CN107354436A - 一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜及其制备方法，包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层，该TiSi基多层硬质薄膜能够有效的提高滚刀刀圈的使用寿命，并且制备方法简单。

Description

一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于刀具技术领域，涉及一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜及其制备方法。
背景技术
滚刀是地下岩石质隧道(洞)工程全断面施工的大型机械设备的重要部件，主要用于铁路公路交通隧道、煤矿巷道、城市地下通道、水电水利隧洞等全断面施工。滚刀的主要零部件为刀体、刀圈、刀圈卡环、密封、轴承、心轴和端盖等。开挖隧洞过程中，滚刀刀圈与岩石(磨料)间相互磨损和挤压引起刀圈的磨损、发热和变形，滚刀刀圈发热会降低其硬度，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，施工工程中，滚刀消耗费用约占工程造价的1/5-1/3，其中因滚刀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。二元硬质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硬质薄膜基础上添加C、Si元素形成的TiCN、TiSiN、TiSiCN硬质薄膜，使硬质薄膜的摩擦学性能和力学性能获得不同程度地提高。其中TiCN硬质薄膜具有良好的耐磨减摩性，但抗高温氧化性能较差。TiSiN硬质薄膜是非晶与纳米晶的复合结构，薄膜中的Si元素与空气中的氧气反应形成Si2O3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。在TiSiN中添加C形成的TiSiCN硬质薄膜是纳米复合结构，显著提高硬质薄膜硬度、兼具低摩擦系数和高耐磨性等性能，其中C元素起到减摩作用。
PVD离子镀膜具备如下优点：镀膜中入射粒子能量高、硬质薄膜的致密度高，可采用多个电弧的蒸发源，提高沉积速率，基材与硬质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，因此研发一种滚刀刀圈表面的TiSi基多层硬质薄膜材料以及镀膜方法，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，提供了一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜及其制备方法，该TiSi基多层硬质薄膜能够有效的提高滚刀刀圈的使用寿命，并且制备方法简单。
为达到上述目的，本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层。
Cr底层的厚度为300nm，TiSi过渡层的厚度为100nm，耐氧化TiSiN过渡层的厚度为200nm，耐磨减摩TiSiCN薄膜层的厚度为10μm。
本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法包括以下步骤：
清洗滚刀刀圈的表面，再将滚刀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，然后再在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层，得滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为16V，沉积温度为300℃。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积TiSi过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积过程中以TiSi作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为17V，沉积温度为300℃。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积耐氧化TiSiN硬质薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气与Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为350sccm，Ar气的流量为180sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为75A，偏置电压17V。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积耐磨减摩TiSiCN薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气及CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量及CH4气的流量分别为200sccm、110sccm及500sccm，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为70A，偏置电压为17V。
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，滚刀刀圈放置于支撑盘上。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层，通过Cr底层有效的提高TiSi基多层硬质薄膜与滚刀刀圈的结合力，通过耐氧化TiSiN过渡层防止氧化，通过耐磨减摩TiSiCN薄膜层起到耐磨减摩作用，从而有效的提高滚刀刀圈的使用寿命。并且在制备时，只需在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层即可，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为本发明中滚刀刀圈的结构示意图；
图2为本发明中耐磨减摩TiSiCN薄膜层的XRD谱图；
图3本发明中耐磨减摩TiSiCN薄膜层内Si元素的XPS谱图；
图4本发明的耐磨减摩TiSiCN薄膜层内C元素的XPS谱图；
图5本发明的耐磨减摩TiSiCN薄膜层内N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，本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层；Cr底层的厚度为300nm，TiSi过渡层的厚度为100nm，耐氧化TiSiN过渡层的厚度为200nm，耐磨减摩TiSiCN薄膜层的厚度为10μm。
本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法包括以下步骤：
清洗滚刀刀圈的表面，再将滚刀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，然后再在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层，得滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为16V，沉积温度为300℃。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积TiSi过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积过程中以TiSi作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为17V，沉积温度为300℃。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积耐氧化TiSiN硬质薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气与Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为350sccm，Ar气的流量为180sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为75A，偏置电压17V。
在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积耐磨减摩TiSiCN薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气及CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量及CH4气的流量分别为200sccm、110sccm及500sccm，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为70A，偏置电压为17V。
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，滚刀刀圈放置于支撑盘上。
从图2中可知，耐磨减摩TiSiCN薄膜层的相组成为面心立方结构的TiN和TiC相的混合物，未发现Si化合物出现。
为确定耐磨减摩TiSiCN薄膜层中元素的化学态，对薄膜表面进行XPS谱分析，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元素主要以非晶C为主，Si元素主要以非晶态Si3N4形式存在。结合XRD谱图与XPS谱图可知，耐磨减摩TiSiCN薄膜层的微观结构应为纳米晶Ti(C,N)与非晶相(Si3N4和C)的复合结构。

Claims (8)

1.一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜，其特征在于，包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层。
2.根据权利要求1所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜，其特征在于，Cr底层的厚度为300nm，TiSi过渡层的厚度为100nm，耐氧化TiSiN过渡层的厚度为200nm，耐磨减摩TiSiCN薄膜层的厚度为10μm。
3.一种权利要求1所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
清洗滚刀刀圈的表面，再将滚刀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，然后再在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr底层、TiSi过渡层、耐氧化TiSiN过渡层及耐磨减摩TiSiCN薄膜层，得滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜。
4.根据权利要求3所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法，其特征在于，在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为16V，沉积温度为300℃。
5.根据权利要求3所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法，其特征在于，在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积TiSi过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积过程中以TiSi作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为17V，沉积温度为300℃。
6.根据权利要求3所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法，其特征在于，在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积耐氧化TiSiN硬质薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气与Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为350sccm，Ar气的流量为180sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为75A，偏置电压17V。
7.根据权利要求3所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法，其特征在于，在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法沉积耐磨减摩TiSiCN薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气及CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量及CH4气的流量分别为200sccm、110sccm及500sccm，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为70A，偏置电压为17V。
8.根据权利要求6所述的滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜的制备方法，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，滚刀刀圈放置于支撑盘上。
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