1、关于多弧靶离子镀铬的研究背景
镀铬钢领在我国应用的历史已有40年，最早全面应用镀铬钢领的是上海嘉丰棉纺织厂。1977年在江阴召开了全国性的钢领镀铬会议[1]，使得这一新生事物得到肯定，引起了全国纺织科研人员的关注。当时，“五七棉纺厂”(现安陆棉纺厂)的王力总工程师，从镀液、配方、工艺等方面进行了优化和改进，使镀铬钢领的镀铬技术进一步提高，在全国得到应用。随着时间的推移，麻面钢领逐步退出历史舞台，而擦光钢领得到发展，镀铬钢领在不断的改进中前进。随着科学技术的进步，近年来在常州与无锡三角区的镀铬工业园中，采
用了快速镀铬工艺，研究出的催化剂使铬晶粒更细小，从而使镀铬钢领走熟期短，钢领内跑道镀铬层均匀，纺纱质量提高，特别是使用周期可达3年之久，受到纺纱厂广泛使用和欢迎。东华大学孔永华教授在文献[23中指出，经检验瑞士布雷克名牌钢领表面处理是镀铬，这更坚定了我国镀铬钢领发展的方向。但我国的镀铬钢领与瑞士布雷克钢领存在着较大的差距。必须认真研究解决以下几点问题：一是在钢领内跑道上镀厚，镀均匀，保证个与个、台与台、批与批之间的差异很小，保证摩擦因数一致性，便于钢丝圈统一管理。二是做到镀铬层与基体的无缝结合，膜不起泡、不起皮，不脱膜，保证镀膜质量。三是克服镀铬工艺中产生的“边角效应”，保持良好的网状裂纹的粗糙度，且钢领表面光滑。四是如何达到纳米晶的镀铬层，使我国镀铬钢领由粗晶到微晶，进一步向纳米级钢领发展。五是必须在满足纺纱工艺要求的前提下，进一步提高钢领的硬度，延长其使用寿命，但不是愈硬愈好。六是做到镀铬工艺和生产对人体健康及环境无害，目前电解镀铬为限制生产的行业，不利于镀铬钢领的发展。七是如何做好潮湿高温及沿海地区的钢领防锈处理，做到免维护管理。
2006年是中俄科技年，武汉高校受邀去俄罗斯进行舰船镀铬工艺新技术交流。此后，我们开始对多弧离子镀表面技术进行研究探索，经过3代离子镀炉体结构及工艺的更新换代，在总结多年理论与实践经验的基础上，于2016年我校新设计了“多弧离子镀”设备，用于钢领镀铬，进行小试生产研究。
2、多弧离子镀铬的设备及工艺原理
多弧离子镀铬设备如图l所示。该设备为一个不锈钢真空炉体，前为真空炉的炉门，后为真空抽气口，与真空系统相连。真空炉四角为4个加热器，保证炉温均匀，炉中部为活动的工件架，工作架上放置钢领(容量达500个)，由炉底部传动装置传动，其一方面可沿着真空室轴心做周转，另一方面可沿着自身轴心自转，从而保证工件架上的每一个工件，在多弧镀过程中受到均匀的轰击，得到成分均匀的纳米级铬的镀层。炉体周围为4个铬靶(金属铬块)。
其工作原理：炉内抽真空时，开启偏压电源，使炉内通人的氩气分离至纳米级氩离子，在这同时开启铬靶电源，使铬靶产生像电焊时一样的弧光，加热铬块，使其铬靶的铬金属气化成为纳米级铬离子Cr+、Cr+和原子，逸出的动能将这些纳米级铬离子溅射出来，并按铬靶上的磁场的磁力线向外飞散，这些被逸出来的铬离子Cr+，会被工件架上所施的偏压电源的负极吸引，而轰击在工件架的钢领上，并沉积在钢领表面上，形成纳米级铬的镀层，由于可控可调，能达到所需的纳米镀层和纳米晶体的尺寸。经红外光谱及X射线衍射图
的分析，在钢领的表面及内跑道上有均匀的铬层。
3、多弧离子镀铬的特性
目前镀铬工艺已由粗晶工艺、微晶工艺，发展到纳米结晶工艺。多弧离子镀铬在性能上与过去的电解镀铬不相同，具有纳米特性，主要表现在以下方面。
3.1 镀铬工艺原理
3.1.1 电解镀铬
该工艺基本原理是钢领表面铬吸附原子生长成铬核晶，铬核晶继续生长形成铬膜层。图2为镀铬层晶面阶梯生长示意图[3]，在电解铬过程中，离子放电可以在晶面上的任何地点发生，形成晶面上的吸附原子，然后这些吸附原子通过晶面上的扩散过程转移到“生长线”和生长点Ⅱ、Ⅲ并结合进入晶格。显然吸附原子将倾向于占有能量最低的C点位置，进而生长为铬核晶。图3为简单地表示出晶面的相对生长速率与晶体形态间的联系图。可以看出，由于生长速率的不同，快生长的晶面趋于消失，而慢生长的晶面保留下来，最后结晶体呈现一定的形态特征。继续生长而成为膜层，电沉积出来的镀铬层大多数为晶态。
这种镀铬工艺，在钢领内跑道上形成粗晶结构，图4所示是电解镀铬钢领，钢领表面具有“网状裂纹”的粗铬晶结构的形貌。
采用快速镀铬工艺对钢领镀铬，合理控制铬层晶体生长核率和生长速率可使生长核加大，生长速率尽可能减小，则获得的镀铬层结晶颗粒就可细小如图5所示，钢领镀铬层晶粒细小，“网状裂纹”就多而浅，表面光滑，因此获得细微铬晶表面镀铬层的钢领能具有较好的纺纱性能。
由此可知，电解镀铬钢领的铬结晶较粗，晶核形成主要依靠铬晶吸附原子吸附在钢领上，因而铬晶与钢领基体附着力不强，加之电解过程中放出氢气等气体很容易附在被镀基体上，使基体与镀铬层隔开，有时还会形成气泡而产生起皮、起泡甚至脱膜现象，严重影响镀铬质量。
3.1.2 多弧离子镀铬
该工艺是在真空炉中，多弧靶上铬块气化成铬离子，铬离子轰击钢领基体表面，这些移动的离子就会进到多弧离子镀工艺所造成的缺陷和小洞穴中去(如图6所示)，并停留在坑中与基体的原子进行扩张，进而渗入到基体形成铬核，由于多弧离子铬靶不断提供铬离子，使铬核生长成原子团，这些原子团就不断长大成为粒子，这些不断长大的粒子就是铬晶体，这些铬晶的能量键与基体表面上能量键相互作用，而成为一个与基体结合成的过渡层，若继续入射铬离子到基体表面，粒子继续长大，形成如图7所示纳米级“岛状”结晶结构，
这些许许多多的纳米级小岛，通过迷津结构形成铬薄膜层，在其表面形成“网状裂纹”多而浅的形貌。
由上述可知，多弧离子镀铬钢领镀膜工艺是由纳米级铬离子、原子与钢领表面基体原子共同组成的一体过渡层，铬靶不断提供纳米铬原子而逐渐生长成“岛状”晶体，经迷津结构形成铬薄膜层，并具有“网状裂纹”结构的表面形态的镀铬层，镀铬层表面光滑并具有牢固的附着力。
3.2 附着力高
镀铬层与钢领表面基体的结合力在技术上称附着力，是镀铬工艺中的重要质量指标。用WS200型附着力划痕试验仪测试膜基结合力，其检验结果如表1所示。
由表1可见，由于多弧离子镀铬钢领的镀铬层与基体有一个合为一体的过渡层，因此镀铬层与基体的附着力非常好，不会出现镀铬层起皮、起泡、膜剥落等质量缺陷。
3.3 摩擦因数小并可控、可调根据许多文献的报道卧。瑞士布雷克钢领与国产轴承钢领表面都具有镀铬层，这是由于铬的摩擦因数小，特别是干摩擦因数在现有金属中是最低的，镀铬层具有良好的摩擦因数。通过改变多弧离子镀各项工艺参数，可在钢领表面形成如图8所示的各种不同“岛状”镀铬层的形状。通过改变“岛”的形状，从而改变钢领表面上的摩擦因数，满足纺棉、纺涤(细、中、粗号纱)，纺各种化纤纱所需的摩擦因数，纺好纱。
3.4 硬度较高
硬度是钢领使用性能的主要指标之一，镀铬可以使钢领镀铬的表面获得高硬度，使钢领有较长的使用寿命。
在同一基础条件下，将水磨钢领，擦光钢领及镀铬钢领在洛氏硬度试验机上测试其洛氏硬度：水磨钢领HRC60.5，抛光钢领HRC60.5，多弧离子镀铬钢领HRC65.0。采用HX-1000型显微硬度计测试钢领表面硬度：普通镀铬钢领HV 831，快速镀铬钢领HV 928，多弧离子镀铬钢领HV959．2。可以看出，多弧离子镀的镀铬钢领具有较高的硬度。
根据摩擦磨损理论，钢领的主要磨损形式包括氧化磨损、黏着磨损(包括磨粒磨损)以及疲劳磨损。由于镀铬具有高硬度，又有较好的耐热性，在500℃以下高温，其光泽性、硬度均无明显变化。这说明镀铬钢领具有很高的抗氧化磨损性能。
由于镀铬层的高硬度、高耐热特性，使钢领内跑道在与钢丝圈摩擦时，不易产生因塑性变形而引发的黏着磨损，减小摩擦中的犁削分量，减少了磨损率，同时钢领的高硬度能有效降低各种形式的磨损，延长其使用寿命。
高硬度镀铬层不易嵌入外来硬微粒而引起磨粒磨损。同时其对高压应力的能力使其具有较好的抗疲劳磨损性能，因而不易引起钢领的疲劳磨损。
铬具有高的防腐蚀性能，抗氧化腐蚀能力强，因而能延长钢领使用寿命。
由于镀铬层具有较小的摩擦因数，磨损率减少。
由于镀铬层的高硬度，能克服钢领的氧化磨损、黏着磨损和疲劳磨损，良好的抗磨蚀性及小摩擦因数使其获得高耐磨性能，延长镀铬钢领的使用寿命，最长可达5年之久。
3.5 对人体和环境无害，产量高，成本低电解镀铬采用的是由铬酐(Cr0。)和少量的硫酸催化剂而组成的镀铬溶液，铬酐有毒，是有害化学品，在电镀钢领时，电解工艺过程中会有大量的铬酸浓雾逸出而带出铬酸溶液，向周围环境中排出大量的气体，危害人类健康和周围环境，还向周围环境排出有毒的水、汽及废液、废渣，已成为一个重污染行业，属于限制和淘汰的行业。
多弧离子镀铬工艺是在真空室中进行，开启蒸发源的电源，使纯金属铬块的表面出现明亮的弧斑，不断发光闪动，使纯金属铬气化成纳米铬离子，且原子按磁场中磁力线向外扩散。而这些被轰击出来的铬的正离子及原子，在钢领的表面及内表面上沉积，随着时间的增加而形成铬层。整个工艺中没有有害化学品，没有有害废气、废水、废渣的排出，而整个加工工艺是在密闭的真空室中进行，在氩气的保护下进行，不会对人体健康和环境产生危害，属环保加工工艺，也是目前推广应用的高新技术。
我们将继续努力研制新的大功率靶及靶材(包含铬铝、铬钛钨、铬铝硅等复合靶)，以期提高多弧镀铬钢领内跑道镀铬层厚度，以其高的硬度，高耐热性能，高防腐蚀性能，高抗氧化、黏着及疲劳磨损性能，让钢领的使用寿命更长，特别是提高纺细特纱的纺纱性能，全面提升纳米级多弧离子镀钢领的应用水平。
4、多弧离子镀钢领纺纱性能
4.1纺纱周期长
钢领年消耗量大，一般抛光钢领平均使用寿命为9个月，而镀铬钢领平均使用寿命为3年，甚至更长，可为企业节约费用开支。而且使用镀铬钢领时无需中间抛光工序修复，生产顺利，纺纱断头率降低，工人劳动强度相应降低，为企业节省了大量成本。
4.2 降低纺纱断头率。提高纺纱质量
由于钢领表面粗糙度值减小，使钢丝圈运转时的“跳跃”幅度减小，钢丝圈运行更趋平稳，从而降低了纱线张力突变，使断头率得以下降。纺纱品种为T／C13 tex，使用电解镀铬钢领，细纱千锭时断头率30根；使用多弧离子镀铬钢领，细纱千锭时断头率23根。纺C 14．6 tex纱，使用电解电镀铬钢领，细纱条干CV值14．4％，一50％细节4个／km，+50％粗节138个／kin，+200％棉结258个／km，毛羽H值4.61；使用多弧离子镀铬钢领，细纱条干CV值13．6％，一50％细节3．3个／kin，+50％粗节120个／kin，+200％棉结214个／kin，毛羽H值3.8。
5、 结语
1）多弧离子镀铬钢领具有较高的镀铬硬度，同时具有纳米结构的镀铬层，在500℃高温时，硬度及粗糙度不变；具有良好的耐高温性能、抗氧化性能、抗黏着磨损以及磨粒磨损的性能；又具有金属中较小的摩擦因数以及高抗腐蚀性能。在这些优异性能的共同作用下，多弧离子镀镀铬钢领的使用寿命可提高到3年～5年。
2）多弧离子镀铬钢领是以固体铬金属为原料，采用不含毒的化学药品和工艺进行生产，属于高新技术，是对人体健康和周围环境无害的新工艺技术。
3）镀铬钢领经过40年的发展，由粗晶到微晶再到纳米级铬晶，由小到大，现占钢领市场的50％～60％份额，但由于电解镀铬属于限制行业，阻碍了镀铬钢领的发展。多弧离子镀铬钢领设备及工艺是对人体和环境无害的高新技术，做好示范普及和推广工作，将使镀铬钢领迎来一个创新的春天。
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