一種隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜及其制備方法，包括依次沉積于隧道掘進機刀具刀圈表面的金屬Cr底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層。本發(fā)明能夠用于隧道掘進機刀具刀圈，并且制備方法較為簡單。
【專利說明】
一種隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于刀具領域，涉及一種隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隧道掘進機(TBM)是地下巖石質(zhì)隧道(洞)工程全斷面施工的大型機械設備，主要用于水利水電隧洞、鐵路公路交通隧道、煤礦巷道及城市地下鐵道全斷面施工。TBM開挖隧洞時，其破巖是通過刀盤上的刀具實現(xiàn)的，其主要零部件為刀體、刀圈、刀圈卡環(huán)、密封、軸承、心軸和端蓋等。施工中，刀具與巖石在掘進過程中相互磨損和擠壓引起刀具的磨損、發(fā)熱和變形，刀具發(fā)熱會降低其硬度，從而加快磨損。檢查、更換、維修刀具，耗時費力，直接影響其施工工程的造價和工期。據(jù)統(tǒng)計，TBM施工工程刀具消耗費用約占工程造價的1/5-1/3，其中因刀具磨損而更換的刀圈數(shù)量達80%，刀圈損耗最大。
[0003]借助化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)方法制備的TiN和CrN硬質(zhì)薄膜在很大程度上改善部件表面性能，使之具有高耐磨性、高強度、高硬度和較小的摩擦系數(shù)。二元薄膜在劇烈摩擦或高溫環(huán)境中使用時，其耐磨性、熱強性及高溫抗氧化性等不夠理想。在TiN和CrN薄膜基礎上添加
CrSiN、TiSiCN、TiAlSiCN、TiCrSiCN薄膜，使薄膜的抗高溫氧化性及力學性能獲得不同程度地提高。其中，TiAlN薄膜擁有比TiN、TiCN薄膜更佳的力學性能和高溫氧化性能，被應用于高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳基高溫合金的切削加工;然而高速切削鈦合金和鎳基合金等難加工材料時，切削溫度高達1000°C以上，遠高于TiAlN薄膜的氧化溫度(熱穩(wěn)定溫度8000C ) XrAlN和TiCrAlN涂層(薄膜)中的Cr和Al元素與空氣中的氧氣反應形成Al2O3和Cr2O3氧化膜，起到抑制氧化、耐磨及隔熱作用，使更多的熱量通過切肩帶走，降低了刀體溫度，從而延長使用壽命。TiSiN、CrSiN、TiSiCN、CrSiCN、TiAlSiCN、TiCrSiCN薄膜是納米復合結構，從而顯著提高薄膜硬度、耐磨性和抗高溫氧化等性能。薄膜中的Si可起到細化晶粒作用，Cr元素可增強材料的耐蝕性，也可促進硬質(zhì)相的形成，提高耐磨性，C元素起到減摩耐磨作用。
[0004]PVD離子鍍膜具備如下優(yōu)點:鍍膜中入射粒子能量高、薄膜的致密度高，可采用多個電弧的蒸發(fā)源，提高沉積速率，基材與薄膜界面產(chǎn)生原子擴散構成的過渡層可改善界面性能，降低內(nèi)應力，膜/基結合強度高，鍍膜過程無環(huán)境污染，因此研發(fā)一種TBM刀具刀圈表面的涂層材料以及鍍膜方法，以提高其使用壽命具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜及其制備方法，該多層薄膜能夠用于隧道掘進機刀具刀圈，并且制備方法較為簡單。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜包括依次沉積于隧道掘進機刀具刀圈表面的金屬Cr底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層。
[0007]所述耐氧化薄膜層由Cr元素、Al元素及N元素構成。
[0008]耐磨減摩層由Cr元素、Ti元素、Al元素、Si元素、C元素及N元素構成。
[0009]金屬Cr底層的厚度為lOOnm，耐氧化薄膜層的厚度為200nm，耐磨減摩層的厚度為4
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[0010]本發(fā)明所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜的制備方法包括以下步驟:
[0011]清洗隧道掘進機刀具刀圈的表面，再將隧道掘進機刀具刀圈放置到真空腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置上進行旋轉(zhuǎn)，并進行等離子體清洗，然后再在隧道掘進機刀具刀圈的表面采用多弧離子鍍物理氣相沉積法依次沉積Cr金屬底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層，完成隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜制備。
[0012]采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積Cr金屬底層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入流量為40sccm、氣壓為1.5Pa的Ar氣，沉積溫度為450°C，沉積過程中以Cr金屬作為沉積革巴材，弧電流為80A，偏置電壓為150V。
[0013]采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積耐氧化薄膜層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入N2氣和Ar氣的混合氣體，其中，N2氣的流量為I OOOsccm，Ar氣的流量為40sccm，混合氣體的氣壓為1.5Pa，沉積過程中以CrAl合金作為沉積靶材，沉積溫度為450°C，弧電流為90A，偏置電壓150V。
[0014]采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積耐磨減摩層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入N2氣、Ar氣和CH4氣的混合氣體，其中，N2氣的流量、Ar氣的流量和CH4氣的流量分別為1000sccm、40sccm及200sccm，沉積過程中以TiSi合金和CrAl合金作為沉積革巴材，其中，以TiSi合金作為沉積靶材時的弧電流及偏執(zhí)電壓分別為70A及150V，以TiSi合金作為沉積靶材時的弧電流及偏置電壓分別為90A及150V。
[0015]所述旋轉(zhuǎn)裝置包括轉(zhuǎn)架、支撐盤、支撐桿及電機，其中，電機的輸出軸與轉(zhuǎn)架相連接，支撐盤通過支撐桿固定于轉(zhuǎn)架上，隧道掘進機刀具刀圈放置于支撐盤上。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]本發(fā)明隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜包括金屬Cr底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層，其中，通過金屬Cr底層提高薄膜與隧道掘進機刀具刀圈的結合強度，通過耐氧化薄膜層提高隧道掘進機刀具的抗氧化及耐磨損性能，通過耐磨減摩層起到耐磨減摩作用，從而有效的提高隧道掘進刀具刀圈的使用壽命。本發(fā)明所述的多層薄膜在制備時，先對刀具刀圈的表面進行清洗，然后采用多弧離子鍍物理氣相沉積法依次沉積Cr金屬底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層，操作方便，成本低，并且綠色環(huán)保、無任何污染廢水廢氣產(chǎn)生。
【附圖說明】
[0018]圖1為隧道掘進機刀具刀圈的結構示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明中耐磨減摩層的XRD譜圖；
[0020]圖3為本發(fā)明的耐磨減摩層中Ti元素的XPS譜圖；
[0021 ]圖4為本發(fā)明的耐磨減摩層中Si元素的XPS譜圖；
[0022]圖5為本發(fā)明的耐磨減摩層中C元素的XPS譜圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述:
[0024]參考圖1，本發(fā)明所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜包括依次沉積于隧道掘進機刀具刀圈表面的金屬Cr底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層。
[0025]需要說明的是，所述耐氧化薄膜層由Cr元素、Al元素及N元素構成;耐磨減摩層由Cr元素、Ti元素、Al元素、Si元素、C元素及N元素構成;金屬Cr底層的厚度為lOOnm，耐氧化薄膜層的厚度為200nm，耐磨減摩層的厚度為4μηι。
[0026]本發(fā)明所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜的制備方法包括以下步驟:
[0027]清洗隧道掘進機刀具刀圈的表面，再將隧道掘進機刀具刀圈放置到真空腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置上進行旋轉(zhuǎn)，并進行等離子體清洗，然后再在隧道掘進機刀具刀圈的表面采用多弧離子鍍物理氣相沉積法依次沉積Cr金屬底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層，完成隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜制備。
[0028]其中，采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積Cr金屬底層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入流量為40sccm、氣壓為1.5Pa的Ar氣，沉積溫度為450°C，沉積過程中以Cr金屬作為沉積靶材，弧電流為80A，偏置電壓為150V。
[0029]采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積耐氧化薄膜層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入N2氣和Ar氣的混合氣體，其中，N2氣的流量為I OOOsccm，Ar氣的流量為40sccm，混合氣體的氣壓為1.5Pa，沉積過程中以CrAl合金作為沉積靶材，沉積溫度為450°C，弧電流為90A，偏置電壓150V。
[0030]采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積耐磨減摩層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入N2氣、Ar氣和CH4氣的混合氣體，其中，N2氣的流量、Ar氣的流量和CH4氣的流量分別為1000sccm、40sccm及200sccm，沉積過程中以TiSi合金和CrAl合金作為沉積革巴材，其中，以TiSi合金作為沉積靶材時的弧電流及偏執(zhí)電壓分別為70A及150V，以TiSi合金作為沉積靶材時的弧電流及偏置電壓分別為90A及150V。
[0031]所述旋轉(zhuǎn)裝置包括轉(zhuǎn)架、支撐盤、支撐桿及電機，其中，電機的輸出軸與轉(zhuǎn)架相連接，支撐盤通過支撐桿固定于轉(zhuǎn)架上，隧道掘進機刀具刀圈放置于支撐盤上。
[0032]圖2為耐磨減摩層的XRD譜圖，從圖2中可知，其相組成為面心立方結構的TiAIN，CrN及Ti3AlC相的混合物，未發(fā)現(xiàn)Si化合物出現(xiàn)。
[0033]為確定耐磨減摩層中元素的化學態(tài)，對耐磨減摩層表面進行XPS譜分析，分析結果如圖3、圖4及圖5所示，通過曲線數(shù)學擬合對元素化學價態(tài)進行分析，C元素主要以Al-C以及非晶C為主，Si元素主要以非晶態(tài)Si3N4、SiC和Si形式存在，Ti元素以T1-C、T1-N、TiAlN為主，結合圖2的XRD結果，耐磨減摩層的微觀結構應為納米晶+非晶相(硅化物和碳)的復合結構，其中，納米晶相以TiAlN和CrN為主，存在少量Ti3AlC。
【主權項】
1.一種用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜，其特征在于，包括依次沉積于隧道掘進機刀具刀圈表面的金屬Cr底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層。2.根據(jù)權利要求1所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜，其特征在于，所述耐氧化薄膜層由Cr元素、Al元素及N元素構成。3.根據(jù)權利要求2所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜，其特征在于，耐磨減摩層由Cr元素、Ti元素、Al元素、Si元素、C元素及N元素構成。4.根據(jù)權利要求1所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜，其特征在于，金屬Cr底層的厚度為lOOnm，耐氧化薄膜層的厚度為200nm，耐磨減摩層的厚度為4μηι05.—種權利要求3所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 清洗隧道掘進機刀具刀圈的表面，再將隧道掘進機刀具刀圈放置到真空腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置上進行旋轉(zhuǎn)，并進行等離子體清洗，然后再在隧道掘進機刀具刀圈的表面采用多弧離子鍍物理氣相沉積法依次沉積Cr金屬底層、耐氧化薄膜層及耐磨減摩層，完成隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜制備。6.根據(jù)權利要求5所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜的制備方法，其特征在于，采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積Cr金屬底層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入流量為40sccm、氣壓為1.5Pa的Ar氣，沉積溫度為450°C，沉積過程中以Cr金屬作為沉積革El材，弧電流為80A，偏置電壓為150V。7.根據(jù)權利要求5所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜的制備方法，其特征在于，采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積耐氧化薄膜層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入N2氣和Ar氣的混合氣體，其中，N2氣的流量為1000sccm，Ar氣的流量為40sccm，混合氣體的氣壓為1.5Pa，沉積過程中以CrAl合金作為沉積靶材，沉積溫度為450°C，弧電流為90A，偏置電壓150V。8.根據(jù)權利要求5所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜的制備方法，其特征在于，采用多弧離子鍍物理氣相沉積方法沉積耐磨減摩層的過程中，向真空腔室內(nèi)通入N2氣、Ar氣和CH4氣的混合氣體，其中，N2氣的流量、Ar氣的流量和CH4氣的流量分別為100sccm、40sccm及200sccm，沉積過程中以TiSi合金和CrAl合金作為沉積革El材，其中，以TiSi合金作為沉積靶材時的弧電流及偏執(zhí)電壓分別為70A及150V，以TiSi合金作為沉積靶材時的弧電流及偏置電壓分別為90A及150V。9.根據(jù)權利要求5所述的用于隧道掘進機刀具刀圈的多層薄膜的制備方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)裝置包括轉(zhuǎn)架、支撐盤、支撐桿及電機，其中，電機的輸出軸與轉(zhuǎn)架相連接，支撐盤通過支撐桿固定于轉(zhuǎn)架上，隧道掘進機刀具刀圈放置于支撐盤上。
【文檔編號】C23C14/16GK105971617SQ201610317008
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】郭巖, 李太江, 李巍, 呂品正
【申請人】西安熱工研究院有限公司