环锭细纱机(ring spinning)和环锭捻线机(ring twisting)的钢丝圈在 高移动速度(30m/秒-50m/秒)下用于相应环锭细纱机和环锭捻线机 的环锭上。因此,在钢丝圈和环锭之间的
接触表面以及钢丝圈和
纱线 之间的接触表面经受着高磨损。然而,要求不断提高钢丝圈的移动速 度以提高产量。同时,应当通过获得更长的使用寿命来降低成本。
近几年,用合适的材料涂布钢丝圈可以使它们的使用寿命明显提 高。在非常高的移动速度(>40m/s)下,在
线束通过区域和在环锭 接触表面的抗磨损性并没能在所希望的程度上得到改善。
DE 3545484描述了用于细纱机的钢丝圈,其具有至少
覆盖与环 锭接触的表面区域的陶瓷涂层。该陶瓷涂层由一层或多层选自
碳化物 层(如SiC、TiC、ZrC)、氮化物层(TiN、TiCN、ZrN)、
氧化物层 (如Al2O3、ZrO3、SiO2)和
硼化物层(TiB2和ZrB2)的层组成。该 陶瓷层通过CVD方法或PVD方法被施用于芯。该涂布的钢丝圈随后 进行淬火和
抛光。碳化
钛层和氮化钛层的硬度为1900-2500HV (Vickers硬度)。
CH 487535描述了用于细纱机和捻纱机的钢丝圈,其中环锭和/ 或钢丝圈涂有氮化钛
铝的涂层。
CH 589723描述了用碳化物、氮化物或碳氮化物涂布无机基材的 方法。
本发明的目的是提供用于环锭细纱机和环锭捻纱机的钢丝圈,其 具有改善的抗
腐蚀性和改善的移动性能(travel properties)。另外, 还将说明用于生产这类钢丝图的方法。
该问题通过具有在
权利要求1中说明的特征的钢丝圈和通过如权 利要求9所述的方法进行解决。进一步优选的实施方案为从属权利要 求的主题。
根据本发明的用于环锭细纱机和环锭捻纱机的钢丝圈具有由
铁 材料或塑料制成的芯,在其至少部分上涂覆有表面涂层。该表面涂层 包含一层或多层氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、
硼化物陶瓷、 金属
合金或它们的混合物。该表面涂层的厚度为小于90纳米(nm) (1/1000000mm=百万分之一毫米)。
小的层厚产生了特别好的表面涂层与钢丝圈芯的粘接。该表面涂 层具有更少的由于例如在安装钢丝圈期间产生的机械应
力导致的缺 陷。与所属技术领域中广泛观点相反,小的层厚,即,约几个纳米的 层厚不仅影响处理后的表面的光学、化学或电学性质,而且令人惊奇 地大大改善了材料性质。由于这个原因,本发明的钢丝圈具有全面极 大改善的抗磨损性,特别是在纱线通过区域和在与环锭接触的区域。 与具有传统涂层的钢丝圈相比,抗磨损性明显地更高,作为其结果使 用寿命也被提高。这显著地降低了运行成本。由于该表面涂层,本发 明的钢丝圈具有优良的抗磨损性和抗腐蚀性。
在一个优选的实施方案中,该表面涂层包含TiCN,特别优选地 为纯TiCN,其具有2600-3600的硬度HV0.025。TiCN是硬的并且同 时是相对坚韧的(tough),这使得它特别适合地作为本发明的钢丝圈 的表面涂层。
在一个优选的实施方案中,包含TiN的层被施用在芯上作为该表 面涂层的第一层。还将可能使用其他金属氮化物(如CrN)代替TiN。 该氮化钛层具有异常优良的对铁材料的亲和力,这增加了该钢丝圈的 长期
稳定性。这样的话,可以避免例如材料的剥落。
本发明的钢丝圈的表面涂层可以由一层或多层组成。该表面涂层 具有小于90nm的厚度,优选地小于70nm和特别优选地小于40nm。
在一个特别优选的实施方案中,该表面涂层被施用于芯的全部表 面。
该钢丝圈的芯可以由塑料制成。特别合适的塑料为聚酰胺、特别 是聚酰胺6,6以及用玻璃或芳族聚酸胺
纤维加强的聚酰胺6,6,它们可 以通过注塑进行加工并因此可以以几乎各种形状而获得。其他塑料也 是可能的。
如果该钢丝圈的芯由铁材料制成,任何类型的钢可以被用于此。 然而,钢丝圈的芯特别适合地由非合金的工具钢、冷作钢(cold-working steel)、
弹簧钢或
高速钢制成。
本发明的具有铁材料芯的钢丝圈通过用表面涂料至少部分地涂 布该芯进行生产。在这里,第一步中,在反应室中将该芯加热到 150-1200℃。在PVD方法中,该
温度为150-500℃。在CVD方法中, 该温度为600-1200℃。随后将沉积气体(deposition gas)引入到反应 室中,这样包含碳氮化钛、氮化铬或碳化
钒的层被沉积在芯表面上。 随后在保护气下,在1-2小时期间内该涂布后的钢丝圈被缓慢冷却。 该涂布后的钢丝圈在保护气下的缓慢冷却是一个重要步骤,因为只有 这样才可以保证获得的表面涂层具有结晶化针状结构并因此具有非 常小的残余
应力。该晶体的尺寸为5-40nm。
该纳米氧化物陶瓷优选地选自AlO3、TiO2、TiO、ZrO2、SiO2、 SiO、ZnO、MgO、BeO、Cr2O3、InO3和它们的混合物。
在一个优选的实施方案中,该纳米氮化物陶瓷选自AlN、TiN、 TiCN、Si3N4、TaN、GaN、BN、InN、CrN和它们的混合物。
在进一步优选的实施方案中,该纳米碳化物陶瓷选自AlC、TiC、 ZrC、Br4C、NbC、WC、TaC、HfC、VC、CrC、C(金刚石、类金刚石 碳(DLC))和它们的混合物。
在一个优选的实施方案中,该硼化物陶瓷选自AlB、TiB2、ZrB2、 HfB2和它们的混合物。
在进一步优选的实施方案中,该金属合金选自锌和锌合金。
在一个优选的实施方案中,冷却后的钢丝圈通过使硬化温度与芯 碳匹配(例如通过使其在840℃保持30分钟)而进行后-硬化 (after-hardened)。
在进一步优选的实施方案中,经后-硬化的钢丝圈在热浴(thermal bath)中(80℃的油或170-260℃的热浴(hot bath))进行淬火并在 200-350℃回火0.5-1.5小时,即,经受
热处理。这使得该钢丝圈具有 更大的韧性和弹性,这保证了钢丝圈的更长的使用寿命并对该层的粘 合性具有有利的影响。
如果钢丝圈的芯由塑料制成,使用已知的注塑方法来制造它。然 而,其他塑料加工方法也是可能的。
钢丝圈的涂布可以通过多种方法进行。PVD(
物理气相沉积)、 CVD(
化学气相沉积)是特别适合于金属材料的纳米涂层。溶胶-凝胶 方法适合于所有材料。同样地
光刻方法可以用来产生三维结构和使用 蘸笔纳米光刻方法(dip-pen nanolithography process)用来产生部分涂 层。
在本发明的一个优选的实施方案中,该钢丝圈的表面在涂布之前 和/或之后另外地进行抛光,这样获得了光滑的表面。合适的抛光材料 为,例如包含金刚石的糊剂或
研磨剂,其硬度大于表面涂层的硬度。
芯优选地在涂布之前进行去脂。
在一个优选的实施方案中,
中间层位于本发明钢丝圈的芯的至少 部分上。多个中间层(例如由不同材料组成的中间层)也是可能的。 该中间层尤其优选地存在于该钢丝圈的芯的整个表面上。该中间层包 含一层或多层纳米氧化物陶瓷、纳米氮化物陶瓷、纳米碳化物陶瓷、 纳米硼化物陶瓷、纯金属、金属合金或它们的混合物。而且,该中间 层不同于表面涂层。这表示中间层和表面涂层由不同材料组成。该中 间层与表面涂层的结合使得可以非常特异性地控制本发明钢丝圈的 表面性质。
在本文中使用的纯金属包含至少95%,优选地至少98%和特别优 选地至少99%的有关金属。
在进一步优选的实施方案中,该中间层包含纯金属或金属合金。 特别优选的金属合金是铬合金或镍合金。用来保护基材(在这里指钢 丝圈的芯)的由铬或铬合金构成的中间层还被称为硬铬。用金属合金, 特别地用硬铬和镍合金涂布钢丝圈可以通过化学途径或电学途径进 行。优选的金属是铬和镍。优选的镍合金是NiP和NiB。
在另一优选的实施方案中,中间层的厚度保持非常低,即低于 90nm,优选地低于70nm和特别优选地低于40nm。作为非常低的中 间层的厚度的结果,该钢丝圈的尺寸几乎不受影响。而且,中间层(以 及表面涂层)本身可以包含纳米颗粒或由纳米颗粒组成。术语“纳米 颗粒”指几个至几千个
原子或分子的集合体。其尺寸通常为1-100纳 米。这些纳米颗粒还可以是
纳米晶体,即具有
晶体结构。纳米晶体是 其尺寸在纳米范围内的晶体材料,即,具有基本上晶体结构的纳米颗 粒。因为纳米颗粒的多种电学和热动力学性质取决于它们的尺寸,钢 丝圈的这些性质并因此表面性质可以通过材料的精确加工进行控制。
本发明的钢丝圈可以用于
纺纱机(spinning mills)和捻线机 (twisting mills)。它们优良的运行性能(例如优良的滑动和低磨损) 在与涂布的钢环锭(steel rings)结合中是特别有利的,但它们也可以 用在其他环锭上,例如在
烧结或未涂布的环锭上。
具有纳米碳氮化钛表面涂层的本发明的钢丝圈可以被普遍使用, 而它们特别适合于经受相对高的作用力或缺乏润滑作用的钢丝圈。
具有纳米碳化钒表面涂层的本发明的钢丝圈同样可以被普遍使 用,而它们特别优选地用于移动速度非常高的地方,因为该纳米碳化 钒表面涂层是极其硬的,即具有3000-4000HV的硬度。
具有纳米氮化铬表面涂层的本发明的钢丝圈同样可以被普遍使 用,而它们尤其优选地用于生产混合纱,因为该表面涂层是非常耐腐 蚀的和用于合成纱、柔软剂和含氯纤维的生产中,在这里腐蚀作用自 然地升高。
附图说明
本发明的钢丝圈将在下面通过附图中显示的
实施例进行说明。在 图中,纯粹示意性地,
图1a-1f表示钢丝圈的各种实施方案
图2表示穿过本发明的钢丝圈的第一实施方案的截面,其中表面 涂层被直接施用在芯上。
图1a-1f表示在各种实施方案中的钢丝圈10a、...10f。图1a和1b 表示一般被用在环锭细纱机或环锭捻线机的T-边钢领(T-flange rings) 上的C-形钢丝圈10a、10b。另一方面,图1c-1f显示了
耳-和钩-形钢 丝圈10c、...10f。钢丝圈10c和10d被用在斜边钢领上(oblique flange rings),钢丝圈10e被用在锥形边钢领(conical flange rings),钢丝 圈10f被用在垂直边钢领(vertical flange rings)上。
在每种情况下,1指示钢丝圈10a、...10f的区域,其在运转期间 形成在有边钢领(flange rings)上滑动的运行表面。在C-形钢丝圈10a、 10b的情况下,由于该钢丝圈的对称构型,侧面(flanks)a、b均可 以用作为运行表面。在耳形或斜边和SU钢丝圈10c...10f的情况下, 运行表面的区域1明显地通过形状进行固定。
根据本发明的钢丝圈10和10a...10f可以以图1a...1f中显示的实 施方案或以任何其他实施方案生产。
根据本发明的钢丝圈10具有未被涂布的由铁材料制成的芯20。 包含氮化铬、碳化钒或碳氮化钛的表面涂层24至少存在于芯上的运 行表面的区域1中,在该区域上它在环锭细纱机或环锭捻线机的环锭 上移动。纱线通过区域在钢丝圈10a...10f的由4指示的区域内。
在运行表面1的区域中,首先并首要地,用3指示的钢丝圈10 的内侧必须是抗磨损的并且具有优良的滑动性质并因此被提供有表 面涂层。在一定的纱线
张力下,可以使钢丝圈向侧向倾斜并且以这种 方式在环锭上移动,这样的话,可以证明向两面2均提供表面涂层是 有利的。
图2显示了穿过本发明的钢丝圈的第一实施方案的截面,其中表 面涂层直接位于芯上。虽然可以仅仅对经受大的机械和/或化学应力的 区域提供表面涂层24,但钢丝圈优选地在其全部面积上涂有表面涂层 24。如上所述,在图1中,特别地在运行表面1的区域内,钢丝圈10 的用3标注的内侧有必要是抗磨损的并具有优良的滑动性质并因此被 提供有表面涂层。向两个面2均提供表面涂层24可能同样是有利的。
本发明的钢丝圈通过在反应室中将该优选地被硬化、抛光和去脂 的芯加热到700-1200℃获得。这导致芯的硬度被降低到HV100-400。 按照CVD(化学气相沉积)方法,沉积气随后被引入到反应室中。如 果该表面涂层包含碳氮化钛,则CH3CN和TiCl4被用作为沉积气体。 在氮化铬层或碳化钒层的生产中使用的沉积气体对于本领域技术人 员是已知的。这导致碳氮化钛层、氮化铬层或碳化钒层被施涂于芯表 面。该过程可以被施加多次,这样形成多层表面涂层。在施用表面涂 层的单个层之间,在每种情况下钢丝圈优选地被冷却。该经涂布的钢 丝圈随后在保护气下(优选地在氮气下)被冷却1-2小时,优选地2 小时。用这种方法获得的表面涂层具有结晶化针状结构。用这种方式 获得的钢丝圈随后优选地进行后-硬化,在热油或热浴中并且在285℃ 的温度下淬火1小时。最后,抛光该钢丝圈以便获得细
螺纹表面 (thread-fine surface)。