提高无油缝纫机高速运动零件耐磨性能的试验研究

周梓荣　李固加

(1．东莞理工学院　协同创新办公室，广东东莞　523808；2.东莞市浩瀚纳米科技有限公司，广东东莞　523806)



提高无油缝纫机高速运动零件耐磨性能的试验研究

周梓荣1李固加2

(1．东莞理工学院协同创新办公室，广东东莞523808；2.东莞市浩瀚纳米科技有限公司，广东东莞523806)

为提高缝纫质量，无油化成为高速缝纫机技术发展的一个重要方向，但高速缝纫机针具等部件运行速度非常高，无油润滑会导致磨损严重。文章介绍了在20Cr基体材料上复合自润滑金刚石涂层(DLC)的设计方法和涂层制备工艺，以及生成的SP3和SP2键结合的类金刚石薄膜和 SP3为主的涂层组织结构。试验表明，涂层耐磨性、涂层与基体结合强度及稳定性等性能和质量指标均能满足使用要求。

缝纫机；无油润滑；耐磨性能；DLC涂层

为提高缝制效率，工业缝纫机的缝速已提升至8 000 rpm 的水平，国外还有额定缝速达10 000 rpm 的高速包缝机，但高速运动使缝制机械各运动零件摩擦磨损加剧，运动副润滑的难度加大，而缝制过程既要求不断提高缝制设备的运转速度，同时又要求加工出来的缝制品做工精细、线迹美观，绝对不能出现因润滑油泄露带来的油渍污染。因此，无油化技术成为高速缝纫机技术发展的一个重要方向[1]。

1　高速无油缝纫机自润滑技术发展现状

当运动副中相对运动的机械零部件线速度达到10 m/s的时候，在没有采取允许干摩擦措施的工况中，会使相互运动的构件材料表面迅速升温、焦化，乃至运动副构件咬死。如5 000 rpm 的高速平缝机旋梭下轴，其旋梭内外导轨运动副之间的相对线速度大约15 m/s左右，已远远高过10 m/s的临界速度，如果没有合适的润滑保证，其摩擦磨损将会非常严重，甚至出现运转失效的情况。

为保障无油润滑条件下缝纫机高速运动部件的使用寿命，国内外进行了许多研究，探索了“高滴点、高粘度特殊润滑脂”、“固体润滑剂”等新技术、新材料和新工艺。近年来，无油技术又有新突破和新应用，对缝纫机上的针杆、旋梭、滑块、各类运动轴、各类连接杆等大量运动部件，进行一些特殊的表面处理[2-3]，像兄弟等无油缝纫机在高速运动零部件表面涂覆一层纳米自润滑涂层。由于类金刚石(DLC)表面处理技术具有优异的力学、电学、光学性能及化学稳定性，制备技术日趋成熟，因而已在许多方面获得了应用，并不断拓展其应用领域[4-6]。国内缝纫机行业目前也在研究采用黑金刚或类金刚石(DLC)等表面处理技术，也研发出适合于缝纫机行业的各类专用类金刚石润滑涂层，但在涂层耐磨性、涂层与基体结合强度及稳定性等性能和质量指标上与国外水平还有较大差距[6-7]，满足不了主机厂的要求，有部分厂商采用外发至日本加工涂层，成本高，交货期得不到保证。如何有效解决这个问题，是近年来缝制行业和缝制设备制造业一直普遍关注的课题。为突破高速无油缝纫机运动件涂层质量、制造成本和使用寿命等关键技术，本课题组与企业合作开展了DLC涂层的研究，并进行了性能测试与工业运行试验。

2　DLC涂层制备和性能测试方法

DLC(类金刚石涂层)是石墨(SP2)与金刚石(SP3)组成的混合物，其中的石墨具有很好的自润滑性，金刚石具有很好的硬度，是一种功能非常突出的具有低摩擦自润滑功能的涂层。但DLC涂层因其高的内应力与基体的不匹配性导致了附着性能差，很难制备较厚的薄膜，这限制了大规模的商业化应用[3,8-9]。经过大量试验，优化了涂层制备方法，采用混合等离子体沉积设备，沉积不同过渡层的多层类金刚石薄膜。将加工合格的基体放入丙酮中，用超声波进行清洗后，再用酒精清洗5 min, 吹干后放进真空室，抽真空对基体进行等离子清洗后，开启磁控溅射靶沉积不同中间层的DLC 膜。实验采用NANO G200 纳米压痕仪评价薄膜的硬度及弹性模量，利用球盘摩擦模式对薄膜的摩擦学性能进行测量。用荧光显微镜表征其表面形貌。

3　复合涂层设计

涂层与基体之间的界面结合力是涂层最重要的性能之一，良好的涂层结合强度是保障涂层材料使用性能的前提，如力学性能、机械性能。各种研究表明，使用合理的涂层物和涂层组合设计是提高涂层性能的关键，过渡层的加入实现了成分和性能上的逐渐过渡，可以有效地改善膜基结合力。以缝纫机典型高速运动零件针具为例，基体材料采用20Cr，零件机加工成型后，表面涂覆DLC。涂层采用三层过渡层组合设计，第一层采用与基体材料结合力最好的TiN涂层，并填充基体材料表面的空隙；第三层采用与DLC膜结合力最好的TiC涂层，中间TiCN涂层有非常强的渗透作用，既与打底层TiN有较好结合力，也与TiC涂层有较好结合力，N的掺入可以提高DLC膜的硬度。表1为涂层设计方案。

表1　涂层组合方案

4　DLC涂层制备工艺

在真空条件下，通过高频感应加热使金属、金属合金或化合物蒸发成气相，利用离子束高能轰击镀料，使其蒸发，然后沉积在基体表面。其基本工艺过程为：抽真空→烘烤→离子轰击→预熔→蒸发沉积→冷却→出炉。DLC膜的沉积速度取决于离子电流大小，沉积率对表面摩擦性能有很大影响。为提升涂层质量，对涂层工艺参数进行了优化，烘烤温度为550 ℃，离子量为3.0×1 017 ions/cm2，沉积率为0.1 nm/s 。

5　涂层组织与性能

5.1涂层组织

图1为采用扫描电子显微镜(SEM)检测的三层涂层设计的针具表层微观结构，其结构是以非晶体状结构金刚石(SP3)为主， 以SP3和 SP2键的形式结合生成的类金刚石薄膜。其组织结构使涂层结合强度高，耐热性和稳定性能好。

图1　表层微观结构

5.2涂层性能参数

表2为试验测量的涂层性能参数。

表2　涂层性能参数

5.3工业运行试验

经过测试，无油运行时间在400 h无明显磨损，无油运行到2 160 h 涂层被磨损。零部件表面沉积的涂层光滑细腻，自润滑性能极好。下图为表面DLC涂层的高速缝纫机零件。

图2　表面DLC涂层的高速缝纫机零件

6　结语

1)运用独特的工艺方法制备出的DLC涂层(类金刚石涂层)，具备质量稳定，与基体结合力好，耐磨性好，摩擦系数低，耐腐蚀性好等综合优良性能。

2)对缝纫机针具等主要运动部件表面进行DLC涂层处理能满足高速无油缝纫机无油化需求，其涂层质量、制造成本和使用寿命均能达到工业化使用要求。

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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

广东省省级科技计划项目(2013B010402020)。

周梓荣(1963—)，男，湖南湘乡人，教授，博士，主要从事机电控制与摩擦技术研究。

TH117

A

1009-0312(2016)05-0105-04