液氮深冷处理钢领的制备及性能分析

王显方

摘 要：通过实验的方法，对液氮深冷处理钢领与普通钢领的表面微观组织、力学性能、磨损性能和纺纱性能等进行了测试和分析。结果表明：经过深冷处理过的钢领，显微硬度高，压缩强度和冲击强度大，成纱质量好。故钢领液氮深冷处理是提高成纱质量，延长钢领使用寿命的有效途径。

关键词：液氮深冷处理；钢领；显微硬度；冲击强度；磨损量；质量

中图分类号：TS103.813 文献标识码：B 文章编号：1674-2346（2017）04-

钢领是纺纱机的关键器材之一，对成纱质量和企业成本有着重要的影响。钢丝圈和钢领是一对关键的摩擦副，完成纱线的卷绕和加捻功能，对纱线的条干、棉结、毛羽等质量指标有一定的影响作用。[1]

深冷处理技术是指在-120℃以下对金属材料进行处理，目的是提高材料的强度、耐磨性和尺寸稳定性。早期将零件埋于干冰中来提高零件的综合性能，目前采用液氮作为冷处理的冷却介质，利用其相变（ 气化） 吸热来获得低温环境。氮气是大气中的最主要成份之一，来源广泛，无毒无味，对环境无污染且价格便宜，因而在深冷处理技术的应用属于绿色制造技术范畴，具有可观的经济效益和广阔的市场应用前景。[2]

美国从 20 世纪 50 年代开始进行深冷处理对金属性能影响的研究，主要应用对象是航空领域。1965年Barron对不同种钢材分别进行了深冷处理实验，发现经深冷处理与未经深冷处理的钢相比，耐磨性增加了2～7倍。1987年，Gray国际深冷处理研究会对各种磨具和刀具、特殊用钢等进行深冷处理，发现处理后寿命可提高5～10 倍。[3]我国徐祖耀院士在1960年對高速钢的低温处理进行了卓有成效的研究工作。在20世纪80年代后期，李智超、董允等研究深冷处理工艺在各钢种上的应用、深冷处理对冷模具材料9SiCr力学性能的影响、深冷处理40Cr钢的韧性、深冷处理高速钢的工艺规范及力学性能等。[4]如今，国内主要对工模具钢、轴承钢、高速钢及硬质合金等进行了大规模深冷处理技术的应用，特别是在标准件行业、工具行业、纺织行业、航空航天行业以及复合材料等方面，取得了一定进展。

1 液氮深冷处理钢领的制备

将盛放材质为20#低碳钢的PG1-4254普通钢领的网篮放入专用的液氮容器内，液氮的温度为-185℃，保持时间为19小时，然后取出钢领使其自然恢复到室温，作为试样待用。

2 液氮深冷处理钢领与普通钢领性能分析

2.1 深冷处理钢领与普通钢领内跑道表面形貌分析

在S-570扫描电子显微镜下，拍摄了PG1-4254钢领在深冷处理前后使用1个月和6个月后的内跑道

表面形貌，由图1可知，由于钢丝圈內脚的作用使得普通钢领表面出现了深浅不一、高低不平的平行沟槽，图2为普通钢领使用6个月后的表面情况，由于粘着磨损犁削作用使内跑道形成的沟槽越来越明显。图3为经过深冷处理的钢领使用1个月内跑道形貌，图4为深冷处理钢领使用6个月内跑道形貌，从图中可以看出， 使用1个月与使用6个月的深冷处理钢领内跑道表面形貌几乎近似，钢领表面没有粘结物，没有磨损的裂纹和疲劳磨损，钢领表面光滑。

2.2 深冷处理钢领与普通钢领内跑道力学性能分析

2.2.1 实验方案与仪器

硬度实验采用HXS-1000A型显微硬度计分别对20个PG1-4254深冷处理前后钢领试样表面进行硬度测量，加载质量为250g，时间为15 s，每个试样测9个点，去掉1个最大值和1个最小值后取算术平均值。[5]

冲击强度实验采用XJXD-22型悬臂梁冲击试验机，冲击强度执行GB/T1043-93标准，在常温下分别对20个深冷处理钢领和普通钢领试样进行冲击强度测试，最后计算20个数据的平均值。

压缩强度实验采用济南时代WDW-10型微机控制电子万能试验机，常温下分别对20个深冷处理钢领和普通钢领试样进行压缩性能测试，计算20个数据的平均值。

压缩性能用材料的压缩强度来表示，压缩强度计算公式为：

Pt = P / （ b·d）

式中：P-压缩过程中试样承受的最大载荷，b-试样宽度，d-试样厚度。

2.2.2 结果与分析

深冷处理前后钢领内跑道平均力学性能的实验测试结果如表1所示。

由表1试验结果表明，深冷处理钢领的显微硬度为800 HV，约为普通钢领的1.0倍；压缩强度为290 Mpa，约为普通钢领的1.5倍；冲击强度为20.8 Mpa，约为普通镀镍钢领的1.5倍。分析其主要原因是：经过深冷处理后的材料微观组织发生了变化，残余的奥氏体完全转变为马氏体，从而提高了材料的硬度和尺寸稳定性；在上述转化中从马氏体中又析出了大量的微细碳化物，从而产生了弥散强化，提高材料的机械性能。另外在奥氏体向马氏体转化过程中还会产生应力集中，待恢复至室温时，在钢领表面产生残余压应力，这种应力对材料局部强度成纱有利，从而进一步提高材料的表面硬度及强度，钢领尺寸更加稳定。[6]

2.3 深冷处理钢领与普通钢领内跑道摩擦磨损性能分析

2.3.1 试验方案与仪器

钢领摩擦磨损实验采用MM–200型摩擦磨损试验机，上环采用45#低碳钢，硬度为HV850，表面粗糙度Ra为0.1 ?m，下环为深冷处理钢领和普通钢领试样，试验转速为2.0 m/s，试验载荷3 kN，连续运转120 min，在常温下分别20个深冷处理钢领和普通钢领试样进行摩擦磨损量试验，摩擦力矩经数据采集系统记录，并换算成摩擦因数，按下式计算摩擦系数：

式中：M-摩擦力矩，F-载荷，r-对磨件半径。

用读数显微镜测量试样磨痕宽度，并换算成磨损率。

2.3.2 结果与分析

深冷处理前后钢领内跑道平均摩擦磨损性能的实验测试结果如表2所示。

由表2可知：深冷处理前后2种钢领的摩擦因数差别不大，深冷处理钢领的平均磨损量为1.5 %，普通钢领磨损量约为4.5 %，深冷处理钢领的耐磨性能明显高于普通钢领，分析其原因是：由于经过深冷处理的钢领其硬度和强度都明显提高，故钢领的磨损量减低，延长了钢领的使用寿命。[7]

3 深冷处理钢领与普通钢领的纺纱性能分析

3.1 试验条件

选用深冷處理前后的PG1-4254型钢领各30只，配套钢丝圈型号为FU 10/0型，细纱机为FA506，粗纱定量为4.5 g/10m，锭子速度分别为15000 r/min和21000 r/min情况下，在细纱机相同锭子上纺制精梳13.2 tex纯棉纱，细纱车间温度为25℃，相当湿度为68 %。

3.2 试验用的仪器设备及参数设计

采用长岭纺电XT128型单纱强力仪，拉伸速度为500 mm/min，夹持长度为500 mm，预加张力为5±0.5 cN，取30次测试平均值；采用YG172毛羽仪，测试长度为10 m，测试速度为30 m /min，每管测试20次。在测试温度20±3℃，相对湿度65±3 %下，进行成纱质量对比试验。

3.3 试验结果与分析

成纱质量对比试验测试结果如表3所示。

由表3可知，在相同锭速下，深冷处理的钢领较普通钢领的条干CV值小、单纱强度CV值大，成纱的细节、粗节和棉结少、毛羽指数小、千锭时断头少。其主要原因是：在纺纱过程中，由于钢丝圈与钢领之间为点接触干摩擦，导致钢丝圈运行不稳定，使得钢丝圈呈跳跃式不规则运动，纱线张力易产生突变，一方面使成纱的条干和强力不匀，另一方面产生纱条毛羽、细节、粗节、棉结和断头，使成纱质量降低。经过深冷处理后的钢领微观组织发生了变化，其硬度、强度得到了改善，尺寸稳定性得到了加强，高温硬度更大，[8]故钢丝圈在其上运行时，相对平稳、可靠，成纱质量得到了改善。对比锭子的不同速度中可以看出，使用普通钢领时当锭子的速度增加时，成纱质量下降，而使用深冷处理过的钢领时在锭子速度发生变化时，成纱各项指标变化不大，故深冷处理钢领更能满足高速纺纱生产的要求。

4 结论

1）经力学试验证明，深冷处理钢领的显微硬度为800HV、压缩强度为290 Mpa、冲击强度为20.8 Mpa，其力学性能均优良于普通钢领。

2）经磨损试验证明，深冷处理钢领的磨损率量约为1.5%，比普通钢领的磨损量减少了3倍，使用寿命更长，性价比高。

3）经纺纱试验，使用深冷处理钢领的成纱质量较普通钢领优，钢领无走熟期。

参考文献

[1]孔永华，宋东亮，李东方，等. 一种新型镀膜钢领的开发[J].棉纺织技术， 2013，41（08）：24-27.

[2]王贵珍. 高速钢领表面涂层技术的新发展[J].机械管理开发， 2012，129（05）：121-123.

[3]韩晓君.深冷处理工艺对高速钢性能及残余应力影响的试验研究[D].太原：太原科技大学，2014.

[4]高雅利，杨哲.时效及深冷处理对 Cu-Ni-Si-Mg 合金硬度和导电率的影响[J].热加工工艺，2015，44（09）：226-230.

[5]李春梅，孙友松，王万顺，等.碳纤维/聚合物自润滑复合材料的机械及摩擦性能[J].现代塑料加工应用，2011，23（04）：05-09.

[6]代卫丽，梁淑华，王玉佩.深冷处理对 WTi10 合金组织和性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2015，44（09）： 2291-2294.

[7]王洪艳.深冷处理对高速钢刀具性能的影响及机理研[D].北京：北方工业大学，2008.

[8]王琼霜.深冷处理工艺对高速钢M42组织及性能影响的研究[D].长沙：湖南大学，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