一种隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜及其制备方法，包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面上的若干层薄膜，各层薄膜由内到外依次均包括金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层，该纳米多层薄膜能够用于隧道掘进机刀具刀圈，并且能够有效的提高隧道掘进机刀具刀圈的使用寿命，同时制备方法较为简单。
【专利说明】
一种隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于刀具涂层领域，涉及一种隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]隧道掘进机(TBM)是地下岩石质隧道(洞)工程全断面施工的大型机械设备，主要用于水利水电隧洞、铁路公路交通隧道、煤矿巷道及城市地下铁道全断面施工。TBM施工中，每天停3-4小时，检查刀圈使用情况，出现异常现象或者刀圈半径磨损30mm(刀圈外径483mm)以上则需要更换刀圈；刀圈依赖进口，采购时间长，价格昂贵;对隧道施工工期和施工成本有很大影响。据统计，TBM施工中因刀具磨损而更换的刀圈数量达80%，刀圈损耗最大。
[0003]借助化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)方法制备的TiN和CrN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和CrN薄膜基础上添加
TiSiCN、TiCrAlN薄膜。TiCrAlN涂层(薄膜)中的Cr和Al元素与空气中的氧气反应形成Al2O3和Cr2O3氧化膜，起到抑制氧化、耐磨减摩及隔热作用，使更多的热量通过切肩带走，降低了刀体温度，从而延长使用寿命。Ti/TiN多层薄膜的膜/基结合力和韧性高于单层TiN薄膜。在Ti/TiN多层薄膜上制备TiCrAlN膜层，形成的Ti/TiN/TiCrAIN纳米多层薄膜，其硬度、韧性及高温抗氧化和耐磨减摩性能获得显著提高，是提高硬质薄膜性能的重要发展方向之一。
[0004]多弧离子镀物理气相沉积(PVD)薄膜技术是提高TBM刀具刀圈性能的有效方法。PVD多弧离子镀膜具备如下优点:镀膜中入射粒子能量高、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。刀圈经真空镀膜后，其表面粗糙度Ra〈0.Ιμπι(远低于涂层刀具Ra〈l?2μπι)，有望提高其切削效率、精度和速度，延长使用寿命，降低刀圈成本投入，提高TBM施工经济性和可靠性，保障水电工程施工进度和质量。因此研发一种TBM刀具刀圈表面的涂层材料以及镀膜方法，以提高其使用寿命具有重大意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜及其制备方法，该纳米多层薄膜能够用于隧道掘进机刀具刀圈，并且能够有效的提高隧道掘进机刀具刀圈的使用寿命，同时制备方法较为简单。
[0006]为达到上述目的，本发明所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面上的若干层薄膜，各层薄膜由内到外依次均包括金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层。
[0007]硬质TiN膜层由Ti元素及N元素构成。
[0008]TiCrAlN耐'磨减摩层由Ti元素、Cr元素、Al元素及N元素构成。
[0009]金属Ti底层的厚度为0.5μπι，硬质TiN膜层的厚度为1.0ym，TiCrAlN耐磨减摩层的厚度为3.0μηι。
[0010]本发明所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜的制备方法包括以下步骤:
[0011]I)清洗隧道掘进机刀具刀圈的表面，再将隧道掘进机刀具刀圈放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并对隧道掘进机刀具刀圈进行等离子体清洗；
[0012]2)采用多弧离子镀物理气相沉积法在隧道掘进机刀具刀圈的表面依次沉积金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层，完成一层薄膜的沉积；
[0013]3)重复步骤2)，得隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜。
[0014]采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积金属Ti底层的具体操作为:向真空腔室内通入流量为50sccm、气压为0.2Pa的Ar气，再以Ti金属作为沉积革E材进行金属Ti底层的沉积，其中，沉积过程中沉积温度为350°C、弧电流为110A、偏置电压为200V。
[0015]采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积硬质TiN膜层的具体操作为: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260sccm，Ar气的流量为30sccm，混合气体的气压为0.5Pa，再以Ti合金作为沉积靶材进行硬质TiN膜层的沉积，沉积过程中沉积温度为350°C、弧电流为110A、偏置电压为100V。
[0016]采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiCrAlN耐磨减摩层的具体操作为:向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量和Ar气的流量分别为260SCCm和30SCCm，沉积过程中以Cr和TiAl合金作为沉积靶材进行TiCrAlN耐磨减摩层的沉积，沉积过程中的弧电流及偏置电压分别为I1A及100V。
[0017]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，隧道掘进机刀具刀圈放置于支撑盘上。
[0018]本发明具有以下有益效果:
[0019]本发明所述的隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜包括金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层，其中，通过金属Ti底层提高薄膜与隧道掘进机刀具刀圈的结合强度；通过硬质TiN膜层提高隧道掘进机刀具刀圈膜层硬度，同时改善多层薄膜的韧性、以及薄膜与刀圈之间的结合力，通过TiCrAlN耐磨减摩层起到耐磨减摩作用，从而有效的提高隧道掘进刀具刀圈的使用寿命。本发明在制备时，先对隧道掘进机刀具刀圈的表面进行清洗，再采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层，操作方便，成本低，并且绿色环保，无任何污染废水废气产生。
【附图说明】
[0020]图1为隧道掘进机刀具刀圈的结构示意图；
[0021]图2为本发明中耐磨减摩层的XRD谱图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0023]参考图1，本发明所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面上的若干层薄膜，各层薄膜由内到外依次均包括金属Ti底层、硬质T iN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层。
[0024]硬质TiN膜层由Ti元素及N元素构成。
[0025]TiCrAlN耐磨减摩层由Ti元素、Cr元素、Al元素及N元素构成。
[0026]金属Ti底层的厚度为0.5μπι，硬质TiN膜层的厚度为1.0ym，TiCrAlN耐磨减摩层的厚度为3.0μηι。
[0027]本发明所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜的制备方法包括以下步骤:
[0028]I)清洗隧道掘进机刀具刀圈的表面，再将隧道掘进机刀具刀圈放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并对隧道掘进机刀具刀圈进行等离子体清洗；
[0029]2)采用多弧离子镀物理气相沉积法在隧道掘进机刀具刀圈的表面依次沉积金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层，完成一层薄膜的沉积；
[0030]3)重复步骤2)，得隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜。
[0031]采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积金属Ti底层的具体操作为:向真空腔室内通入流量为50sccm、气压为0.2Pa的Ar气，再以Ti金属作为沉积革E材进行金属Ti底层的沉积，其中，沉积过程中沉积温度为350°C、弧电流为110A、偏置电压为200V。
[0032]采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积硬质TiN膜层的具体操作为: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260sccm，Ar气的流量为30sccm，混合气体的气压为0.5Pa，再以Ti合金作为沉积靶材进行硬质TiN膜层的沉积，沉积过程中沉积温度为350°C、弧电流为110A、偏置电压为100V。
[0033]采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiCrAlN耐磨减摩层的具体操作为:向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量和Ar气的流量分别为260SCCm和30SCCm，沉积过程中以Cr和TiAl合金作为沉积靶材进行TiCrAlN耐磨减摩层的沉积，沉积过程中的弧电流及偏置电压分别为I1A及100V。
[0034]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，隧道掘进机刀具刀圈放置于支撑盘上。
[0035]图2为TiCrAlN耐磨减摩层的XRD谱图，从图2中可知，其相组成为面心立方结构的TiAlN和CrN。
【主权项】
1.一种隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜，其特征在于，包括依次沉积于隧道掘进机刀具刀圈表面上的若干层薄膜，各层薄膜由内到外依次均包括金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层。2.根据权利要求1所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜，其特征在于，硬质TiN膜层由Ti元素及N元素构成。3.根据权利要求1所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜，其特征在于，TiCrAlN耐磨减摩层由Ti元素、Cr元素、Al元素及N元素构成。4.根据权利要求1所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜，其特征在于，金属Ti底层的厚度为0.5μπι，硬质TiN膜层的厚度为1.0ym，TiCrAlN耐磨减摩层的厚度为3.0μπι。5.—种权利要求1所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)清洗隧道掘进机刀具刀圈的表面，再将隧道掘进机刀具刀圈放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并对隧道掘进机刀具刀圈进行等离子体清洗； 2)采用多弧离子镀物理气相沉积法在隧道掘进机刀具刀圈的表面依次沉积金属Ti底层、硬质TiN膜层及TiCrAlN耐磨减摩层，完成一层薄膜的沉积； 3)重复步骤2)，得隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜。6.根据权利要求5所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积金属Ti底层的具体操作为:向真空腔室内通入流量为50sccm、气压为0.2Pa的Ar气，再以Ti金属作为沉积革E材进行金属Ti底层的沉积，其中，沉积过程中沉积温度为350°C、弧电流为110A、偏置电压为200V。7.根据权利要求5所述的隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积硬质TiN膜层的具体操作为:向真空腔室内通入犯气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为260sccm，Ar气的流量为30sccm，混合气体的气压为0.5Pa，再以Ti合金作为沉积靶材进行硬质TiN膜层的沉积，沉积过程中沉积温度为350°C、弧电流为110A、偏置电压为100V。8.根据权利要求5所述的隧道掘进机刀具刀圈的多层薄膜的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiCrAlN耐磨减摩层的具体操作为:向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量和Ar气的流量分别为260sccm和30sccm，沉积过程中以Cr和T i Al合金作为沉积靶材进行Ti Cr AlN耐磨减摩层的沉积，沉积过程中的弧电流及偏置电压分别为I1A及100V。9.根据权利要求5所述的隧道掘进机刀具刀圈的纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于，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，隧道掘进机刀具刀圈放置于支撑盘上。
【文档编号】C23C14/16GK106048541SQ201610602907
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610602907.4, CN 106048541 A, CN 106048541A, CN 201610602907, CN-A-106048541, CN106048541 A, CN106048541A, CN201610602907, CN201610602907.4
【发明人】郭岩, 李太江, 李巍
【申请人】西安热工研究院有限公司