[发明专利]一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及刀具领域，具体为一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法。

背景技术

这种滚刀是地下岩石质隧道(洞)工程全断面施工的大型机械设备的重要部件，主要用于铁路公路交通隧道、煤矿巷道、城市地下铁道、水电水利隧洞等全断面施工。滚刀主要零部件为刀体、刀圈、刀圈卡环、密封、轴承、心轴和端盖等。开挖隧洞过程中，滚刀刀圈与岩石(磨料)间相互磨损和挤压引起刀圈的磨损、发热和变形，滚刀刀圈发热会降低其硬度，从而加快磨损。检查、更换、维修刀具，耗时费力，直接影响其施工工程的造价和工期。据统计，施工工程中滚刀消耗费用约占工程造价的1/5-1/3，其中因滚刀磨损而更换的刀圈数量达80％，刀圈损耗最大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜及其制备方法，制备方法简单，操作方便，成本低，并且绿色环保、无任何污染废水废气产生。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜，包括依次沉积于滚刀刀圈表面的Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层；所述的TiSiCrCN耐磨薄膜层为(TiCr)(CN)和CrN纳米晶与非晶相(Si₃N₄和C)的纳米复合结构。

优选的，所述TiSi过渡层由Ti元素及Si元素构成。

优选的，所述TiSiN耐氧化过渡层由Ti元素、Si元素及N元素构成。

优选的，所述TiSiCrCN耐磨薄膜层由Ti元素、Si元素、Cr元素、C元素及N元素构成。

优选的，金属Cr底层的厚度为300nm，TiSi过渡层为100nm，TiSiN耐氧化过渡层的厚度为200nm，TiSiCrCN耐磨层的厚度为10μm。

本发明所述的滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

清洗滚刀刀圈的表面，再将滚刀刀圈放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并进行等离子体清洗，然后再在滚刀刀圈表面采用多弧离子镀物理气相沉积法，依次沉积Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，完成滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜制备。

优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为16V。

优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSi过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi作为沉积靶材，弧电流为56A，偏置电压为17V。

优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiN耐氧化过度层的过程中，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380sccm，Ar气的流量为200sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为62A，偏置电压19V。

优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiSiCrCN耐磨薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N₂气、Ar气和CH₄气的混合气体，其中，N₂气的流量、Ar气的流量和CH₄气的流量分别为500sccm、100sccm及200sccm，混合气体的气压为1.1Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiSi合金作为沉积靶材，弧电流为74A，偏置电压为18V；Cr作为沉积靶材，弧电流为70A，偏置电压为19V。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明滚刀刀圈的TiSi基纳米复合结构硬质薄膜包括金属Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN耐氧化过渡层及TiSiCrCN耐磨薄膜层，其中，通过金属Cr底层提高薄膜与滚刀刀圈的结合力；通过耐氧TiSiN耐氧化过渡层提高刀具的抗氧化性能，通过TiSiCrCN耐磨薄膜层起到耐磨作用，从而有效的提高滚刀刀圈的使用寿命。