一种钢筋撕碎用超硬刀盘及制备方法
阅读说明：本技术 一种钢筋撕碎用超硬刀盘及制备方法 (Superhard cutter head for shredding reinforcing steel bars and preparation method ) 是由 林涛 李松庆 李泽 赵勇 沈湘洪 龚佳兴 杨岱璋 费望龙 刘昌林 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：一种钢筋撕碎用超硬刀盘,包括基体和在基体上形成的类金刚石薄膜,类金刚石薄膜通过Si-O-N三元共掺杂；N原子数为Si、O和N原子总数量的16%-21%。在本发明中,以六甲基二硅氧烷、乙炔和N-2为前驱体,三元Si-O-N共掺杂类金刚石碳(DLC)涂层。通过高偏压等离子体增强化学沉积方式沉积在高硬度的刀盘基体上。通过真空退火后,在刀盘基体上的涂层的硬度达到16.9 GPa,大大的提高了刀盘的硬度,从而可以提高刀盘撕碎废旧钢筋等废旧钢材的效率。(A superhard cutter head for tearing reinforcing steel bars comprises a base body and a diamond-like carbon film formed on the base body, wherein the diamond-like carbon film is doped in a Si-O-N ternary manner; the number of N atoms is 16 to 21 percent of the total number of Si, O and N atoms. In the invention, hexamethyldisiloxane, acetylene and N are used 2 Is used as a precursor, and is a ternary Si-O-N co-doped diamond-like carbon (DLC) coating. The high-hardness cutting disc is deposited on a high-hardness cutting disc base body through a high-bias plasma enhanced chemical deposition mode. After the annealing in a vacuum is carried out,the hardness of the coating on the cutter head substrate reaches 16.9GPa, so that the hardness of the cutter head is greatly improved, and the efficiency of shredding waste steel materials such as waste steel bars and the like by the cutter head can be improved.)
技术领域
本发明涉及一种钢筋撕碎用刀盘，尤其涉及一种钢筋撕碎用超硬刀盘及制备方法。
背景技术
在工业生产和城乡建设中会有大量的废旧钢筋或者其他废旧钢材产生，废旧钢筋是可以回炉重新炼钢从而达到资源的重复利用。然而回收的钢铁形状是不规整的，需要撕碎形成大小相对均匀的钢筋颗粒从而方便后续的回炉生产。
在将废旧钢筋撕碎成钢筋颗粒的时候，钢筋撕碎上的刀盘是最为关键的部件。刀盘一般采用硬度比较高的钢材制作而成，并且其厚度较大。在生产的过程中通过两组或者多组相对设置的刀盘组对废旧钢筋或者其他废旧钢材进行撕碎。由于钢筋本身硬度大，普通刀片容易磨损，在工作的过程中刀盘组价格昂贵，使用成本较高，如何提高刀片的耐磨性（硬度），提高刀片使用寿命，对降低废旧钢筋或者其他废旧钢材的撕碎加工成本来说具有很大的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种钢筋撕碎用超硬刀盘及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种钢筋撕碎用超硬刀盘，包括基体和在基体上形成的类金刚石薄膜，所述类金刚石薄膜通过Si-O-N三元共掺杂；所述N原子数为Si、O和N原子总数量的16%-21%。
上述的钢筋撕碎用超硬刀盘，优选的，所述类金刚石薄膜和基体之间设置有WC中间层。
上述的钢筋撕碎用超硬刀盘，优选的，所述类金刚石薄膜的厚度为1.5-3μm。
上述的钢筋撕碎用超硬刀盘，优选的，所述基体为钢材。
一种钢筋撕碎用超硬刀盘的制备方法，包括以下步骤：
1）基体的清洗：用乙醇和去离子水分别清洗基体的表面；
将经过步骤清洗的基体放入到等离子体化学气相沉积系统的腔室中，然后将腔室抽真空；在真空条件下用热丝离子源对基体用Ar+进行80-100分钟的蚀刻，电流为80-120A，偏置电压为180-220V，氩气流量为200-300sccm；
2)将完成步骤1）清洗的基体在乙炔、N2和六甲基二硅氧烷混合气流的环境下进行90-150分钟沉积；沉积时腔室压力在 0.8-1.0 Pa 之间，基板温度为 300-350℃；
3）将完成步骤2）的基体在300-500℃的温度下退火3-5小时。
6、根据权利要求5所述的钢筋撕碎用超硬刀盘的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中在沉积时，使用频率为30-50kHz的脉冲直流电源向基体施加600-800V的偏压，直流磁体线圈电流为2A。
上述的钢筋撕碎用超硬刀盘的制备方法，优选的，所述步骤2）之前完成中间层的制备，中间层的制备包括以下步骤：使用5kW直流功率的WC靶在 150-200℃下将WC中间层磁溅射到基板上50分钟，Ar作为工作气体。
上述的钢筋撕碎用超硬刀盘的制备方法，优选的，所述步骤2）中乙炔气体流速为200-300 sccm；N2流速为4-40 sccm；六甲基二硅氧烷气体流速为10-15 sccm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在本发明中，以六甲基二硅氧烷、乙炔和 N2为前驱体，三元 Si-O-N 共掺杂类金刚石碳(DLC) 涂层。通过高偏压等离子体增强化学沉积方式沉积在高硬度的刀盘基体上。通过真空退火后，在刀盘基体上的涂层的硬度达到16.9 GPa，大大的提高了刀盘的硬度，从而可以提高刀盘撕碎废旧钢筋等废旧钢材的效率。
附图说明
图1为实施例1中钢筋撕碎用超硬刀盘
图2为刀盘连接在刀盘轴上后刀盘组的结构示意图。
图3为沉积在基体上三元共掺杂的类金刚石薄膜的形貌图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示的一种钢筋撕碎用超硬刀盘，包括316L不锈钢基体和在基体上形成厚度为3μm的类金刚石薄膜，类金刚石薄膜通过Si-O-N三元共掺杂； N原子数为Si、O和N原子总数量的21%。在本实施例中，Si原子数为Si、O和N原子总数量的55.8%，O原子数为Si、O和N原子总数量的23.2%。本实施例的在刀盘基体上的类金刚石薄膜硬度达到16.9 GPa，大大的提高了刀盘的硬度，从而可以提高刀盘撕碎废旧钢筋等废旧钢材的效率。
在本实施例中，在类金刚石薄膜和基体之间设置有WC中间层。中间层的设置有利于提高316L不锈钢基体与类金刚石薄膜之间的附着力。
如图1和图2所示，在钢筋撕碎机工作的时候，刀盘是相对设置的；相对设置的刀盘剪切废旧钢筋使得废旧钢筋撕碎。在本实施例中，类金刚石薄膜（DLC）是沉积在316L不锈钢制作而成的基体表面上的，刀盘基体与刀盘轴连接的位置可以不进行沉积。316L不锈钢具有很好的高温性能，在700度以下的温度可以连续使用，而在对废旧钢筋进行撕碎的时候是会产生大量热量的，故采用316L不锈钢作为刀盘的基体材料是合适的。
在本实施例中，Si-O-N三元共掺杂后的类金刚石薄膜中存在Si-C、Si-N和Si-O键，当退火温度高于490度的时候Si-C 键发生转变，与Si-O 键合；这表明 Si-N 键具有优异的热稳定性，N 掺杂可以在高温下稳定 Si-O 和 Si-C 键；这也就使得本实施例的刀盘上的类金刚石薄膜的高温稳定性得到提高。在本实施例中，N 掺杂阻碍了含 O 键的形成，并增强了沉积的三元 Si-O-N 共掺杂薄膜中的 Si-C 键。此外，N 掺杂有利于稳定Si-C和Si-O键并在退火过程中阻碍石墨化。在 430℃下退火后，类金刚石薄膜保持16.9GPa的硬度。
本实施例还提供一种钢筋撕碎用超硬刀盘的制备方法，包括以下步骤：
1）基体的清洗：用乙醇和去离子水分别清洗基体的表面；
将经过步骤清洗的基体放入到等离子体化学气相沉积系统的腔室中，然后将腔室抽真空；在真空条件下用热丝离子源对基体用Ar+进行90分钟的蚀刻，电流为100A，偏置电压为200V，氩气流量为250sccm。
在进行步骤2）之前完成中间层的制备，中间层的制备包括以下步骤：使用5kW直流功率的WC靶在 150℃下将WC中间层磁溅射到基板上50分钟，Ar作为工作气体。
2)将完成步骤1）清洗的基体在乙炔、N2和六甲基二硅氧烷混合气流的环境下进行120分钟沉积；沉积时腔室压力在 0.8-1.0 Pa 之间，基板温度为300℃；在沉积时，使用频率为40kHz的脉冲直流电源向基体施加740V的偏压，直流磁体线圈电流为2A。乙炔气体流速为250sccm；N2流速为30 sccm；六甲基二硅氧烷气体流速为10sccm。
3）将完成步骤2）的基体在430℃的温度下退火4小时；退火时强室内的气压为5Pa。
图3为沉积在基体上三元共掺杂的类金刚石薄膜的形貌图，由于沉积的过程中表面会产生火花，因此表面会出现一些凹坑。
在本实施例中六甲基二硅氧烷中Si: O比为 2:1,然而通过X 射线光电光谱(XPS) 分析出类金刚石薄膜中O的含量降低了，Si: O比大概为 2.4:1，这个主要是因为气源的解离能力差异和N+表面离子蚀刻的增强。
实施例2
本实施例的钢筋撕碎用超硬刀盘，包括316L不锈钢基体和在基体上形成厚度为1.8μm的类金刚石薄膜，类金刚石薄膜通过Si-O-N三元共掺杂；，N原子数为Si、O和N原子总数量的16%。在本实施例中，Si原子数为Si、O和N原子总数量的59%，O原子数为Si、O和N原子总数量的25%。本实施例的在刀盘基体上的类金刚石薄膜硬度为16.1 GPa。本实施例的钢筋撕碎用超硬刀盘的其他部分与实施例1相同。
本实施例的钢筋撕碎用超硬刀盘的制备方法与实施例1相比区别是：本实施例中步骤2）中乙炔气体流速为250sccm；N2流速为4sccm；六甲基二硅氧烷气体流速为10sccm。沉积的时间为90分钟。本实施例的制备方法的其他部分与实施例1相同。
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