摘要
摘要
环锭细纱机在我国应用率极高，钢领/钢丝圈是纺纱生产中对纱线进行加捻及卷绕
流程的重要器件之一。随着国内纺织行业高速发展，钢丝圈转速不断攀升，对纺织钢领
性能需求也在提高，而国产纺织钢领存在服役寿命短、耐冲击与磨损性能差等缺点，严
重制约纺纱效率。对此，研究者提出钢领基体材料替换及表面强化处理等一系列提升
钢领性能的方法。其中，类金刚石(diamondlikecarbon,DLC)涂层具有高硬度、低摩擦
系数、较好的导热性等优异特性，具有良好的应用前景。本文采用低温物理气相沉积
(PhysicalVaporDeposition,PVD)涂层技术在低碳钢（20#）、高碳钢（GCr15）表面沉积
得到掺杂Cr元素的DLC涂层，并表征其微观结构、力学性能。运用有限元分析软件
对钢领/钢丝圈机构进行不同冲击荷载下及不同空间倾斜倾斜运转下的冲击仿真模拟；
利用高温摩擦磨损实验机测试四种钢领试样（20#、GCR15、20#-DLC、GCR15-DLC）
在不同转速、载荷、温度下的摩擦性能，并对测试后摩擦配副的磨痕进行表征分析，着
重考察其耐冲击与摩擦性能，研究分析其相关机理。研究结果如下：
（1）DLC涂层表面呈蜂窝状结构，GCr15-DLC、20#-DLC的涂层厚度分别为2.45
μm和1.76μm，物相分析表明，DLC涂层为非晶化结构。EDS检测表明，涂层中元素
含量以C、Cr为主。拉曼测试表明，GCr15-DLC的积分强度比高于20#-DLC。纳米压
痕试验得出，GCr15-DLC和20#-DLC的弹性模量分别为224.7GPa和205.8GPa，硬
度分别为24.18GPa和23.66GPa，划痕实验得出，GCr15-DLC的涂层结合强度高于
20#-DLC。
（2）仿真冲击实验得出，DLC涂层可以有效降低冲击坑的直径和深度，改善钢领
的表面形貌和残余应力集中现象。DLC涂层钢领在三种不同空间倾角状态下的耐冲击
性能均有所提升。无涂层钢领中，高碳钢（GCr15钢）钢领的耐冲击性能更好；基体材
料硬度对于钢领整体的耐冲击性能起到重要作用。DLC涂层钢领中，GCr15-DLC的耐
冲击性能更好。在外脚下沉运转状态下20#、GCr15、20#-DLC、GCr15-DLC的冲击最
大变形量最小，分别为3.53E-2mm、3.358E-2mm、9.69E-3mm和7.88E-3mm。在选
用类金刚石涂层时，应尽量提高其结合强度及弹性模量。在纺纱运行过程中，为减少冲
击引起机构损伤，应尽量使钢丝圈空间倾斜运行状态倾向于外脚下沉。
（3）在摩擦测试中，DLC涂层试样摩擦系数均低于相应无涂层试样，且GCr15-
DLC的摩擦系数低于20#-DLC涂层，而20#的摩擦系数比GCr15低。DLC涂层在摩擦
测试中主要以形成氧化物夹层的方式降低摩擦系数，当温度受外界影响升高后，DLC
涂层有石墨化的倾向，而Cr元素的掺杂进一步加强涂层石墨化程度，降低摩擦系数。
不同转速下，DLC涂层主要由附着层降低摩擦系数，最低平均摩擦系数为0.07，发生
在GCR15-DLC在转速为200r/min时。不同载荷下，随着载荷的上升，有形成转移层
的趋势，最低平均摩擦系数为0.09，出现在载荷为3N的GCr15-DLC试样；不同温度
下，DLC涂层试样在温度为200℃和300℃时形成了以碳元素为主的转移层，且GCr15-
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西安工程大学硕士学位论文
DLC的摩擦系数比20#-DLC更低。最低平均摩擦系数为0.033，发生在GCR15-DLC在
温度为25℃时。DLC涂层具有优异的减摩性能，且GCr15-DLC比20#-DLC的减摩性
能更好，符合纺织钢领对涂层在恶劣工况下服役的需求。高载荷、高转速、高温使DLC
涂层减摩性能降低。钢球磨损体积最低处发生在200r/min、3N、25℃时的摩擦测试中。
DLC涂层实际应用到纺织钢领时，优异的减摩性能可以大大降低钢丝圈的损