液氮深冷處理鋼領的制備及性能分析

王顯方

摘 要：通過實驗的方法，對液氮深冷處理鋼領與普通鋼領的表面微觀組織、力學性能、磨損性能和紡紗性能等進行了測試和分析。結果表明：經過深冷處理過的鋼領，顯微硬度高，壓縮強度和沖擊強度大，成紗質量好。故鋼領液氮深冷處理是提高成紗質量，延長鋼領使用壽命的有效途徑。

關鍵詞：液氮深冷處理；鋼領；顯微硬度；沖擊強度；磨損量；質量

中圖分類號：TS103.813 文獻標識碼：B 文章編號：1674-2346（2017）04-

鋼領是紡紗機的關鍵器材之一，對成紗質量和企業成本有著重要的影響。鋼絲圈和鋼領是一對關鍵的摩擦副，完成紗線的卷繞和加捻功能，對紗線的條干、棉結、毛羽等質量指標有一定的影響作用。[1]

深冷處理技術是指在-120℃以下對金屬材料進行處理，目的是提高材料的強度、耐磨性和尺寸穩定性。早期將零件埋于干冰中來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，利用其相變（ 氣化） 吸熱來獲得低溫環境。氮氣是大氣中的最主要成份之一，來源廣泛，無毒無味，對環境無污染且價格便宜，因而在深冷處理技術的應用屬于綠色制造技術范疇，具有可觀的經濟效益和廣闊的市場應用前景。[2]

美國從 20 世紀 50 年代開始進行深冷處理對金屬性能影響的研究，主要應用對象是航空領域。1965年Barron對不同種鋼材分別進行了深冷處理實驗，發現經深冷處理與未經深冷處理的鋼相比，耐磨性增加了2～7倍。1987年，Gray國際深冷處理研究會對各種磨具和刀具、特殊用鋼等進行深冷處理，發現處理后壽命可提高5～10 倍。[3]我國徐祖耀院士在1960年對高速鋼的低溫處理進行了卓有成效的研究工作。在20世紀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用、深冷處理對冷模具材料9SiCr力學性能的影響、深冷處理40Cr鋼的韌性、深冷處理高速鋼的工藝規范及力學性能等。[4]如今，國內主要對工模具鋼、軸承鋼、高速鋼及硬質合金等進行了大規模深冷處理技術的應用，特別是在標準件行業、工具行業、紡織行業、航空航天行業以及復合材料等方面，取得了一定進展。

1 液氮深冷處理鋼領的制備

將盛放材質為20#低碳鋼的PG1-4254普通鋼領的網籃放入專用的液氮容器內，液氮的溫度為-185℃，保持時間為19小時，然后取出鋼領使其自然恢復到室溫，作為試樣待用。

2 液氮深冷處理鋼領與普通鋼領性能分析

2.1 深冷處理鋼領與普通鋼領內跑道表面形貌分析

在S-570掃描電子顯微鏡下，拍攝了PG1-4254鋼領在深冷處理前后使用1個月和6個月后的內跑道

表面形貌，由圖1可知，由于鋼絲圈內腳的作用使得普通鋼領表面出現了深淺不一、高低不平的平行溝槽，圖2為普通鋼領使用6個月后的表面情況，由于粘著磨損犁削作用使內跑道形成的溝槽越來越明顯。圖3為經過深冷處理的鋼領使用1個月內跑道形貌，圖4為深冷處理鋼領使用6個月內跑道形貌，從圖中可以看出， 使用1個月與使用6個月的深冷處理鋼領內跑道表面形貌幾乎近似，鋼領表面沒有粘結物，沒有磨損的裂紋和疲勞磨損，鋼領表面光滑。

2.2 深冷處理鋼領與普通鋼領內跑道力學性能分析

2.2.1 實驗方案與儀器

硬度實驗采用HXS-1000A型顯微硬度計分別對20個PG1-4254深冷處理前后鋼領試樣表面進行硬度測量，加載質量為250g，時間為15 s，每個試樣測9個點，去掉1個最大值和1個最小值后取算術平均值。[5]

沖擊強度實驗采用XJXD-22型懸臂梁沖擊試驗機，沖擊強度執行GB/T1043-93標準，在常溫下分別對20個深冷處理鋼領和普通鋼領試樣進行沖擊強度測試，最后計算20個數據的平均值。

壓縮強度實驗采用濟南時代WDW-10型微機控制電子萬能試驗機，常溫下分別對20個深冷處理鋼領和普通鋼領試樣進行壓縮性能測試，計算20個數據的平均值。

壓縮性能用材料的壓縮強度來表示，壓縮強度計算公式為：

Pt = P / （ b·d）

式中：P-壓縮過程中試樣承受的最大載荷，b-試樣寬度，d-試樣厚度。

2.2.2 結果與分析

深冷處理前后鋼領內跑道平均力學性能的實驗測試結果如表1所示。

由表1試驗結果表明，深冷處理鋼領的顯微硬度為800 HV，約為普通鋼領的1.0倍；壓縮強度為290 Mpa，約為普通鋼領的1.5倍；沖擊強度為20.8 Mpa，約為普通鍍鎳鋼領的1.5倍。分析其主要原因是：經過深冷處理后的材料微觀組織發生了變化，殘余的奧氏體完全轉變為馬氏體，從而提高了材料的硬度和尺寸穩定性；在上述轉化中從馬氏體中又析出了大量的微細碳化物，從而產生了彌散強化，提高材料的機械性能。另外在奧氏體向馬氏體轉化過程中還會產生應力集中，待恢復至室溫時，在鋼領表面產生殘余壓應力，這種應力對材料局部強度成紗有利，從而進一步提高材料的表面硬度及強度，鋼領尺寸更加穩定。[6]

2.3 深冷處理鋼領與普通鋼領內跑道摩擦磨損性能分析

2.3.1 試驗方案與儀器

鋼領摩擦磨損實驗采用MM–200型摩擦磨損試驗機，上環采用45#低碳鋼，硬度為HV850，表面粗糙度Ra為0.1 ?m，下環為深冷處理鋼領和普通鋼領試樣，試驗轉速為2.0 m/s，試驗載荷3 kN，連續運轉120 min，在常溫下分別20個深冷處理鋼領和普通鋼領試樣進行摩擦磨損量試驗，摩擦力矩經數據采集系統記錄，并換算成摩擦因數，按下式計算摩擦系數：

式中：M-摩擦力矩，F-載荷，r-對磨件半徑。

用讀數顯微鏡測量試樣磨痕寬度，并換算成磨損率。

2.3.2 結果與分析

深冷處理前后鋼領內跑道平均摩擦磨損性能的實驗測試結果如表2所示。

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

3 深冷處理鋼領與普通鋼領的紡紗性能分析

3.1 試驗條件

選用深冷處理前后的PG1-4254型鋼領各30只，配套鋼絲圈型號為FU 10/0型，細紗機為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，在細紗機相同錠子上紡制精梳13.2 tex純棉紗，細紗車間溫度為25℃，相當濕度為68 %。

3.2 試驗用的儀器設備及參數設計

采用長嶺紡電XT128型單紗強力儀，拉伸速度為500 mm/min，夾持長度為500 mm，預加張力為5±0.5 cN，取30次測試平均值；采用YG172毛羽儀，測試長度為10 m，測試速度為30 m /min，每管測試20次。在測試溫度20±3℃，相對濕度65±3 %下，進行成紗質量對比試驗。

3.3 試驗結果與分析

成紗質量對比試驗測試結果如表3所示。

由表3可知，在相同錠速下，深冷處理的鋼領較普通鋼領的條干CV值小、單紗強度CV值大，成紗的細節、粗節和棉結少、毛羽指數小、千錠時斷頭少。其主要原因是：在紡紗過程中，由于鋼絲圈與鋼領之間為點接觸干摩擦，導致鋼絲圈運行不穩定，使得鋼絲圈呈跳躍式不規則運動，紗線張力易產生突變，一方面使成紗的條干和強力不勻，另一方面產生紗條毛羽、細節、粗節、棉結和斷頭，使成紗質量降低。經過深冷處理后的鋼領微觀組織發生了變化，其硬度、強度得到了改善，尺寸穩定性得到了加強，高溫硬度更大，[8]故鋼絲圈在其上運行時，相對平穩、可靠，成紗質量得到了改善。對比錠子的不同速度中可以看出，使用普通鋼領時當錠子的速度增加時，成紗質量下降，而使用深冷處理過的鋼領時在錠子速度發生變化時，成紗各項指標變化不大，故深冷處理鋼領更能滿足高速紡紗生產的要求。

4 結論

1）經力學試驗證明，深冷處理鋼領的顯微硬度為800HV、壓縮強度為290 Mpa、沖擊強度為20.8 Mpa，其力學性能均優良于普通鋼領。

2）經磨損試驗證明，深冷處理鋼領的磨損率量約為1.5%，比普通鋼領的磨損量減少了3倍，使用壽命更長，性價比高。

3）經紡紗試驗，使用深冷處理鋼領的成紗質量較普通鋼領優，鋼領無走熟期。

參考文獻

[1]孔永華，宋東亮，李東方，等. 一種新型鍍膜鋼領的開發[J].棉紡織技術， 2013，41（08）：24-27.

[2]王貴珍. 高速鋼領表面涂層技術的新發展[J].機械管理開發， 2012，129（05）：121-123.

[3]韓曉君.深冷處理工藝對高速鋼性能及殘余應力影響的試驗研究[D].太原：太原科技大學，2014.

[4]高雅利，楊哲.時效及深冷處理對 Cu-Ni-Si-Mg 合金硬度和導電率的影響[J].熱加工工藝，2015，44（09）：226-230.

[5]李春梅，孫友松，王萬順，等.碳纖維/聚合物自潤滑復合材料的機械及摩擦性能[J].現代塑料加工應用，2011，23（04）：05-09.

[6]代衛麗，梁淑華，王玉佩.深冷處理對 WTi10 合金組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2015，44（09）： 2291-2294.

[7]王洪艷.深冷處理對高速鋼刀具性能的影響及機理研[D].北京：北方工業大學，2008.

[8]王瓊霜.深冷處理工藝對高速鋼M42組織及性能影響的研究[D].長沙：湖南大學，2012.

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