CN108486545A - 一种耐腐蚀盾构机刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐腐蚀盾构机刀具，包括至上而下依次设置的类金刚石涂层、SiC过渡层及硬质合金基体层。本发明在硬质合金刀具上制备类金刚石涂层，使刀具和被加工材料之间的摩擦系数显著下降，能够有效阻止被加工材料与刀具基体之间的粘附，实现被切削材料表面质量的提高和刀具使用寿命的延长。
Description
技术领域
本发明属于盾构施工领域，涉及盾构机刀具，尤其是一种耐腐蚀盾构机刀具。
背景技术
硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，在500℃的温度下能够保证稳定的高硬度和耐磨特性。硬质合金做为盾构机刀具的主要原材料之一，广泛应用于复杂地质层面的土壤、石材切削，为轨道交通地下掘进作业以及山体隧道挖掘等施工提供保障。盾构机刀具是挖掘过程中的关键零部件，刀具质量的好坏，直接影响到机械加工的效率和加工的成本，同时还影响到整机使用环境、可加工的地质范围等。刀具耐腐蚀涂层技术是一项提高切削加工效率和加工质量、扩大道具使用范围、延长刀具使用寿命的新技术。对盾构机刀具的主要材料表面涂覆一层耐腐蚀材料，以保持基体材料的原有属性，提高刀具表面化学稳定性，降低摩擦系数。
通过检索，发现如下两篇相关专利：
CN203669878U公开了一种盾构机用金刚石刀具，包括刀具体，刀具体上设有刮削面，刮削面上设有切削刃，刮削面表面电镀上第一金刚石耐磨层，第一金刚石耐磨层厚度为0.2～2mm。切削刃表面电镀上第二金刚石耐磨层，第二金刚石耐磨层厚度为1～6mm。所述第一金刚石耐磨层和第二金刚石耐磨层采用40～200目的人造金刚石材料制作。
CN205955739U公开了一种耐磨金刚石盾构刀具，包括盾构刀体，盾构刀体的端部设有多个切削齿，切削齿的切削面上设有金刚石复合片，盾构刀体的背部设有金刚石耐磨层，金刚石复合片为通过银基钎料焊接在切削齿的切削面上的复合片，金刚石复合片全出刃型或半出刃型焊接在切削齿的切削面上，金刚石耐磨层为电镀于盾构刀体背部的耐磨层。
上述两篇专利都涉及到金刚石耐磨层，但是实践证明金刚石耐磨层与基体的结合并不牢固，容易脱落，使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种使用寿命长，涂层与基体结合力强的耐腐蚀盾构机刀具。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种耐腐蚀盾构机刀具，包括至上而下依次设置的类金刚石涂层、SiC过渡层及硬质合金基体层。
而且，所述的类金刚石涂层的厚度为0.8-2mm。
而且，所述的SiC过渡层的厚度为0.5-1.5mm。
而且，所述的类金刚石涂层、SiC过渡层均是采用等离子增强化学气相沉积法制备得到的涂层。
而且，在SiC过渡层与硬质合金基体层之间为金刚砂层。
制备方法如下：
1)刀具工件表面抛光处理
使用砂纸对工件表面进行抛光，去除表面污垢沉积及氧化层，使刀具表面达到Sa1级清洁度；
2)喷砂处理
采用压缩空气为动力形成高速喷射束，将金刚砂高速喷射到刀具工件表面，使刀具表面达到Sa2.5级清洁度；
3)碱性除油
采用碱性化学反应除油试剂，对工件进行表面碱性除油；
4)去离子水冲洗
采用去离子水对工件表面进行顺逆反复冲洗，使工件表面至中性状态；
5)超声波酒精冲洗
采用超声波清洗机配合工业酒精溶液对工件表面进行清洗，，完全除去工件表面附着物及杂质；
6)刀具加热
加热温度为100～150℃，持续时间20～40min；
7)刀具表面刻蚀
涂层表面刻蚀时，C2H2流量200～600sccm，H2流量200～900sccm，优选C2H2/H2流量比＝1∶3。氩气流量200～300sccm，电压3500～4000V，频率2000Hz，脉宽5μs，持续时间20～30min；
8)沉积SiC过渡层
C3H10Si流量为10～30sccm，氩气流量为50～100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，持续时间60～180min；
9)沉积类金刚石涂层
C2H2或CH4流量200～600sccm，H2流量200～600sccm，)优选C2H2/H2流量比＝1∶1。氩气流量100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，沉积温度200℃，沉积时间20-30h；
10)镀层完成后将工件放入60～70度温水中浸泡2～5分钟，然后用冷水冲洗，采用烘干设备烘干，涂层制作完毕。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明在硬质合金刀具上制备类金刚石涂层，使刀具和被加工材料之间的摩擦系数显著下降，能够有效阻止被加工材料与刀具基体之间的粘附，实现被切削材料表面质量的提高和刀具使用寿命的延长。
2、本发明采用SiC作为过渡层，降低了类金刚石涂层的内应力，提高类金刚石涂层和基体结合力，提升了类金刚石涂层厚度。
附图说明
图1为本发明的结构剖面图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种耐腐蚀盾构机刀具，包括至上而下依次设置的类金刚石涂层1、SiC过渡层2、金刚砂层3及硬质合金基体层4。所述的类金刚石涂层的厚度为0.8-2mm，SiC过渡层的厚度为0.5-1.5mm，金刚砂层的厚度为0.2-1mm。
本刀具的制备工艺如下：
1.基体材料选用YG8硬质合金，材料成分：WC:92％，Co：8％，尺寸为100mm×80mm×40mm。
2.试件前处理工艺
为了保证涂层于基体牢固结合，涂层合金更易于附着于基体之上，获得最大的涂层厚度，在进行等离子增强化学沉积之前，必须对工件表面进行适当处理。
1)刀具工件表面抛光处理
使用600#金相砂纸对工件表面进行抛光，去除表面污垢沉积及氧化层，使刀具表面达到Sa1级清洁度。
2)喷砂处理
采用压缩空气为动力形成高速喷射束，将喷料(金刚砂)高速喷射到刀具工件表面，使工件外表面发生变化，通过磨料对工件表面的冲击和切削作用，使刀具工件表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，改善工件表面的机械性能，提高工件的搞疲劳性，增加了刀具和涂层之间的附着力，延长涂层的耐久性，此环节需要使刀具表面达到Sa2.5级清洁度。
3)碱性除油
采用碱性化学反应除油试剂，对工件进行表面碱性除油，将刀具完全浸泡至除油液内20分钟(NaOH：50g/L、Na2CO3：20g/L、Na3PO4：30g/L、OP乳化剂：3～5g/L、温度40℃)
4)去离子水冲洗
采用去常温离子水对工件表面进行顺逆反复冲洗2分钟，使工件表面至中性状态。
5)超声波酒精冲洗
采用超声波清洗机配合工业酒精溶液对工件表面进行清洗2分钟，完全除去工件表面附着物及杂质。
3.等离子增强化学气相沉积涂层制备工艺
1)刀具加热
加热温度为150℃，持续时间30min；
2)刀具表面刻蚀
涂层表面刻蚀时，C2H2流量300sccm，H2流量900sccm，氩气流量300sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽5μs，持续时间30min；
类金刚石涂层的厚度与等离子体中C原子或离子团的浓度有关，在沉积过程中，等离子体浓度不变的情况下，通入H2时，C原子的相对含量下降导致涂层厚度下降，鉴于H2在反应过程中的刻蚀作用释放了涂层应力，选用气体流量C2H2/H2＝1∶3，使得涂层结合力达到最大值。
3)沉积过渡层
为了降低类金刚石涂层的内应力，提高涂层和基体结合力，提升类金刚石涂层厚度，采用SiC作为过渡层。沉积过渡层SiC时，采用C3H10Si流量为25sccm，氩气流量为100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，持续时间120min。
4)沉积类金刚石涂层。
沉积类金刚石涂层时，C2H2流量300sccm，H2流量300sccm，C2H2/H2＝1∶1，氩气流量100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，沉积温度200℃，沉积时间20-30h，已获得0.8-2mm涂层厚度。
选用C2H2/H2＝1∶1的流量比例以便于提高C原子团浓度，实现涂层快速生长，并达到一定的厚度，此时涂层的sp3键的比例最大，能够降低涂层的摩擦系数。
镀层完成后将工件放入70度温水中浸泡2分钟，然后用冷水冲洗，采用烘干设备烘干，涂层制作完毕。
表1
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (6)
1.一种耐腐蚀盾构机刀具，其特征在于：包括至上而下依次设置的类金刚石涂层、SiC过渡层及硬质合金基体层。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀盾构机刀具，其特征在于：所述的类金刚石涂层的厚度为0.8-2mm。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀盾构机刀具，其特征在于：所述的SiC过渡层的厚度为0.5-1.5mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的耐腐蚀盾构机刀具，其特征在于：制备方法如下：
1)刀具工件表面抛光处理
使用砂纸对工件表面进行抛光，去除表面污垢沉积及氧化层，使刀具表面达到Sa1级清洁度；
2)喷砂处理
采用压缩空气为动力形成高速喷射束，将金刚砂高速喷射到刀具工件表面，使刀具表面达到Sa2.5级清洁度；
3)碱性除油
采用碱性化学反应除油试剂，对工件进行表面碱性除油；
4)去离子水冲洗
采用去离子水对工件表面进行顺逆反复冲洗，使工件表面至中性状态；
5)超声波酒精冲洗
采用超声波清洗机配合工业酒精溶液对工件表面进行清洗，，完全除去工件表面附着物及杂质；
6)刀具加热
加热温度为100～150℃，持续时间20～40min；
7)刀具表面刻蚀
涂层表面刻蚀时，C2H2流量200～600sccm，H2流量200～900sccm，氩气流量200～300sccm，电压3500～4000V，频率2000Hz，脉宽5μs，持续时间20～30min；
8)沉积SiC过渡层
C3H10Si流量为10～30sccm，氩气流量为50～100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，持续时间60～180min；
9)沉积类金刚石涂层
C2H2或CH4流量200～600sccm，H2流量200～600sccm，氩气流量100sccm，电压4000V，频率2000Hz，脉宽10μs，沉积温度200℃，沉积时间20-30h；
10)镀层完成后将工件放入60～70度温水中浸泡2～5分钟，然后用冷水冲洗，采用烘干设备烘干，涂层制作完毕。
5.根据权利要求4所述的耐腐蚀盾构机刀具，其特征在于：步骤7)C2H2/H2流量比＝1∶3。
6.根据权利要求4所述的耐腐蚀盾构机刀具，其特征在于：步骤9)C2H2/H2流量比＝1∶1。
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| CN201810424641.8A CN108486545A (zh) | 2018-05-07 | 2018-05-07 | 一种耐腐蚀盾构机刀具 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810424641.8A Pending CN108486545A (zh) | 2018-05-07 | 2018-05-07 | 一种耐腐蚀盾构机刀具 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115142019A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-10-04 | 中国建筑土木建设有限公司 | 用于盾构机的刀具及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0503822A2 (en) * | 1991-03-08 | 1992-09-16 | Sumitomo Electric Industries, Limited | A diamond- and/or diamond-like carbon-coated hard material |
| CN101787530A (zh) * | 2010-03-01 | 2010-07-28 | 南京航空航天大学 | SiC先驱体法制备金刚石涂层的方法 |
| CN101818332A (zh) * | 2010-03-23 | 2010-09-01 | 中国地质大学（北京） | 一种超硬自润滑金刚石/类金刚石复合多层涂层材料及制备方法 |
| CN104674186A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-06-03 | 上海交通大学 | 一种制备非晶碳化硅陶瓷-金刚石复合涂层的方法 |
-
2018
- 2018-05-07 CN CN201810424641.8A patent/CN108486545A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN115142019A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-10-04 | 中国建筑土木建设有限公司 | 用于盾构机的刀具及其制备方法 |
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