提高無油縫紉機高速運動零件耐磨性能的試驗研究

周梓榮　李固加

(1．東莞理工學(xué)院　協(xié)同創(chuàng)新辦公室，廣東東莞　523808；2.東莞市浩瀚納米科技有限公司，廣東東莞　523806)

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提高無油縫紉機高速運動零件耐磨性能的試驗研究

周梓榮1李固加2

(1．東莞理工學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新辦公室，廣東東莞523808；2.東莞市浩瀚納米科技有限公司，廣東東莞523806)

為提高縫紉質(zhì)量，無油化成為高速縫紉機技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，但高速縫紉機針具等部件運行速度非常高，無油潤滑會導(dǎo)致磨損嚴(yán)重。文章介紹了在20Cr基體材料上復(fù)合自潤滑金剛石涂層(DLC)的設(shè)計方法和涂層制備工藝，以及生成的SP3和SP2鍵結(jié)合的類金剛石薄膜和 SP3為主的涂層組織結(jié)構(gòu)。試驗表明，涂層耐磨性、涂層與基體結(jié)合強度及穩(wěn)定性等性能和質(zhì)量指標(biāo)均能滿足使用要求。

縫紉機；無油潤滑；耐磨性能；DLC涂層

為提高縫制效率，工業(yè)縫紉機的縫速已提升至8 000 rpm 的水平，國外還有額定縫速達(dá)10 000 rpm 的高速包縫機，但高速運動使縫制機械各運動零件摩擦磨損加劇，運動副潤滑的難度加大，而縫制過程既要求不斷提高縫制設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度，同時又要求加工出來的縫制品做工精細(xì)、線跡美觀，絕對不能出現(xiàn)因潤滑油泄露帶來的油漬污染。因此，無油化技術(shù)成為高速縫紉機技術(shù)發(fā)展的一個重要方向[1]。

1　高速無油縫紉機自潤滑技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)運動副中相對運動的機械零部件線速度達(dá)到10 m/s的時候，在沒有采取允許干摩擦措施的工況中，會使相互運動的構(gòu)件材料表面迅速升溫、焦化，乃至運動副構(gòu)件咬死。如5 000 rpm 的高速平縫機旋梭下軸，其旋梭內(nèi)外導(dǎo)軌運動副之間的相對線速度大約15 m/s左右，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過10 m/s的臨界速度，如果沒有合適的潤滑保證，其摩擦磨損將會非常嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)運轉(zhuǎn)失效的情況。

為保障無油潤滑條件下縫紉機高速運動部件的使用壽命，國內(nèi)外進行了許多研究，探索了“高滴點、高粘度特殊潤滑脂”、“固體潤滑劑”等新技術(shù)、新材料和新工藝。近年來，無油技術(shù)又有新突破和新應(yīng)用，對縫紉機上的針桿、旋梭、滑塊、各類運動軸、各類連接桿等大量運動部件，進行一些特殊的表面處理[2-3]，像兄弟等無油縫紉機在高速運動零部件表面涂覆一層納米自潤滑涂層。由于類金剛石(DLC)表面處理技術(shù)具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，制備技術(shù)日趨成熟，因而已在許多方面獲得了應(yīng)用，并不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域[4-6]。國內(nèi)縫紉機行業(yè)目前也在研究采用黑金剛或類金剛石(DLC)等表面處理技術(shù)，也研發(fā)出適合于縫紉機行業(yè)的各類專用類金剛石潤滑涂層，但在涂層耐磨性、涂層與基體結(jié)合強度及穩(wěn)定性等性能和質(zhì)量指標(biāo)上與國外水平還有較大差距[6-7]，滿足不了主機廠的要求，有部分廠商采用外發(fā)至日本加工涂層，成本高，交貨期得不到保證。如何有效解決這個問題，是近年來縫制行業(yè)和縫制設(shè)備制造業(yè)一直普遍關(guān)注的課題。為突破高速無油縫紉機運動件涂層質(zhì)量、制造成本和使用壽命等關(guān)鍵技術(shù)，本課題組與企業(yè)合作開展了DLC涂層的研究，并進行了性能測試與工業(yè)運行試驗。

2　DLC涂層制備和性能測試方法

DLC(類金剛石涂層)是石墨(SP2)與金剛石(SP3)組成的混合物，其中的石墨具有很好的自潤滑性，金剛石具有很好的硬度，是一種功能非常突出的具有低摩擦自潤滑功能的涂層。但DLC涂層因其高的內(nèi)應(yīng)力與基體的不匹配性導(dǎo)致了附著性能差，很難制備較厚的薄膜，這限制了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用[3,8-9]。經(jīng)過大量試驗，優(yōu)化了涂層制備方法，采用混合等離子體沉積設(shè)備，沉積不同過渡層的多層類金剛石薄膜。將加工合格的基體放入丙酮中，用超聲波進行清洗后，再用酒精清洗5 min, 吹干后放進真空室，抽真空對基體進行等離子清洗后，開啟磁控濺射靶沉積不同中間層的DLC 膜。實驗采用NANO G200 納米壓痕儀評價薄膜的硬度及彈性模量，利用球盤摩擦模式對薄膜的摩擦學(xué)性能進行測量。用熒光顯微鏡表征其表面形貌。

3　復(fù)合涂層設(shè)計

涂層與基體之間的界面結(jié)合力是涂層最重要的性能之一，良好的涂層結(jié)合強度是保障涂層材料使用性能的前提，如力學(xué)性能、機械性能。各種研究表明，使用合理的涂層物和涂層組合設(shè)計是提高涂層性能的關(guān)鍵，過渡層的加入實現(xiàn)了成分和性能上的逐漸過渡，可以有效地改善膜基結(jié)合力。以縫紉機典型高速運動零件針具為例，基體材料采用20Cr，零件機加工成型后，表面涂覆DLC。涂層采用三層過渡層組合設(shè)計，第一層采用與基體材料結(jié)合力最好的TiN涂層，并填充基體材料表面的空隙；第三層采用與DLC膜結(jié)合力最好的TiC涂層，中間TiCN涂層有非常強的滲透作用，既與打底層TiN有較好結(jié)合力，也與TiC涂層有較好結(jié)合力，N的摻入可以提高DLC膜的硬度。表1為涂層設(shè)計方案。

表1　涂層組合方案

4　DLC涂層制備工藝

在真空條件下，通過高頻感應(yīng)加熱使金屬、金屬合金或化合物蒸發(fā)成氣相，利用離子束高能轟擊鍍料，使其蒸發(fā)，然后沉積在基體表面。其基本工藝過程為：抽真空→烘烤→離子轟擊→預(yù)熔→蒸發(fā)沉積→冷卻→出爐。DLC膜的沉積速度取決于離子電流大小，沉積率對表面摩擦性能有很大影響。為提升涂層質(zhì)量，對涂層工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，烘烤溫度為550 ℃，離子量為3.0×1 017 ions/cm2，沉積率為0.1 nm/s 。

5　涂層組織與性能

5.1涂層組織

圖1為采用掃描電子顯微鏡(SEM)檢測的三層涂層設(shè)計的針具表層微觀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是以非晶體狀結(jié)構(gòu)金剛石(SP3)為主， 以SP3和 SP2鍵的形式結(jié)合生成的類金剛石薄膜。其組織結(jié)構(gòu)使涂層結(jié)合強度高，耐熱性和穩(wěn)定性能好。

圖1　表層微觀結(jié)構(gòu)

5.2涂層性能參數(shù)

表2為試驗測量的涂層性能參數(shù)。

表2　涂層性能參數(shù)

5.3工業(yè)運行試驗

經(jīng)過測試，無油運行時間在400 h無明顯磨損，無油運行到2 160 h 涂層被磨損。零部件表面沉積的涂層光滑細(xì)膩，自潤滑性能極好。下圖為表面DLC涂層的高速縫紉機零件。

圖2　表面DLC涂層的高速縫紉機零件

6　結(jié)語

1)運用獨特的工藝方法制備出的DLC涂層(類金剛石涂層)，具備質(zhì)量穩(wěn)定，與基體結(jié)合力好，耐磨性好，摩擦系數(shù)低，耐腐蝕性好等綜合優(yōu)良性能。

2)對縫紉機針具等主要運動部件表面進行DLC涂層處理能滿足高速無油縫紉機無油化需求，其涂層質(zhì)量、制造成本和使用壽命均能達(dá)到工業(yè)化使用要求。

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An Experimental Study of Improving the Wear Resistance of High Speed Moving Parts of Non-oil Sewing Machine

ZHOU Zirong1LI Gujia2

(1. Collaborative Innovation Office, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China；2. Dongguan Vast Nano Technology Co.,Ltd, Dongguan 523806, China)

To improve the quality of sewing，the non-oil technology has become an important direction of the technology development of the high-speed sewing machine. However, the operating speed of high speed sewing machine parts is very high, and no oil lubrication will lead to serious wear. This paper introduces the design method and preparation process of composite self lubricating diamond coating (DLC) on 20Cr base material, the formation of SP3 and SP2 bonds in combination with the type of diamond film and SP3 based coating microstructure . The tests show that the wear resistance, coating and substrate binding strength and stability and other properties and quality indicators can meet the use requirements.

sewing machine; oil free lubrication; wear resistance; DLC coating

2016-06-06

廣東省省級科技計劃項目(2013B010402020)。

周梓榮(1963—)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，教授，博士，主要從事機電控制與摩擦技術(shù)研究。

TH117

A

1009-0312(2016)05-0105-04