CN105971617A - 一种隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜及其制备方法，包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面的金属Cr底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层。本发明能够用于隧道掘进机刀具刀圈，并且制备方法较为简单。
Description
技术领域
本发明属于刀具领域，涉及一种隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜及其制备方法。
背景技术
隧道掘进机(TBM)是地下岩石质隧道(洞)工程全断面施工的大型机械设备，主要用于水利水电隧洞、铁路公路交通隧道、煤矿巷道及城市地下铁道全断面施工。TBM开挖隧洞时，其破岩是通过刀盘上的刀具实现的，其主要零部件为刀体、刀圈、刀圈卡环、密封、轴承、心轴和端盖等。施工中，刀具与岩石在掘进过程中相互磨损和挤压引起刀具的磨损、发热和变形，刀具发热会降低其硬度，从而加快磨损。检查、更换、维修刀具，耗时费力，直接影响其施工工程的造价和工期。据统计，TBM施工工程刀具消耗费用约占工程造价的1/5-1/3，其中因刀具磨损而更换的刀圈数量达80％，刀圈损耗最大。
借助化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)方法制备的TiN和CrN硬质薄膜在很大程度上改善部件表面性能，使之具有高耐磨性、高强度、高硬度和较小的摩擦系数。二元薄膜在剧烈摩擦或高温环境中使用时，其耐磨性、热强性及高温抗氧化性等不够理想。在TiN和CrN薄膜基础上添加Al、C、Si、Cr元素形成的TiAlN、TiCN、CrAlN、TiCrAlN、TiSiN、CrSiN、TiSiCN、TiAlSiCN、TiCrSiCN薄膜，使薄膜的抗高温氧化性及力学性能获得不同程度地提高。其中，TiAlN薄膜拥有比TiN、TiCN薄膜更佳的力学性能和高温氧化性能，被应用于高合金钢、不锈钢、钛合金和镍基高温合金的切削加工；然而高速切削钛合金和镍基合金等难加工材料时，切削温度高达1000℃以上，远高于TiAlN薄膜的氧化温度(热稳定温度800℃)。CrAlN和TiCrAlN涂层(薄膜)中的Cr和Al元素与空气中的氧气反应形成Al2O3和Cr2O3氧化膜，起到抑制氧化、耐磨及隔热作用，使更多的热量通过切屑带走，降低了刀体温度，从而延长使用寿命。TiSiN、CrSiN、TiSiCN、CrSiCN、TiAlSiCN、TiCrSiCN薄膜是纳米复合结构，从而显著提高薄膜硬度、耐磨性和抗高温氧化等性能。薄膜中的Si可起到细化晶粒作用，Cr元素可增强材料的耐蚀性，也可促进硬质相的形成，提高耐磨性，C元素起到减摩耐磨作用。
PVD离子镀膜具备如下优点：镀膜中入射粒子能量高、薄膜的致密度高，可采用多个电弧的蒸发源，提高沉积速率，基材与薄膜界面产生原子扩散构成的过渡层可改善界面性能，降低内应力，膜/基结合强度高，镀膜过程无环境污染，因此研发一种TBM刀具刀圈表面的涂层材料以及镀膜方法，以提高其使用寿命具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜及其制备方法，该多层薄膜能够用于隧道掘进机刀具刀圈，并且制备方法较为简单。
为达到上述目的，本发明所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面的金属Cr底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层。
所述耐氧化薄膜层由Cr元素、Al元素及N元素构成。
耐磨减摩层由Cr元素、Ti元素、Al元素、Si元素、C元素及N元素构成。
金属Cr底层的厚度为100nm，耐氧化薄膜层的厚度为200nm，耐磨减摩层的厚度为4μm。
本发明所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法包括以下步骤：
清洗隧道掘进机刀具刀圈的表面，再将隧道掘进机刀具刀圈放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并进行等离子体清洗，然后再在隧道掘进机刀具刀圈的表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr金属底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层，完成隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜制备。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积Cr金属底层的过程中，向真空腔室内通入流量为40sccm、气压为1.5Pa的Ar气，沉积温度为450℃，沉积过程中以Cr金属作为沉积靶材，弧电流为80A，偏置电压为150V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐氧化薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为1000sccm，Ar气的流量为40sccm，混合气体的气压为1.5Pa，沉积过程中以CrAl合金作为沉积靶材，沉积温度为450℃，弧电流为90A，偏置电压150V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐磨减摩层的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气和CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量和CH4气的流量分别为1000sccm、40sccm及200sccm，沉积过程中以TiSi合金和CrAl合金作为沉积靶材，其中，以TiSi合金作为沉积靶材时的弧电流及偏执电压分别为70A及150V，以TiSi合金作为沉积靶材时的弧电流及偏置电压分别为90A及150V。
所述旋转装置包括转架、支撑盘、支撑杆及电机，其中，电机的输出轴与转架相连接，支撑盘通过支撑杆固定于转架上，隧道掘进机刀具刀圈放置于支撑盘上。
本发明具有以下有益效果：
本发明隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜包括金属Cr底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层，其中，通过金属Cr底层提高薄膜与隧道掘进机刀具刀圈的结合强度，通过耐氧化薄膜层提高隧道掘进机刀具的抗氧化及耐磨损性能，通过耐磨减摩层起到耐磨减摩作用，从而有效的提高隧道掘进刀具刀圈的使用寿命。本发明所述的多层薄膜在制备时，先对刀具刀圈的表面进行清洗，然后采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr金属底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层，操作方便，成本低，并且绿色环保、无任何污染废水废气产生。
附图说明
图1为隧道掘进机刀具刀圈的结构示意图；
图2为本发明中耐磨减摩层的XRD谱图；
图3为本发明的耐磨减摩层中Ti元素的XPS谱图；
图4为本发明的耐磨减摩层中Si元素的XPS谱图；
图5为本发明的耐磨减摩层中C元素的XPS谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面的金属Cr底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层。
需要说明的是，所述耐氧化薄膜层由Cr元素、Al元素及N元素构成；耐磨减摩层由Cr元素、Ti元素、Al元素、Si元素、C元素及N元素构成；金属Cr底层的厚度为100nm，耐氧化薄膜层的厚度为200nm，耐磨减摩层的厚度为4μm。
本发明所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法包括以下步骤：
清洗隧道掘进机刀具刀圈的表面，再将隧道掘进机刀具刀圈放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并进行等离子体清洗，然后再在隧道掘进机刀具刀圈的表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr金属底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层，完成隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜制备。
其中，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积Cr金属底层的过程中，向真空腔室内通入流量为40sccm、气压为1.5Pa的Ar气，沉积温度为450℃，沉积过程中以Cr金属作为沉积靶材，弧电流为80A，偏置电压为150V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐氧化薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为1000sccm，Ar气的流量为40sccm，混合气体的气压为1.5Pa，沉积过程中以CrAl合金作为沉积靶材，沉积温度为450℃，弧电流为90A，偏置电压150V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐磨减摩层的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气和CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量和CH4气的流量分别为1000sccm、40sccm及200sccm，沉积过程中以TiSi合金和CrAl合金作为沉积靶材，其中，以TiSi合金作为沉积靶材时的弧电流及偏执电压分别为70A及150V，以TiSi合金作为沉积靶材时的弧电流及偏置电压分别为90A及150V。
所述旋转装置包括转架、支撑盘、支撑杆及电机，其中，电机的输出轴与转架相连接，支撑盘通过支撑杆固定于转架上，隧道掘进机刀具刀圈放置于支撑盘上。
图2为耐磨减摩层的XRD谱图，从图2中可知，其相组成为面心立方结构的TiAlN，CrN及Ti3AlC相的混合物，未发现Si化合物出现。
为确定耐磨减摩层中元素的化学态，对耐磨减摩层表面进行XPS谱分析，分析结果如图3、图4及图5所示，通过曲线数学拟合对元素化学价态进行分析，C元素主要以Al-C以及非晶C为主，Si元素主要以非晶态Si3N4、SiC和Si形式存在，Ti元素以Ti-C、Ti-N、TiAlN为主，结合图2的XRD结果，耐磨减摩层的微观结构应为纳米晶+非晶相(硅化物和碳)的复合结构，其中，纳米晶相以TiAlN和CrN为主，存在少量Ti3AlC。
Claims (9)
1.一种用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜，其特征在于，包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面的金属Cr底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层。
2.根据权利要求1所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜，其特征在于，所述耐氧化薄膜层由Cr元素、Al元素及N元素构成。
3.根据权利要求2所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜，其特征在于，耐磨减摩层由Cr元素、Ti元素、Al元素、Si元素、C元素及N元素构成。
4.根据权利要求1所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜，其特征在于，金属Cr底层的厚度为100nm，耐氧化薄膜层的厚度为200nm，耐磨减摩层的厚度为4μm。
5.一种权利要求3所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
清洗隧道掘进机刀具刀圈的表面，再将隧道掘进机刀具刀圈放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并进行等离子体清洗，然后再在隧道掘进机刀具刀圈的表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr金属底层、耐氧化薄膜层及耐磨减摩层，完成隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜制备。
6.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积Cr金属底层的过程中，向真空腔室内通入流量为40sccm、气压为1.5Pa的Ar气，沉积温度为450℃，沉积过程中以Cr金属作为沉积靶材，弧电流为80A，偏置电压为150V。
7.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐氧化薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为1000sccm，Ar气的流量为40sccm，混合气体的气压为1.5Pa，沉积过程中以CrAl合金作为沉积靶材，沉积温度为450℃，弧电流为90A，偏置电压150V。
8.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐磨减摩层的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气和CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量和CH4气的流量分别为1000sccm、40sccm及200sccm，沉积过程中以TiSi合金和CrAl合金作为沉积靶材，其中，以TiSi合金作为沉积靶材时的弧电流及偏执电压分别为70A及150V，以TiSi合金作为沉积靶材时的弧电流及偏置电压分别为90A及150V。
9.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法，其特征在于，所述旋转装置包括转架、支撑盘、支撑杆及电机，其中，电机的输出轴与转架相连接，支撑盘通过支撑杆固定于转架上，隧道掘进机刀具刀圈放置于支撑盘上。
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