～2倍)。

3) BS鋼絲圈(藍(lán)寶石合金鋼絲圈)和TP(黃晶)鋼絲圈

為適應(yīng)紡高端紗線(xiàn)和集聚紡紗生產(chǎn)的需求，運(yùn)用合金鋼絲的壓延技術(shù)、成型技術(shù)、熱處理技術(shù)、拋光技術(shù)、納米技術(shù)、表面復(fù)合處理技術(shù)、新材料技術(shù)等多種技術(shù)而開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的產(chǎn)品，產(chǎn)品表面形成均勻分布的納米復(fù)合膜，顯著改善產(chǎn)品的紡紗性能。其優(yōu)點(diǎn)有：① 高速性能好，錠速可達(dá)到19 kr/min～20 kr/min；② 幾乎無(wú)走熟期，上機(jī)即高速；③ 壽命長(zhǎng)，為一般普通鍍鎳產(chǎn)品的1～3倍；④ 鋼絲圈運(yùn)行穩(wěn)定、氣圈形態(tài)控制好、張力穩(wěn)定，成紗毛羽少、棉結(jié)少；⑤ 錠間差異??；⑥ 品種適應(yīng)性強(qiáng)，適紡純棉、滌棉、混紡、純化纖、粘膠纖維等各種纖維品種。

b) 常州航月紡織機(jī)件有限公司產(chǎn)品

1) 納米鍍氟鋼絲圈

① 提高表面自潤(rùn)滑性能，減小摩擦因數(shù)；

② 降低斷頭，減少毛羽，節(jié)電，提高成紗質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本；

③ 優(yōu)異的防銹蝕性能，相應(yīng)延長(zhǎng)使用壽命。

2) 藍(lán)金剛(表面處理)鋼絲圈

① 穩(wěn)定降低斷頭率，比普通鋼絲圈減少20%的斷頭；

② 比普通鋼絲圈減少20%的毛羽；

③ 比普通鋼絲圈延長(zhǎng)使用壽命1倍；

④ 表面硬度高，可延長(zhǎng)鋼領(lǐng)壽命20%左右；

⑤ 性?xún)r(jià)比高，可減少耗用成本約50%。

3) HYB鋼絲圈

① 獨(dú)特設(shè)計(jì)的圈型，使紗線(xiàn)通道的適應(yīng)性得到優(yōu)化；

② 采用優(yōu)質(zhì)合金鋼材料制作，確保了產(chǎn)品的韌性、彈性和金相組織的一致性；

③ 采用先進(jìn)的拋光設(shè)備和拋光工藝，減小鋼絲圈與鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)；

④ 適配PG1型所紡紗號(hào)和各種纖維，適紡高速，適用于集聚紡；

⑤ 合理的硬度和致密的金相組織，可延長(zhǎng)使用壽命。

5.3.2 布雷克(Br?cker)公司產(chǎn)鋼絲圈的種類(lèi)及其表面處理

a) 藍(lán)寶石系列鋼絲圈(Saphir)

采用擴(kuò)壓滲透表面處理，鋼絲圈加入豐富成分材料，產(chǎn)生高效能，應(yīng)用范圍廣(適用各類(lèi)纖維和各種紗號(hào))。

b) 銀星系列鋼絲圈(Starlet)

采用電解表面處理(特殊處理鎳鍍層)，降低紗線(xiàn)通道摩擦因數(shù)以防止纖維紗條的損傷，并取得較佳防銹蝕性能。

c) 魔術(shù)系列鋼絲圈(Magic)

采用鎳/特氟龍鍍層，可以在紡干棉或特別柔順劑處理的合成纖維出現(xiàn)潤(rùn)滑不足時(shí)，鋼絲圈壽命仍可延長(zhǎng)。

d) 麗國(guó)2鋼絲圈(Record2)

采用鎳合金鍍層，適用于合成纖維的特別處理，應(yīng)用于SU鋼絲圈和fr(偏腳圓截面)截面形狀的鋼絲圈最佳。

5.3.3 德國(guó)雷納福斯特(Reiners+Furst)公司產(chǎn)鋼絲圈的種類(lèi)及其表面處理

雷納福斯特(Reiners+Furst)公司認(rèn)為：鋼絲圈的運(yùn)行狀況主要由纖維潤(rùn)滑膜的構(gòu)成以及鋼領(lǐng)與鋼絲圈之間滑動(dòng)性能決定，除了鋼絲圈的工作弧部分應(yīng)與鋼領(lǐng)和紗線(xiàn)品質(zhì)完全匹配外，其表面處理情況也很重要，只要選擇得當(dāng)就可獲得良好的運(yùn)行效果和鋼絲圈的使用壽命[12]。

a) Super Polish超級(jí)拋光型鋼絲圈

采用精選合金鋼，極精確的外形和最佳狀態(tài)的拋光，確保錠間紗線(xiàn)質(zhì)量的一致性，Super Polish是R+F通用型標(biāo)準(zhǔn)鋼絲圈，適用于所有的纖維原材料、紗線(xiàn)品種及號(hào)數(shù)。

b) Black Speed型鋼絲圈

通過(guò)特殊的化學(xué)熱處理，形成黑色閃光的氧化物涂層，能促使纖維潤(rùn)滑膜快速形成，產(chǎn)生優(yōu)良的抗磨效果。這層黑色的氧化物涂層能顯著改善鋼絲圈的散熱效果，并具有高抗銹蝕性能，在很大程度上可防止腐蝕性纖維、增光劑、維潤(rùn)劑的危害以及不良的環(huán)境溫濕度等因素的影響。Black Speed型鋼絲圈非常耐用并富有彈性。

c) AVUS型鋼絲圈

由特殊高合金基材制成的鋼絲圈，彈性極好，在熱處理過(guò)程中加入了抗磨損的成分。這種鋼絲圈極為光滑的表面可以使鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間形成更寬、更佳的接觸面，從而具有更好的散熱效果，同時(shí)也形成良好的潤(rùn)滑膜。鋼絲圈材料中的抗磨損成分阻止材料的自然磨損，使AVUS型鋼絲圈的使用壽命更長(zhǎng)。AVUS型鋼絲圈的優(yōu)點(diǎn)很多，尤其適用在棉紡及類(lèi)似棉但又僅能提供很少的纖維或無(wú)纖維形成潤(rùn)滑膜的纖維材料。

d) Super Speed型鋼絲圈

采用摩擦因數(shù)很低的鍍鎳涂層以獲得良好紗線(xiàn)通道和穩(wěn)定的紗線(xiàn)通道阻力，從而保證了紗線(xiàn)質(zhì)量的穩(wěn)定。這種鍍鎳涂層具有耐磨性，可延長(zhǎng)使用壽命。R+F的Super Speed型鋼絲圈紡紗性能全面，既保持穩(wěn)定的紗線(xiàn)質(zhì)量與高生產(chǎn)力，又可延長(zhǎng)使用壽命。

e) Vector型鋼絲圈

表面采用特殊的特氟龍涂層，在潤(rùn)滑膜的形成受到外界干擾時(shí)，具有這種涂層的鋼絲圈可以提供所需的潤(rùn)滑，阻止紗線(xiàn)斷頭，保護(hù)鋼領(lǐng)表面不受損害。由于Vector涂層的低摩擦因數(shù)，鋼絲圈使用壽命很長(zhǎng)。Vector型鋼絲圈適用于加工所有纖維材料，從中號(hào)(29.2 tex)到細(xì)號(hào)(低于7.3 tex)均可。

f) DiaDur型鋼絲圈

該鋼絲圈的涂層極其平滑，確保獲得最佳的紗線(xiàn)通道。鋼絲圈表面硬度增強(qiáng)，使鋼絲圈使用壽命更長(zhǎng)。在鋼絲圈磨合后，DiaDur鋼絲圈可使紗線(xiàn)參數(shù)在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持恒定，即使在高錠速下也能使紗線(xiàn)斷頭保持低水平。盡管DiaDur型鋼絲圈表面硬度增強(qiáng)，但鋼領(lǐng)表面仍然表現(xiàn)柔和。

g) CeraDur型鋼絲圈

R+F與磨損領(lǐng)域一流的研究機(jī)構(gòu)共同研制CeraDur型鋼領(lǐng)和鋼絲圈，表面磨損值極低。這種鋼絲圈的特色在CeraDur涂層擴(kuò)散過(guò)程中得到極大改善，可使鋼絲圈表面硬度高于1 100 HV且摩擦因數(shù)極低。在相同的紡紗條件下，CeraDur型鋼領(lǐng)和鋼絲圈表現(xiàn)卓越，鋼絲圈使用壽命可達(dá)20周。CeraDur型鋼絲圈也能應(yīng)用于Turbo型鋼領(lǐng)上,并且能形成一個(gè)很好的潤(rùn)滑膜。CeraDur型鋼絲圈用于中號(hào)(29.2 tex)到細(xì)號(hào)(低于7.3 tex)紗。

6 結(jié)語(yǔ)

6.1 約束錠速提高的因素之一是鋼絲圈熱磨損飛圈、斷頭，使鋼絲圈的線(xiàn)速度受到限制。突破鋼絲圈的熱磨損燒毀對(duì)錠速提高的約束的主要手段是減小鋼絲圈的摩擦發(fā)熱率和增大鋼絲圈的散熱能力，其有效方法是盡量減小鋼絲圈與鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)f，以減小鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間的摩擦力F。鋼絲圈與鋼領(lǐng)的摩擦因數(shù)f值的突變所引起的瞬時(shí)突變張力(張力峰值)，是約束錠速提高的另一因素。鋼絲圈與鋼領(lǐng)的摩擦是環(huán)錠紡高速化生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的研究課題。

6.2 在鋼領(lǐng)制造過(guò)程中應(yīng)對(duì)鋼領(lǐng)進(jìn)行表面處理，鋼領(lǐng)表面處理的目的是為獲得較低的摩擦因數(shù)，滿(mǎn)足其穩(wěn)定性和一致性要求，提高鋼領(lǐng)抗氧化、防銹蝕能力，達(dá)到較小的、穩(wěn)定一致的摩擦因數(shù)要求，雖然難度較高，但這是高質(zhì)、高速鋼領(lǐng)必備的品質(zhì)。鋼領(lǐng)摩擦因數(shù)小，可采用較厚、較重鋼絲圈，有利延長(zhǎng)使用壽命；摩擦因數(shù)穩(wěn)定、一致性高、走熟期短有利正常氣圈的穩(wěn)定控制，可縮小錠差，生產(chǎn)高品質(zhì)紗線(xiàn)。只有經(jīng)過(guò)科學(xué)處理，才能獲得高性能鋼領(lǐng)；為此，國(guó)外將最先進(jìn)的表面處理技術(shù)應(yīng)用在鋼領(lǐng)上，使其表面光滑、摩擦因數(shù)小(0.08～0.12)、穩(wěn)定性和一致性好。國(guó)內(nèi)鋼領(lǐng)表面處理技術(shù)落后，摩擦因數(shù)較大(0.15～0.24)，且鋼領(lǐng)個(gè)體間、批次間表面粗糙度差異、摩擦因數(shù)差異較大，紡紗時(shí)氣圈大小不一，且有較長(zhǎng)走熟期。鋼領(lǐng)的衰退，實(shí)質(zhì)上就是鋼領(lǐng)表面狀態(tài)、摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性和一致性遭到破壞，導(dǎo)致紡紗時(shí)產(chǎn)生大量毛羽和斷頭，這是國(guó)產(chǎn)鋼領(lǐng)的主要缺陷。

[1] 唐文輝.鋼絲圈摩擦發(fā)熱和散熱性能分析[J/OL].紡織器材.http：//www.cnki.net/kems/detail /61.1131.TS.20140317.0944.001.html，2014-03-17.

[2] 趙健，唐文輝.環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上紗條張力分析與應(yīng)用[J].紡織器材，2013，40(5)：1-8.

[3] Br?cker公司.Br?cker鋼領(lǐng)、鋼絲圈使用手冊(cè)及短纖紡紗[Z].瑞士，2008.

[4] 唐文輝，劉榮清.環(huán)錠細(xì)紗機(jī)斷頭分析與控制[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1986.

[5] DE BARR A E，CATLING H.THE PRINCIPLES AND THEORY OF RING SPINNING:Volume 5.[M].MANUAL OF COTTON SPINNING:LONDON，1965.

[6] 上海紡織控股(集團(tuán))公司，棉紡手冊(cè)編委會(huì).棉紡手冊(cè)[M].3版.北京：中國(guó)紡織出版社，2004.

[7] 上海紡織工學(xué)院棉紡教研室.棉紡學(xué)：下冊(cè)[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1981.

[8] 朱鵬，唐文輝，王嬋娟.棉紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速生產(chǎn)與專(zhuān)件器材的討論：上[J].紡織器材，2010，37(4)：1-4.

[9] 朱鵬，唐文輝，王嬋娟.棉紡環(huán)錠細(xì)紗機(jī)高速生產(chǎn)與專(zhuān)件器材的討論：下[J].紡織器材,2010，37(5)：2-8.

[10] 庾在海，吳文英，陳瑞琪.鋼領(lǐng)鋼絲圈表面處理技術(shù)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].棉紡織技術(shù)，2004，32(1)：62-64.

[11] 王貴珍.高速鋼領(lǐng)表面涂層技術(shù)的新發(fā)展[C]//“經(jīng)緯股份杯”2012“強(qiáng)專(zhuān)件、促設(shè)備、為行業(yè)”技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)研討會(huì)論文集.咸陽(yáng)：全國(guó)紡織器材科技信息中心，2012.

[12] R+F雷納福斯特公司.鋼領(lǐng)和鋼絲圈手冊(cè)[Z].

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Probing into Friction between the Ring and the Ring Traveler

TANG Wenhui

(1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Dongfei Modern Research Institute of Textile Technology,Shanghai 200083,China)

Analysis is done to the cause of the fiber membrane formation,determination of friction factorfand friction forceFand the relationship in-between with the ring and the ring traveler.Comparison is done to the advantages and the disadvantages of the surface process and the coatings with the ring and the ring traveler.Conclusion is made that reduction of the friction factorfwith the ring and the ring traveler can decrease the heat generation of the traveler with big heat radiation.The major defect with the domestic ring is the deterioration of the ring surface,say,destroy of the stability and the conformity of the friction factor.The ring and the ring traveler with small and constant friction factorfis the target quality pursuant,marking good performance and tech-progress.

ring;ring traveler;friction factor;fiber membrane;friction force;surface treatment;coating;dynamic friction force

2014-04-21

唐文輝(1936—)，男，浙江溫州人，研究員，長(zhǎng)期從事環(huán)錠細(xì)紗技術(shù)的理論和實(shí)踐研究。

TS103.81+3；TS103.82+2

A

1001-9634(2015)01-0005-07