一种耐磨损盾构机刀具的制作方法

本实用新型属于盾构施工领域，涉及盾构机刀具，尤其是一种耐磨损盾构机刀具。

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。

技术实现要素：

本实用新型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磨损盾构机刀具。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种耐磨损盾构机刀具，包括至上而下依次设置的激光淬火层、Ti-Al-N涂层、微米类金刚石涂层、TiC过渡层、激光刻蚀处理层及硬质合金基体层。

而且，所述的激光淬火层的厚度为10-50nm。

而且，所述的Ti-Al-N涂层的厚度为40-80um。

而且，所述的微米类金刚石涂层的厚度为80-120μm。

而且，所述的TiC过渡层的厚度为5-10um。

而且，所述的Ti-Al-N涂层采用多弧离子镀制备。

而且，所述的微米类金刚石涂层、TiC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。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型沉积Ti-Al-N涂层进行激光淬火，在其表面会产生一层硬的、惰性的保护膜，该膜还有较好的隔热性，有效的提高刀具的高温工作寿命。

2、本实用新型在微米类金刚石涂层沉积Ti-Al-N涂层，使表面硬度进一步提高，并提高刀具耐热稳定性。

3、本实用新型在硬质合金刀具上制备微米类金刚石涂层，使刀具表面硬度显著提高，进而获得更高的耐磨性。

4、本实用新型采用TiC作为过渡层，降低了微米类金刚石涂层内应力，提高微米类金刚石涂层和基体结合力，提升了微米类金刚石涂层厚度。

5、本实用新型使用激光对基体进行刻蚀处理，增加基体与过渡层的接触面积，提供过渡层和基体的结合力。

附图说明

图1为本实用新型的结构剖面图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种耐磨损盾构机刀具，包括至上而下依次设置的激光淬火层1、Ti-Al-N涂层2、微米类金刚石涂层3、TiC过渡层4、激光刻蚀处理层5及硬质合金基体层6。所述的激光淬火层的厚度为(10-50nm)、Ti-Al-N涂层的厚度为(40-80um)、微米类金刚石涂层的厚度为(80-120μm)，TiC过渡层的厚度为(5-10um)。

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×80

mm×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)激光刻蚀处理

使用纳秒对工件进行刻蚀处理，通过激光对工件的烧蚀熔化，在刀具工件表面形成网格式的微纳米结构，改善工件表面的机械性能，提高工件的抗疲劳性，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)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。

4)去离子水冲洗

采用常温去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。

3.等离子增强化学气相沉积涂层制备工艺

1)预热处理

将工件置于阴极上，将刀具加热之250℃，持续时间20min；

2)刀具表面离子清洗

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2kHz，持续时间5min；

微米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，提升微米类金刚石涂层厚度，采用TiC作为过渡层。沉积过渡层TiC时，采用TiCl3流量为90sccm，氩气流量为100sccm，反应压强10pa，电压4000V，频率2kHz，持续时间120min。

4)沉积微米类金刚石涂层。

沉积微米类金刚石涂层时，C2H2流量300sccm，H2流量300sccm，C2H2/H2＝1∶1，氩气流量100sccm，电压4000V，频率2kHz，脉宽10μs，沉积温度300℃，沉积时间20-30h，已获得80-120μm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。

5)多弧离子镀沉积Ti-Al-N涂层

将镀层工件进行辉光清洗，选用靶材为纯Ti靶和纯Al靶，Ti靶工作电流为130A，Al靶工作电流为80A，温度350℃，脉冲偏压-400v，占空比为70％，Ar流量80sccm，N2流量40sccm，沉积时间2h，涂层厚度为40-80um。

6)Ti-Al-N涂层激光淬火处理

使用纳秒脉冲激光对类Ti-Al-N涂层进行淬火处理，功率8W，光斑大小0.02，光斑重叠了25％，扫描速度100mm/s；对表面进行快速淬火处理，在其表面会产生一层硬的、惰性的保护膜，该膜还有较好的隔热性。

实验及结果如下表所示：

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。