1、關于多弧靶離子鍍鉻的研究背景

鍍鉻鋼領在我國應用的歷史已有40年，最早全面應用鍍鉻鋼領的是上海嘉豐棉紡織廠。1977年在江陰召開了全國性的鋼領鍍鉻會議[1]，使得這一新生事物得到肯定，引起了全國紡織科研人員的關注。當時，“五七棉紡廠”(現安陸棉紡廠)的王力總工程師，從鍍液、配方、工藝等方面進行了優(yōu)化和改進，使鍍鉻鋼領的鍍鉻技術進一步提高，在全國得到應用。隨著時間的推移，麻面鋼領逐步退出歷史舞臺，而擦光鋼領得到發(fā)展，鍍鉻鋼領在不斷的改進中前進。隨著科學技術的進步，近年來在常州與無錫三角區(qū)的鍍鉻工業(yè)園中，采 用了快速鍍鉻工藝，研究出的催化劑使鉻晶粒更細小，從而使鍍鉻鋼領走熟期短，鋼領內跑道鍍鉻層均勻，紡紗質量提高，特別是使用周期可達3年之久，受到紡紗廠廣泛使用和歡迎。東華大學孔永華教授在文獻[23中指出，經檢驗瑞士布雷克名牌鋼領表面處理是鍍鉻，這更堅定了我國鍍鉻鋼領發(fā)展的方向。但我國的鍍鉻鋼領與瑞士布雷克鋼領存在著較大的差距。必須認真研究解決以下幾點問題：一是在鋼領內跑道上鍍厚，鍍均勻，保證個與個、臺與臺、批與批之間的差異很小，保證摩擦因數一致性，便于鋼絲圈統一管理。二是做到鍍鉻層與基體的無縫結合，膜不起泡、不起皮，不脫膜，保證鍍膜質量。三是克服鍍鉻工藝中產生的“邊角效應”，保持良好的網狀裂紋的粗糙度，且鋼領表面光滑。四是如何達到納米晶的鍍鉻層，使我國鍍鉻鋼領由粗晶到微晶，進一步向納米級鋼領發(fā)展。五是必須在滿足紡紗工藝要求的前提下，進一步提高鋼領的硬度，延長其使用壽命，但不是愈硬愈好。六是做到鍍鉻工藝和生產對人體健康及環(huán)境無害，目前電解鍍鉻為限制生產的行業(yè)，不利于鍍鉻鋼領的發(fā)展。七是如何做好潮濕高溫及沿海地區(qū)的鋼領防銹處理，做到免維護管理。

2006年是中俄科技年，武漢高校受邀去俄羅斯進行艦船鍍鉻工藝新技術交流。此后，我們開始對多弧離子鍍表面技術進行研究探索，經過3代離子鍍爐體結構及工藝的更新換代，在總結多年理論與實踐經驗的基礎上，于2016年我校新設計了“多弧離子鍍”設備，用于鋼領鍍鉻，進行小試生產研究。

2、多弧離子鍍鉻的設備及工藝原理

多弧離子鍍鉻設備如圖l所示。該設備為一個不銹鋼真空爐體，前為真空爐的爐門，后為真空抽氣口，與真空系統相連。真空爐四角為4個加熱器，保證爐溫均勻，爐中部為活動的工件架，工作架上放置鋼領(容量達500個)，由爐底部傳動裝置傳動，其一方面可沿著真空室軸心做周轉，另一方面可沿著自身軸心自轉，從而保證工件架上的每一個工件，在多弧鍍過程中受到均勻的轟擊，得到成分均勻的納米級鉻的鍍層。爐體周圍為4個鉻靶(金屬鉻塊)。

其工作原理：爐內抽真空時，開啟偏壓電源，使爐內通人的氬氣分離至納米級氬離子，在這同時開啟鉻靶電源，使鉻靶產生像電焊時一樣的弧光，加熱鉻塊，使其鉻靶的鉻金屬氣化成為納米級鉻離子Cr+、Cr+和原子，逸出的動能將這些納米級鉻離子濺射出來，并按鉻靶上的磁場的磁力線向外飛散，這些被逸出來的鉻離子Cr+，會被工件架上所施的偏壓電源的負極吸引，而轟擊在工件架的鋼領上，并沉積在鋼領表面上，形成納米級鉻的鍍層，由于可控可調，能達到所需的納米鍍層和納米晶體的尺寸。經紅外光譜及X射線衍射圖 的分析，在鋼領的表面及內跑道上有均勻的鉻層。

3、多弧離子鍍鉻的特性

目前鍍鉻工藝已由粗晶工藝、微晶工藝，發(fā)展到納米結晶工藝。多弧離子鍍鉻在性能上與過去的電解鍍鉻不相同，具有納米特性，主要表現在以下方面。

3.1 鍍鉻工藝原理

3.1.1 電解鍍鉻

該工藝基本原理是鋼領表面鉻吸附原子生長成鉻核晶，鉻核晶繼續(xù)生長形成鉻膜層。圖2為鍍鉻層晶面階梯生長示意圖[3]，在電解鉻過程中，離子放電可以在晶面上的任何地點發(fā)生，形成晶面上的吸附原子，然后這些吸附原子通過晶面上的擴散過程轉移到“生長線”和生長點Ⅱ、Ⅲ并結合進入晶格。顯然吸附原子將傾向于占有能量最低的C點位置，進而生長為鉻核晶。圖3為簡單地表示出晶面的相對生長速率與晶體形態(tài)間的聯系圖。可以看出，由于生長速率的不同，快生長的晶面趨于消失，而慢生長的晶面保留下來，最后結晶體呈現一定的形態(tài)特征。繼續(xù)生長而成為膜層，電沉積出來的鍍鉻層大多數為晶態(tài)。

這種鍍鉻工藝，在鋼領內跑道上形成粗晶結構，圖4所示是電解鍍鉻鋼領，鋼領表面具有“網狀裂紋”的粗鉻晶結構的形貌。

采用快速鍍鉻工藝對鋼領鍍鉻，合理控制鉻層晶體生長核率和生長速率可使生長核加大，生長速率盡可能減小，則獲得的鍍鉻層結晶顆粒就可細小如圖5所示，鋼領鍍鉻層晶粒細小，“網狀裂紋”就多而淺，表面光滑，因此獲得細微鉻晶表面鍍鉻層的鋼領能具有較好的紡紗性能。

由此可知，電解鍍鉻鋼領的鉻結晶較粗，晶核形成主要依靠鉻晶吸附原子吸附在鋼領上，因而鉻晶與鋼領基體附著力不強，加之電解過程中放出氫氣等氣體很容易附在被鍍基體上，使基體與鍍鉻層隔開，有時還會形成氣泡而產生起皮、起泡甚至脫膜現象，嚴重影響鍍鉻質量。

3.1.2 多弧離子鍍鉻

該工藝是在真空爐中，多弧靶上鉻塊氣化成鉻離子，鉻離子轟擊鋼領基體表面，這些移動的離子就會進到多弧離子鍍工藝所造成的缺陷和小洞穴中去(如圖6所示)，并停留在坑中與基體的原子進行擴張，進而滲入到基體形成鉻核，由于多弧離子鉻靶不斷提供鉻離子，使鉻核生長成原子團，這些原子團就不斷長大成為粒子，這些不斷長大的粒子就是鉻晶體，這些鉻晶的能量鍵與基體表面上能量鍵相互作用，而成為一個與基體結合成的過渡層，若繼續(xù)入射鉻離子到基體表面，粒子繼續(xù)長大，形成如圖7所示納米級“島狀”結晶結構， 這些許許多多的納米級小島，通過迷津結構形成鉻薄膜層，在其表面形成“網狀裂紋”多而淺的形貌。

由上述可知，多弧離子鍍鉻鋼領鍍膜工藝是由納米級鉻離子、原子與鋼領表面基體原子共同組成的一體過渡層，鉻靶不斷提供納米鉻原子而逐漸生長成“島狀”晶體，經迷津結構形成鉻薄膜層，并具有“網狀裂紋”結構的表面形態(tài)的鍍鉻層，鍍鉻層表面光滑并具有牢固的附著力。

3.2 附著力高

鍍鉻層與鋼領表面基體的結合力在技術上稱附著力，是鍍鉻工藝中的重要質量指標。用WS200型附著力劃痕試驗儀測試膜基結合力，其檢驗結果如表1所示。

由表1可見，由于多弧離子鍍鉻鋼領的鍍鉻層與基體有一個合為一體的過渡層，因此鍍鉻層與基體的附著力非常好，不會出現鍍鉻層起皮、起泡、膜剝落等質量缺陷。

3.3 摩擦因數小并可控、可調根據許多文獻的報道臥。瑞士布雷克鋼領與國產軸承鋼領表面都具有鍍鉻層，這是由于鉻的摩擦因數小，特別是干摩擦因數在現有金屬中是最低的，鍍鉻層具有良好的摩擦因數。通過改變多弧離子鍍各項工藝參數，可在鋼領表面形成如圖8所示的各種不同“島狀”鍍鉻層的形狀。通過改變“島”的形狀，從而改變鋼領表面上的摩擦因數，滿足紡棉、紡滌(細、中、粗號紗)，紡各種化纖紗所需的摩擦因數，紡好紗。

3.4 硬度較高

硬度是鋼領使用性能的主要指標之一，鍍鉻可以使鋼領鍍鉻的表面獲得高硬度，使鋼領有較長的使用壽命。

在同一基礎條件下，將水磨鋼領，擦光鋼領及鍍鉻鋼領在洛氏硬度試驗機上測試其洛氏硬度：水磨鋼領HRC60.5，拋光鋼領HRC60.5，多弧離子鍍鉻鋼領HRC65.0。采用HX-1000型顯微硬度計測試鋼領表面硬度：普通鍍鉻鋼領HV 831，快速鍍鉻鋼領HV 928，多弧離子鍍鉻鋼領HV959．2。可以看出，多弧離子鍍的鍍鉻鋼領具有較高的硬度。

根據摩擦磨損理論，鋼領的主要磨損形式包括氧化磨損、黏著磨損(包括磨粒磨損)以及疲勞磨損。由于鍍鉻具有高硬度，又有較好的耐熱性，在500℃以下高溫，其光澤性、硬度均無明顯變化。這說明鍍鉻鋼領具有很高的抗氧化磨損性能。

由于鍍鉻層的高硬度、高耐熱特性，使鋼領內跑道在與鋼絲圈摩擦時，不易產生因塑性變形而引發(fā)的黏著磨損，減小摩擦中的犁削分量，減少了磨損率，同時鋼領的高硬度能有效降低各種形式的磨損，延長其使用壽命。

高硬度鍍鉻層不易嵌入外來硬微粒而引起磨粒磨損。同時其對高壓應力的能力使其具有較好的抗疲勞磨損性能，因而不易引起鋼領的疲勞磨損。

鉻具有高的防腐蝕性能，抗氧化腐蝕能力強，因而能延長鋼領使用壽命。

由于鍍鉻層具有較小的摩擦因數，磨損率減少。

由于鍍鉻層的高硬度，能克服鋼領的氧化磨損、黏著磨損和疲勞磨損，良好的抗磨蝕性及小摩擦因數使其獲得高耐磨性能，延長鍍鉻鋼領的使用壽命，最長可達5年之久。

3.5 對人體和環(huán)境無害，產量高，成本低電解鍍鉻采用的是由鉻酐(Cr0。)和少量的硫酸催化劑而組成的鍍鉻溶液，鉻酐有毒，是有害化學品，在電鍍鋼領時，電解工藝過程中會有大量的鉻酸濃霧逸出而帶出鉻酸溶液，向周圍環(huán)境中排出大量的氣體，危害人類健康和周圍環(huán)境，還向周圍環(huán)境排出有毒的水、汽及廢液、廢渣，已成為一個重污染行業(yè)，屬于限制和淘汰的行業(yè)。

多弧離子鍍鉻工藝是在真空室中進行，開啟蒸發(fā)源的電源，使純金屬鉻塊的表面出現明亮的弧斑，不斷發(fā)光閃動，使純金屬鉻氣化成納米鉻離子，且原子按磁場中磁力線向外擴散。而這些被轟擊出來的鉻的正離子及原子，在鋼領的表面及內表面上沉積，隨著時間的增加而形成鉻層。整個工藝中沒有有害化學品，沒有有害廢氣、廢水、廢渣的排出，而整個加工工藝是在密閉的真空室中進行，在氬氣的保護下進行，不會對人體健康和環(huán)境產生危害，屬環(huán)保加工工藝，也是目前推廣應用的高新技術。

我們將繼續(xù)努力研制新的大功率靶及靶材(包含鉻鋁、鉻鈦鎢、鉻鋁硅等復合靶)，以期提高多弧鍍鉻鋼領內跑道鍍鉻層厚度，以其高的硬度，高耐熱性能，高防腐蝕性能，高抗氧化、黏著及疲勞磨損性能，讓鋼領的使用壽命更長，特別是提高紡細特紗的紡紗性能，全面提升納米級多弧離子鍍鋼領的應用水平。

4、多弧離子鍍鋼領紡紗性能

4.1紡紗周期長

鋼領年消耗量大，一般拋光鋼領平均使用壽命為9個月，而鍍鉻鋼領平均使用壽命為3年，甚至更長，可為企業(yè)節(jié)約費用開支。而且使用鍍鉻鋼領時無需中間拋光工序修復，生產順利，紡紗斷頭率降低，工人勞動強度相應降低，為企業(yè)節(jié)省了大量成本。

4.2 降低紡紗斷頭率。提高紡紗質量

由于鋼領表面粗糙度值減小，使鋼絲圈運轉時的“跳躍”幅度減小，鋼絲圈運行更趨平穩(wěn)，從而降低了紗線張力突變，使斷頭率得以下降。紡紗品種為T／C13 tex，使用電解鍍鉻鋼領，細紗千錠時斷頭率30根；使用多弧離子鍍鉻鋼領，細紗千錠時斷頭率23根。紡C 14．6 tex紗，使用電解電鍍鉻鋼領，細紗條干CV值14．4％，一50％細節(jié)4個／km，+50％粗節(jié)138個／kin，+200％棉結258個／km，毛羽H值4.61；使用多弧離子鍍鉻鋼領，細紗條干CV值13．6％，一50％細節(jié)3．3個／kin，+50％粗節(jié)120個／kin，+200％棉結214個／kin，毛羽H值3.8。

5、 結語

1）多弧離子鍍鉻鋼領具有較高的鍍鉻硬度，同時具有納米結構的鍍鉻層，在500℃高溫時，硬度及粗糙度不變；具有良好的耐高溫性能、抗氧化性能、抗黏著磨損以及磨粒磨損的性能；又具有金屬中較小的摩擦因數以及高抗腐蝕性能。在這些優(yōu)異性能的共同作用下，多弧離子鍍鍍鉻鋼領的使用壽命可提高到3年～5年。

2）多弧離子鍍鉻鋼領是以固體鉻金屬為原料，采用不含毒的化學藥品和工藝進行生產，屬于高新技術，是對人體健康和周圍環(huán)境無害的新工藝技術。

3）鍍鉻鋼領經過40年的發(fā)展，由粗晶到微晶再到納米級鉻晶，由小到大，現占鋼領市場的50％～60％份額，但由于電解鍍鉻屬于限制行業(yè)，阻礙了鍍鉻鋼領的發(fā)展。多弧離子鍍鉻鋼領設備及工藝是對人體和環(huán)境無害的高新技術，做好示范普及和推廣工作，將使鍍鉻鋼領迎來一個創(chuàng)新的春天。

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