一種隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)刀具刀圈，并且制備方法較為簡單。
【專利說明】
一種隧道掘進(jìn)機(jī)刀具刀圈的多層薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于刀具領(lǐng)域，涉及一種隧道掘進(jìn)機(jī)刀具刀圈的多層薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)是地下巖石質(zhì)隧道(洞)工程全斷面施工的大型機(jī)械設(shè)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(shí)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(jìn)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(fèi)力，直接影響其施工工程的造價(jià)和工期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，TBM施工工程刀具消耗費(fèi)用約占工程造價(jià)的1/5-1/3，其中因刀具磨損而更換的刀圈數(shù)量達(dá)80%，刀圈損耗最大。
[0003]借助化學(xué)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(qiáng)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(qiáng)性及高溫抗氧化性等不夠理想。在TiN和CrN薄膜基礎(chǔ)上添加
CrSiN、TiSiCN、TiAlSiCN、TiCrSiCN薄膜，使薄膜的抗高溫氧化性及力學(xué)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(xué)性能和高溫氧化性能，被應(yīng)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(dá)1000°C以上，遠(yuǎn)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(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)，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(xì)化晶粒作用，Cr元素可增強(qiáng)材料的耐蝕性，也可促進(jìn)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(diǎn):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(kuò)散構(gòu)成的過渡層可改善界面性能，降低內(nèi)應(yīng)力，膜/基結(jié)合強(qiáng)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(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)刀具刀圈，并且制備方法較為簡單。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)刀具刀圈的多層薄膜包括依次沉積于隧道掘進(jìn)機(jī)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(gòu)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(gòu)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
μ??ο
[0010]本發(fā)明所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)刀具刀圈的表面，再將隧道掘進(jìn)機(jī)刀具刀圈放置到真空腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行等離子體清洗，然后再在隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jī)，其中，電機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)刀具刀圈的結(jié)合強(qiáng)度，通過耐氧化薄膜層提高隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)機(jī)刀具刀圈的結(jié)構(gòu)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(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0024]參考圖1，本發(fā)明所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)刀具刀圈的多層薄膜包括依次沉積于隧道掘進(jìn)機(jī)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(gòu)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(gòu)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)刀具刀圈的表面，再將隧道掘進(jìn)機(jī)刀具刀圈放置到真空腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行等離子體清洗，然后再在隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jī)，其中，電機(jī)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(jìn)機(jī)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(jié)構(gòu)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(xué)態(tài)，對耐磨減摩層表面進(jìn)行XPS譜分析，分析結(jié)果如圖3、圖4及圖5所示，通過曲線數(shù)學(xué)擬合對元素化學(xué)價(jià)態(tài)進(jìn)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(jié)合圖2的XRD結(jié)果，耐磨減摩層的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)為納米晶+非晶相(硅化物和碳)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，納米晶相以TiAlN和CrN為主，存在少量Ti3AlC。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(quán)利要求1所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(gòu)成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(quán)利要求3所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)刀具刀圈的表面，再將隧道掘進(jìn)機(jī)刀具刀圈放置到真空腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)裝置上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行等離子體清洗，然后再在隧道掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)刀具刀圈的多層薄膜制備。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(quán)利要求5所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(quán)利要求5所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(quán)利要求5所述的用于隧道掘進(jìn)機(jī)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(jī)，其中，電機(jī)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(jìn)機(jī)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