CN110904406B - 一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层及其制备方法 - Google Patents

一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层及其制备方法，该纳米涂层为复合纳米涂层，包括从下到上依次沉积于截齿齿体表面的金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN/TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，所述TiSiN/TiAlSiN为TiSiN和TiAlSiN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为4~7nm。本发明的复合纳米涂层各个涂层之间具有超强的结合力，能够保持很高的硬度且耐磨性好，摩擦系数降低，明显延长了截齿的使用寿命，提高了采煤的效率。

Description

一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料表面工程技术领域，特别是涉及一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层及其制备方法。
背景技术
煤矿采煤机截齿是落煤及碎煤的主要工具，截齿性能的好坏直接影响采煤机的生产效率。截齿的铸造过程一般是在经淬火、回火处理的低合金钢刀体上镶嵌硬质合金刀头，硬质合金刀头中往往含有石墨杂质，晶粒分布不均匀，部分硬质合金中有裂纹存在，在冲击载荷的作用下，截齿刀头处于高应力状态，当遇到坚硬的煤岩时，高压应力超过硬质合金的强度极限就会发生脆裂。另外，截齿在截割煤岩时，刀头表面温度可达600℃~800℃，随着温度的升高，刀头表面硬度下降，刀头表面材质的软化也加速了截齿的磨损。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层及其制备方法，以解决现有技术中煤矿采煤机截齿易脆裂、易磨损的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，所述纳米涂层为复合纳米涂层，包括从下到上依次沉积于截齿齿体表面的金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，所述TiSiN /TiAlSiN支撑层为TiSiN 和TiAlSiN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为4nm ~7nm。
优选的，所述复合纳米层的总厚度为4um~8um，其中金属Ti层的厚度为40nm ~350nm、TiAlN过渡层的厚度为1um~2.65um、TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5um ~3um、AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46um ~2um。
优选的，所述AlCrSiN耐磨层中，按原子数百分比计，包括 Al30％ ～ 41％、Cr6％～ 18％、 Si 3％ ～ 14％、N27％ ～45％以及其他合金元素 0.5％ ～2％。
优选的，所述合金元素选自C、H、O、B、Fe、Y中的一种或多种。
本发明还提供了一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层的制备方法，该方法包括以下步骤:
（1）用电子高倍显微镜检查待涂层截齿的质量和表面状况，确保无次品进入生产线；
（2）将待涂层截齿表面的油污、氧化膜等用砂纸或砂轮机打磨去除，后将其放入盛有无水乙醇的超声仪中，向无水乙醇中加入碱性清洗剂，进行超声波清洗300S，然后用吹风机吹冷风将其完全干燥；
（3）利用全自动喷砂设备进行表面喷砂钝化处理：将经过加速的磨料颗粒向截齿外表面撞击，改变截齿外表面的光洁度和应力状态；
（4）金属Ti层的制备：将经过表面喷砂钝化处理后的截齿置于真空炉中，抽真空至1.2×10-2 Pa ~6×10-1Pa，加热炉体至炉内温度达到500℃，然后向炉体内通入Ar使炉内压升至1.5Pa ~2Pa，打开金属Ti靶，在截齿表面沉积金属Ti层，金属Ti层的厚度为40nm ~350nm，对截齿表面轰击时间为10min ~25min，电流为2 A～5A，偏压保持-300 V～-500V；
（5）TiAlN过渡层的制备：向真空炉中通入N2使压力升至2.5 Pa，开启TiAl合金靶，在金属Ti层表面沉积TiAlN过渡层，TiAlN过渡层的厚度为1um ~2.65um，沉积时间为30min~50min，偏压保持50 V~100V，衬底温度为 200℃ ~500℃；
（6）TiSiN /TiAlSiN支撑层的制备：向真空炉中继续通入N2使压力升至3 Pa，开启TiSi靶和TiAlSi靶，在TiAlN过渡层表面沉积TiSiN /TiAlSiN支撑层，TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5um ~3um，偏压保持80V~150V，衬底温度为300℃~500℃，沉积时间为 90min~120min；
（7）AlCrSiN耐磨层的制备：开启 AlCr 和 AlCrSi 合金靶，在TiSiN /TiAlSiN支撑层表面沉积AlCrSiN耐磨层，AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46um ~2um，控制电弧电压为 20V~60V，电弧电流为 50A ~90A，通入N2，保持真空度为1.5Pa ~3Pa，负偏压为70 V~140V，衬底温度 300℃~500℃，沉积时间为75 min ~110min。
优选的，所述待涂层截齿的材质为42CrMo。
优选的，步骤（2）中的碱性清洗剂是由如下重量份的原料配制而成：氢氧化钠5~10份、碳酸钠10~15份、乙二胺四乙酸盐类四钠 1~3份、脂肪醇聚氧乙烯醚1~3份、去离子水300~500份。
优选的，所述步骤（3）中的全自动喷砂设备为三维旋转式喷砂设备，喷嘴与截齿表面之间的距离为20cm ~30 cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为30o~45o，喷射的压力为0.5 MPa ~0.8MPa，喷砂设备喷出的砂子的粒径小于5 mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：（1）本发明的纳米涂层中的纳米粒子均匀镶嵌于截齿表面的孔隙中，形成网络状结构，使涂层具有很高的自润滑性能和耐磨性能，大大提高了涂层的耐磨性；（2）本发明的纳米涂层为复合纳米涂层，在截齿外表面从下到上依次沉积金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，各个涂层之间具有很强的结合力，且由于金属Ti层与截齿表面材质的晶格参数比较接近，可以有效减小内应力，提高截齿表面的强度；（3）TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层中含有Si元素，Si元素的加入可以提高硬度且能够抵抗化学扩散，AlCrSiN耐磨层中由于Cr元素的存在可以提高抗氧化性；（4）本发明采用由氢氧化钠、碳酸钠、乙二胺四乙酸盐类四钠、脂肪醇聚氧乙烯醚和去离子水配制而成的碱性清洗剂清洗截齿表面，可有效清除截齿表面的油污、碳化物以及氧化物，与一般清洗剂相比在达到同样清洗效果的前提下清洗剂用量少，降低成本；（5）利用表面喷砂钝化工艺，将加速的磨料颗粒向截齿表面撞击，从而达到除锈、去毛刺、去氧化层，改变截齿表面的光洁度和应力状态，与手工打磨和化学溶剂处理相比，不仅能够提高打磨的效率，而且还可以通过调换不同粒度的磨料从而改变截齿表面的粗糙度，经过喷砂处理，截齿表面的粗糙度均匀一致，大大提高了截齿与纳米涂层之间的结合力，若采用手工打磨，虽然可以打磨出毛面，但速度太慢，而采用化学溶剂处理，则导致截齿外表面过于光滑，不利于与涂层粘接；（6）喷砂设备的喷嘴与截齿表面之间的距离为20 cm ~30cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为30o~45o，喷嘴与截齿距离太近则喷射压力太大，喷射不均匀，容易使截齿表面的粗糙度不一致，若两者之间距离太大，不仅需要额外增加喷射管路的长度，而且会使压力损失过大；若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过小，会导致单位时间喷涂面积的减小，影响喷射效率，若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过大，容易造成喷射不均匀。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，所述纳米涂层为复合纳米涂层，包括从下到上依次沉积于截齿齿体表面的金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，所述TiSiN /TiAlSiN支撑层为TiSiN 和TiAlSiN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为4nm ~7nm。
优选的，所述复合纳米层的总厚度为4um~8um，其中金属Ti层的厚度为40nm ~350nm、TiAlN过渡层的厚度为1um~2.65um、TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5um ~3um、AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46um ~2um。
优选的，所述AlCrSiN耐磨层中，按原子数百分比计，包括 Al30％ ～ 41％、Cr6％～ 18％、 Si 3％ ～ 14％、N27％ ～45％以及其他合金元素 0.5％ ～2％。
优选的，所述合金元素选自C、H、O、B、Fe、Y中的一种或多种。
本发明还提供了一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层的制备方法，该方法包括以下步骤:
（1）用电子高倍显微镜检查待涂层截齿的质量和表面状况，确保无次品进入生产线；
（2）将待涂层截齿表面的油污、氧化膜等用砂纸或砂轮机打磨去除，后将其放入盛有无水乙醇的超声仪中，向无水乙醇中加入碱性清洗剂，进行超声波清洗300S，然后用吹风机吹冷风将其完全干燥；
（3）利用全自动喷砂设备进行表面喷砂钝化处理：将经过加速的磨料颗粒向截齿外表面撞击，改变截齿外表面的光洁度和应力状态；
（4）金属Ti层的制备：将经过表面喷砂钝化处理后的截齿置于真空炉中，抽真空至1.2×10-2 Pa ~6×10-1Pa，加热炉体至炉内温度达到500℃，然后向炉体内通入Ar使炉内压升至1.5Pa ~2Pa，打开金属Ti靶，在截齿表面沉积金属Ti层，金属Ti层的厚度为40nm ~350nm，对截齿表面轰击时间为10min ~25min，电流为2 A～5A，偏压保持-300 V～-500V；
（5）TiAlN过渡层的制备：向真空炉中通入N2使压力升至2.5 Pa，开启TiAl合金靶，在金属Ti层表面沉积TiAlN过渡层，TiAlN过渡层的厚度为1um ~2.65um，沉积时间为30min~50min，偏压保持50 V~100V，衬底温度为 200℃ ~500℃；
（6）TiSiN /TiAlSiN支撑层的制备：向真空炉中继续通入N2使压力升至3 Pa，开启TiSi靶和TiAlSi靶，在TiAlN过渡层表面沉积TiSiN /TiAlSiN支撑层，TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5um ~3um，偏压保持80V~150V，衬底温度为300℃~500℃，沉积时间为 90min~120min；
（7）AlCrSiN耐磨层的制备：开启 AlCr 和 AlCrSi 合金靶，在TiSiN /TiAlSiN支撑层表面沉积AlCrSiN耐磨层，AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46um ~2um，控制电弧电压为 20V~60V，电弧电流为 50A ~90A，通入N2，保持真空度为1.5Pa ~3Pa，负偏压为70 V~140V，衬底温度 300℃~500℃，沉积时间为75 min ~110min。
优选的，所述待涂层截齿的材质为42CrMo。
优选的，步骤（2）中的碱性清洗剂是由如下重量份的原料配制而成：氢氧化钠5~10份、碳酸钠10~15份、乙二胺四乙酸盐类四钠 1~3份、脂肪醇聚氧乙烯醚1~3份、去离子水300~500份。
优选的，所述步骤（3）中的全自动喷砂设备为三维旋转式喷砂设备，喷嘴与截齿表面之间的距离为20cm ~30 cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为30o~45o，喷射的压力为0.5 MPa ~0.8MPa，喷砂设备喷出的砂子的粒径小于5 mm。
实施例1
一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，待涂层截齿的材质为42CrMo，该纳米涂层为复合纳米涂层，包括从下到上依次沉积于截齿齿体表面的金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，TiSiN /TiAlSiN支撑层为TiSiN 和TiAlSiN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为4 nm，复合纳米层的总厚度为4um，其中金属Ti层的厚度为40nm、TiAlN过渡层的厚度为1um、TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5um，AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46 um。
本实施例AlCrSiN耐磨层中，按原子数百分比计，包括 Al41％、Cr6％、Si 10％、N41％，以及C、H、O、B、Fe、Y共计 2％。
本实施例中的纳米涂层中的纳米粒子均匀镶嵌于截齿表面的孔隙中，形成网络状结构，使涂层具有很高的自润滑性能和耐磨性能，大大提高了涂层的耐磨性。本实施例的纳米涂层为复合纳米涂层，在截齿外表面从下到上依次沉积金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，各个涂层之间具有很强的结合力，且由于金属Ti层与截齿表面材质的晶格参数比较接近，可以有效减小内应力，提高截齿表面的强度。在TiSiN/TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层中加入Si元素，不仅能够提高涂层的硬度且能够抵抗化学扩散，在AlCrSiN耐磨层中加入Cr元素，提高了涂层的抗氧化性。
一种制备上述煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层的制备方法，包括以下步骤:
（1）用电子高倍显微镜检查待涂层截齿的质量和表面状况，确保无次品进入生产线。
（2）为了提升涂层和截齿表面的结合力，必须完全去除截齿表面的油污以及氧化层，将待涂层截齿表面的油污、氧化膜等用砂纸或砂轮机打磨去除，后将其放入盛有无水乙醇的超声仪中，向无水乙醇中加入以下按重量份比配置而成的碱性清洗剂进行超声波清洗300S：氢氧化钠5份、碳酸钠10份、乙二胺四乙酸盐类四钠 1份、脂肪醇聚氧乙烯醚1份、去离子水300份，然后用吹风机吹冷风将其完全干燥。
（3）利用三维旋转式全自动喷砂设备进行表面喷砂钝化处理：将经过加速的磨料颗粒向截齿外表面撞击，改变截齿外表面的光洁度和应力状态，喷嘴与截齿表面之间的距离为20cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为30o，喷射的压力为0.5 MPa，喷砂设备喷出的砂子的粒径为4.5 mm，喷砂完成后首先应对喷砂除锈部位进行全面检查，其次要对截齿表面进行清洁度和粗糙度检查，重点检查不易喷射的部位，如存在喷射不均匀的现象，应及时填补。
（4）金属Ti层的制备：将经过表面喷砂钝化处理后的截齿置于真空炉中，抽真空至1.2×10-2Pa，加热炉体至炉内温度达到500℃，然后向炉体内通入Ar使炉内压升至1.5 Pa，打开金属Ti靶，在截齿表面沉积金属Ti层，金属Ti层的厚度为40nm，对截齿表面轰击时间为10 min，电流为2 A，偏压保持-300 V。
（5）TiAlN过渡层的制备：向真空炉中通入N2使压力升至2.5 Pa，开启TiAl合金靶，在金属Ti层表面沉积TiAlN过渡层，TiAlN过渡层的厚度为1 um，沉积时间为30 min，偏压保持50V，衬底温度为 200℃。
（6）TiSiN /TiAlSiN支撑层的制备：向真空炉中继续通入N2使压力升至3 Pa，开启TiSi靶和TiAlSi靶，在TiAlN过渡层表面沉积TiSiN /TiAlSiN支撑层，TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5 um，偏压保持80 V，衬底温度 为300℃，沉积时间为 90 min。
（7）AlCrSiN耐磨层的制备：开启 AlCr 和 AlCrSi 合金靶，在TiSiN /TiAlSiN支撑层表面沉积AlCrSiN耐磨层，AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46 um，控制电弧电压为20 V，电弧电流为50 A，通入N2，保持真空度为1.5 Pa，负偏压 为70 V，衬底温度 300℃，沉积时间为75 min。
表面喷砂钝化工艺是借助压缩空气带动砂粒，通过专用喷嘴，高速喷射于金属表面，依靠砂粒棱角的冲击和摩擦，使金属表面的铁锈及其它污染物彻底除净，并获得一定的粗糙度。本实施例采用全自动三维旋转表面喷砂钝化工艺打磨截齿表面，与传统的人工处理、机械式处理、化学处理相比，不但成本低、喷射均匀，产品质量高，而且不会造成环境污染，不会对操作人员的健康造成损害，经过表面喷砂钝化处理的截齿，与涂层之间的结合力增强。喷砂设备的喷嘴与截齿表面之间的距离为20cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为30o，喷嘴与截齿距离太近则喷射压力太大，喷射不均匀，容易使截齿表面的粗糙度不一致，若两者之间距离太大，不仅需要额外增加喷射管路的长度，且会使压力损失过大；若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过小，会导致单位时间喷射面积的减小，影响喷射效率，若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过大，容易造成喷射不均匀。
实施例2
一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，待涂层截齿的材质为42CrMo，该纳米涂层为复合纳米涂层，包括从下到上依次沉积于截齿齿体表面的金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，TiSiN /TiAlSiN支撑层为TiSiN 和TiAlSiN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为7nm。复合纳米层的总厚度为8um，其中金属Ti层的厚度为350nm、TiAlN过渡层的厚度为2.65um、TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为3um，AlCrSiN耐磨层的厚度为2um。
本实施例AlCrSiN耐磨层中，按原子数百分比计，包括 Al 32％、Cr 15％、Si 8％、N44.5％，以及C、H、B、Y 总计0.5％。
本实施例中的纳米涂层中的纳米粒子均匀镶嵌于截齿表面的孔隙中，形成网络状结构，使涂层具有很高的自润滑性能和耐磨性能，大大提高了涂层的耐磨性。本实施例的纳米涂层为复合纳米涂层，在截齿外表面从下到上依次沉积金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，各个涂层之间具有很强的结合力，且由于金属Ti层与截齿表面材质的晶格参数比较接近，可以有效减小内应力，提高截齿表面的强度。在TiSiN/TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层中加入Si元素，不仅能够提高涂层的硬度且能够抵抗化学扩散，AlCrSiN耐磨层中加入Cr元素，提高了涂层的抗氧化性。
一种制备上述煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层的制备方法，包括以下步骤:
（1）用电子高倍显微镜检查待涂层截齿的质量和表面状况，确保无次品进入生产线。
（2）为了提升涂层和截齿表面的结合力，必须完全去除截齿表面的氧化层，将待涂层截齿表面的油污、氧化膜等用砂纸或砂轮机打磨去除，后将其放入盛有无水乙醇的超声仪中，向无水乙醇中加入以下按重量份比配置而成的碱性清洗剂进行超声波清洗300S：氢氧化钠10份、碳酸钠15份、乙二胺四乙酸盐类四钠 3份、脂肪醇聚氧乙烯醚3份、去离子水500份，然后用吹风机吹冷风将其完全干燥。
（3）利用三维旋转式全自动喷砂设备进行表面喷砂钝化处理：将经过加速的磨料颗粒向截齿外表面撞击，改变截齿外表面的光洁度和应力状态，喷嘴与截齿表面之间的距离为30cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为45o，喷射的压力为0.8MPa，喷砂设备喷出的砂子的粒径为3 mm，喷砂完成后首先应对喷砂除锈部位进行全面检查，其次要对截齿表面进行清洁度和粗糙度检查，重点检查不易喷射的部位，如存在喷射不均匀的现象，应及时填补。
（4）金属Ti层的制备：将经过表面喷砂钝化处理后的截齿置于真空炉中，抽真空至6×10-1Pa，加热炉体至炉内温度达到500℃，然后向炉体内通入Ar使炉内压升至2 Pa，打开金属Ti靶，在截齿表面沉积金属Ti层，金属Ti层的厚度为350 nm，对截齿表面轰击时间为25min，电流为5 A，偏压保持-500 V。
（5）TiAlN过渡层的制备：向真空炉中通入N2使压力升至2.5 Pa，开启TiAl合金靶，在金属Ti层表面沉积TiAlN过渡层，TiAlN过渡层的厚度为2.65 um，沉积时间为50 min，偏压保持100V，衬底温度为500℃。
（6）TiSiN /TiAlSiN支撑层的制备：向真空炉中继续通入N2使压力升至3 Pa，开启TiSi靶和TiAlSi靶，在TiAlN过渡层表面沉积TiSiN /TiAlSiN支撑层，TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为3 um，偏压保持150 V，衬底温度为500℃，沉积时间为120 min。
（7）AlCrSiN耐磨层的制备：开启 AlCr 和 AlCrSi 合金靶，在TiSiN /TiAlSiN支撑层表面沉积AlCrSiN耐磨层，AlCrSiN耐磨层的厚度为2 um，控制电弧电压 60 V，电弧电流 90 A，通入N2，保持真空度为3Pa，负偏压为140V，衬底温度500℃，沉积时间为110 min。
表面喷砂钝化工艺是借助压缩空气带动砂粒，通过专用喷嘴，高速喷射于金属表面，依靠砂粒棱角的冲击和摩擦，使金属表面的铁锈及其它污染物彻底除净，并获得一定的粗糙度。本实施例采用全自动三维旋转表面喷砂钝化工艺打磨截齿表面，与传统的人工处理、机械式处理、化学处理相比，不但成本低、喷射均匀，产品质量高，而且不会造成环境污染，不会对操作人员的健康造成损害，经过表面喷砂钝化处理的截齿，与涂层之间的结合力增强。喷砂设备的喷嘴与截齿表面之间的距离为30cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为45o，喷嘴与截齿距离太近则喷射压力太大，喷射不均匀，容易使截齿表面的粗糙度不均匀，若两者之间距离太大，不仅需要额外增加喷射管路的长度，且会使压力损失过大；若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过小，会导致单位时间喷射面积的减小，影响喷射效率，若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过大，容易造成喷射不均匀。
实施例3
一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，待涂层截齿的材质为42CrMo，该纳米涂层为复合纳米涂层，包括从下到上依次沉积于截齿齿体表面的金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，TiSiN /TiAlSiN支撑层为TiSiN 和TiAlSiN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为5 nm。复合纳米层的厚度为6 um，其中金属Ti层的厚度为300 nm、TiAlN过渡层的厚度为2 um、TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为2um、AlCrSiN耐磨层的厚度为1.7 um。
本实施例AlCrSiN耐磨层中，按原子数百分比计，包括 Al 35％、Cr 9％、Si 14％、N41％，以及C、H、O、Fe、Y 总计1.0％。
本实施例中的纳米涂层中的纳米粒子均匀镶嵌于截齿表面的孔隙中，形成网络状结构，使涂层具有很高的自润滑性能和耐磨性能，大大提高了涂层的耐磨性。本实施例的纳米涂层为复合纳米涂层，在截齿外表面从下到上依次沉积金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，各个涂层之间具有很强的结合力，且由于金属Ti层与截齿表面材质的晶格参数比较接近，可以有效减小内应力，提高截齿表面的强度。在TiSiN/TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层中加入Si元素，不仅能够提高涂层的硬度且能够抵抗化学扩散，AlCrSiN耐磨层中加入Cr元素，提高了涂层的抗氧化性。
一种制备上述煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层的制备方法，包括以下步骤:
（1）用电子高倍显微镜检查待涂层截齿的质量和表面状况，确保无次品进入生产线。
（2）为了提升涂层和截齿表面的结合力，必须完全去除截齿表面的油污以及氧化层，将待涂层截齿表面的油污、氧化膜等用砂纸或砂轮机打磨去除，后将其放入盛有无水乙醇的超声仪中，向无水乙醇中加入以下按重量份比配置而成的碱性清洗剂进行超声波清洗300S：氢氧化钠8份、碳酸钠13份、乙二胺四乙酸盐类四钠 2份、脂肪醇聚氧乙烯醚2份、去离子水400份，然后用吹风机吹冷风将其完全干燥。
（3）利用三维旋转式全自动喷砂设备进行表面喷砂钝化处理，将经过加速的磨料颗粒向截齿外表面撞击，改变截齿外表面的光洁度和应力状态，喷嘴与截齿表面之间的距离为25cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为40o，喷射的压力为0.7MPa，喷砂设备喷出的砂子的粒径为3.5 mm，喷砂完成后首先应对喷砂除锈部位进行全面检查，其次要对截齿表面进行清洁度和粗糙度检查，重点检查不易喷射的部位，如存在喷射不均匀的现象，应及时填补。
（4）金属Ti层的制备：将经过表面喷砂钝化处理后的截齿置于真空炉中，抽真空至15×10-2Pa，加热炉体至炉内温度达到500℃，然后向炉体内通入Ar使炉内压升至1.8 Pa，打开金属Ti靶，在截齿表面沉积金属Ti层，金属Ti层的厚度为300 nm，对截齿表面轰击时间为15 min，电流为3 A，偏压保持-400 V。
（5）TiAlN过渡层的制备：向真空炉中通入N2使压力升至2.5 Pa，开启TiAl合金靶，在金属Ti层表面沉积TiAlN过渡层，TiAlN过渡层的厚度为2 um，沉积时间为40 min，偏压保持80V，衬底温度为400℃。
（6）TiSiN /TiAlSiN支撑层的制备：向真空炉中继续通入N2使压力升至3 Pa，开启TiSi靶和TiAlSi靶，在TiAlN过渡层表面沉积TiSiN /TiAlSiN支撑层，TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为2 um，偏压保持100 V，衬底温度为400℃，沉积时间为100 min。
（7）AlCrSiN耐磨层的制备：开启 AlCr 和 AlCrSi 合金靶，在TiSiN /TiAlSiN支撑层表面沉积AlCrSiN耐磨层，AlCrSiN耐磨层的厚度为1.7 um，控制电弧电压 50 V，电弧电流80 A，通入N2，保持真空度为2 Pa，负偏压为100V，衬底温度400℃，沉积时间为95 min。
表面喷砂钝化工艺是借助压缩空气带动砂粒，通过专用喷嘴，高速喷射于金属表面，依靠砂粒棱角的冲击和摩擦，使金属表面的铁锈及其它污染物彻底除净，并获得一定的粗糙度。本实施例采用全自动三维旋转表面喷砂钝化工艺打磨截齿表面，与传统的人工处理、机械式处理、化学处理相比，不但成本低、喷射均匀，产品质量高，而且不会造成环境污染，不会对操作人员的健康造成损害，经过表面喷砂钝化处理的截齿，与涂层之间的结合力增强。喷砂设备的喷嘴与截齿表面之间的距离为25cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为40o，喷嘴与截齿距离太近则喷射压力太大，喷射不均匀，容易使截齿表面的粗糙度不均匀，若两者之间距离太大，不仅需要额外增加喷射管路的长度，且会使压力损失过大；若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过小，会导致单位时间喷射面积的减小，影响喷射效率，若喷射方向与截齿表面法线之间的夹角过大，容易造成喷射不均匀。
对各个实施例中涂层的孔隙率、结合强度、显微硬度以及摩擦磨损性能进行了测试，以未涂覆纳米涂层的42CrMo截齿基体为对照组，实验结果如下：
表1 涂覆有纳米涂层的42CrMo截齿与对照组的性能对比实验结果
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由表1可知，本发明所述纳米涂层能有效降低截齿基体表面的孔隙率，提高截齿表面的结合强度和显微硬度。
利用固定磨粒磨损实验机ML-10，进行磨损实验（实验条件：磨损实验尺寸6mmx20mm，磨料选用240目的水砂纸，将试样在 ML-10固定磨粒磨损实验机上进行5个行程的磨损，一次行程50mm，载荷1.5KN.然后称量失重，作为固定磨粒磨损数据。），以未涂覆纳米涂层的42CrMo截齿基体为对照组。
表2 涂覆有纳米涂层的42CrMo截齿的摩擦磨损性能与对照组的摩擦磨损性能对比实验结果：
Figure 658581DEST_PATH_IMAGE002
由表2可知，未进行涂层的42CrMo截齿基体表面磨损严重，本发明所述的纳米涂层能够明显降低截齿齿体表面的摩擦磨损量，保持截齿齿体的持久耐磨性，大大延长截齿的使用寿命。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1. 一种煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，其特征在于：所述纳米涂层为复合纳米涂层，包括从下到上依次沉积于截齿齿体表面的金属Ti层、TiAlN过渡层、TiSiN /TiAlSiN支撑层以及AlCrSiN耐磨层，所述TiSiN /TiAlSiN支撑层为TiSiN 和TiAlSiN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为4nm ~7nm，所述复合纳米层的总厚度为4um~8um，其中金属Ti层的厚度为40nm ~350nm、TiAlN过渡层的厚度为1um~2.65um、TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5um ~3um、AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46um ~2um。
2. 根据权利要求1所述的煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，其特征在于：所述AlCrSiN耐磨层中，按原子数百分比计，包括 Al30％ ～ 41％、Cr6％ ～ 18％、 Si 3％～ 14％、N27％ ～45％以及其他合金元素 0.5％ ～2％。
3.根据权利要求2所述的煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层，其特征在于：所述合金元素选自C、H、O、B、Fe、Y中的一种或多种。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的煤矿采煤机截齿用高硬度高耐磨纳米涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤:
（1）用电子高倍显微镜检查待涂层截齿的质量和表面状况，确保无次品进入生产线，所述待涂层截齿的材质为42CrMo；
（2）将待涂层截齿表面的油污、氧化膜等用砂纸或砂轮机打磨去除，后将其放入盛有无水乙醇的超声仪中，向无水乙醇中加入碱性清洗剂，进行超声波清洗300S，然后用吹风机吹冷风将其完全干燥；碱性清洗剂是由如下重量份的原料配制而成：氢氧化钠5~10份、碳酸钠10~15份、乙二胺四乙酸盐类四钠 1~3份、脂肪醇聚氧乙烯醚1~3份、去离子水300~500份；
（3）利用全自动喷砂设备进行表面喷砂钝化处理：将经过加速的磨料颗粒向截齿外表面撞击，改变截齿外表面的光洁度和应力状态；全自动喷砂设备为三维旋转式喷砂设备，喷嘴与截齿表面之间的距离为20cm ~30 cm，喷射方向与截齿表面法线的夹角为30o~45o，喷射的压力为0.5 MPa ~0.8MPa，喷砂设备喷出的砂子的粒径小于5mm；
（4）金属Ti层的制备：将经过表面喷砂钝化处理后的截齿置于真空炉中，抽真空至1.2×10-2 Pa ~6×10-1Pa，加热炉体至炉内温度达到500℃，然后向炉体内通入Ar使炉内压升至1.5Pa ~2Pa，打开金属Ti靶，在截齿表面沉积金属Ti层，金属Ti层的厚度为40nm ~350nm，对截齿表面轰击时间为10min ~25min，电流为2 A～5A，偏压保持-300 V～-500V；
（5）TiAlN过渡层的制备：向真空炉中通入N2使压力升至2.5 Pa，开启TiAl合金靶，在金属Ti层表面沉积TiAlN过渡层，TiAlN过渡层的厚度为1um ~2.65um，沉积时间为30min ~50min，偏压保持50 V~100V，衬底温度为 200℃ ~500℃；
（6）TiSiN /TiAlSiN支撑层的制备：向真空炉中继续通入N2使压力升至3 Pa，开启TiSi靶和TiAlSi靶，在TiAlN过渡层表面沉积TiSiN /TiAlSiN支撑层，TiSiN /TiAlSiN支撑层的厚度为1.5um ~3um，偏压保持80V~150V，衬底温度为300℃~500℃，沉积时间为 90min~120min；
（7）AlCrSiN耐磨层的制备：开启 AlCr 和 AlCrSi 合金靶，在TiSiN /TiAlSiN支撑层表面沉积AlCrSiN耐磨层，AlCrSiN耐磨层的厚度为1.46um ~2um，控制电弧电压为 20V~60V，电弧电流为 50A ~90A，通入N2，保持真空度为1.5Pa ~3Pa，负偏压为70 V~140V，衬底温度 300℃~500℃，沉积时间为75min ~110min。
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