CN107419223A - 一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法，所述薄膜包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层；所述的TiSiCrCN耐磨薄膜层为(TiCr)(CN)和CrN纳米晶与非晶相(Si3N4和C)的纳米复合结构。所述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、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，完成滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜制备。

Description

一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及刀具领域，具体为一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法。
背景技术
这种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、城市地下铁道、水电水利隧洞等全断面施工。滚刀主要零部件为刀体、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。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法，制备方法简单，操作方便，成本低，并且绿色环保、无任何污染废水废气产生。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜，包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层；所述的TiSiCrCN耐磨薄膜层为(TiCr)(CN)和CrN纳米晶与非晶相(Si3N4和C)的纳米复合结构。
优选的，所述TiSi过渡层由Ti元素及Si元素构成。
优选的，所述TiSiN耐氧化过渡层由Ti元素、Si元素及N元素构成。
优选的，所述TiSiCrCN耐磨薄膜层由Ti元素、Si元素、Cr元素、C元素及N元素构成。
优选的，金属Cr底层的厚度为300nm，TiSi过渡层为100nm，TiSiN耐氧化过渡层的厚度为200nm，TiSiCrCN耐磨层的厚度为10μm。
本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构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、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，完成滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜制备。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为16V。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSi过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为17V。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiN耐氧化过度层的过程中，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380sccm，Ar气的流量为200sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为62A，偏置电压19V。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiCrCN耐磨薄膜层的过程中，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500sccm、100sccm及200sccm，混合气体的气压为1.1Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为74A，偏置电压为18V；Cr作为沉积靶材，弧电流为70A，偏置电压为19V。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜包括金属Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，其中，通过金属Cr底层提高薄膜与滚刀刀圈的结合力；通过耐氧TiSiN耐氧化过渡层提高刀具的抗氧化性能，通过TiSiCrCN耐磨薄膜层起到耐磨作用，从而有效的提高滚刀刀圈的使用寿命。
本发明所述的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜在制备时，先对滚刀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金属Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，操作方便，成本低，并且绿色环保、无任何污染废水废气产生。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、TiSiCrCN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能，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Cr和C形成的TiSiCrCN硬质薄膜是纳米复合结构，显著提高硬质薄膜的硬度和耐磨性。通过PVD离子镀膜使得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，能够提高其使用寿命。
附图说明
图1为本发明实例中所述滚刀刀圈的结构示意图。
图2为本发明实例中所述滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜结构示意图。
图3为本发明实例中所述的TiSiCrCN耐磨薄膜层的XRD谱图。
图4本发明实例中所述的TiSiCrCN耐磨薄膜层中Si元素的XPS谱图。
图5本发明实例中所述的TiSiCrCN耐磨薄膜层中C元素的XPS谱图。
图中：滚刀刀圈1，Cr底层2，TiSi过渡层3，TiSiN耐氧化过渡层4，TiSiCrCN耐磨薄膜层5。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参考图1，本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜包括依次沉积于滚刀刀圈1表面的Cr底层2、TiSi过渡层3、TiSiN耐氧化过渡层4及TiSiCrCN耐磨薄膜层5。
需要说明的是，所述TiSiN耐氧化过度层由Ti元素、Si元素及N元素构成；耐磨减摩的TiSiCrCN耐磨薄膜层由Ti元素、Si元素、Cr元素、C元素及N元素构成；Cr底层的厚度为300nm，TiSi过渡层厚度为100nm，TiSiN耐氧化过渡层的厚度为200nm，TiSiCrCN耐磨薄膜层的厚度为10μm。
本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构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，然后再在滚刀刀圈的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、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，完成滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜制备。
其中，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积金属Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为16V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSi过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为17V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiN耐氧化过度层的过程中，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380sccm，Ar气的流量为200sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为62A，偏置电压19V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiCrCN耐磨薄膜层的过程中，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500sccm、100sccm及200sccm，混合气体的气压为1.1Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为74A，偏置电压为18V；Cr作为沉积靶材，弧电流为70A，偏置电压为19V。
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。
图3为TiSiCrCN耐磨薄膜层的XRD谱图，从图3中可知，其相组成为面心立方结构的(TiCr)(CN)和CrN相的混合物，未发现Si化合物出现。
为确定TiSiCrCN耐磨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4和图5所示。通过曲线数学拟合对元素化学价态进行分析，如图4所示，Si元素主要以非晶态Si3N4形式存在，如图5所示，C元素主要以非晶C为主。结合XRD和XPS结果，可知TiSiCrCN耐磨薄膜层为(TiCr)(CN)纳米晶和CrN纳米晶与非晶相Si3N4和非晶相C的纳米复合结构。

Claims (10)

1.一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜，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、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层；所述的TiSiCrCN耐磨薄膜层为(TiCr)(CN)和CrN纳米晶与非晶相(Si3N4和C)的纳米复合结构。
2.根据权利要求1所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜，其特征在于，所述TiSi过渡层由Ti元素及Si元素构成。
3.根据权利要求1所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜，其特征在于，所述TiSiN耐氧化过渡层由Ti元素、Si元素及N元素构成。
4.根据权利要求1所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜，其特征在于，所述TiSiCrCN耐磨薄膜层由Ti元素、Si元素、Cr元素、C元素及N元素构成。
5.根据权利要求1所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜，其特征在于，金属Cr底层的厚度为300nm，TiSi过渡层为100nm，TiSiN耐氧化过渡层的厚度为200nm，TiSiCrCN耐磨层的厚度为10μm。
6.一种权利要求1所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构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、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，完成滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜制备。
7.根据权利要求6所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为16V。
8.根据权利要求6所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSi过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为17V。
9.根据权利要求6所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiN耐氧化过度层的过程中，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380sccm，Ar气的流量为200sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为62A，偏置电压19V。
10.根据权利要求6所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiCrCN耐磨薄膜层的过程中，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500sccm、100sccm及200sccm，混合气体的气压为1.1Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为74A，偏置电压为18V；Cr作为沉积靶材，弧电流为70A，偏置电压为19V。
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