CN104289720B - 一种金属陶瓷复合刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属陶瓷复合刀具及其制备方法。其技术方案是：刀刃(4)的化学成分及其含量是：B为1~10wt%，Mo为20~65wt%，Ni为1~15wt%，Mn为0.1~5wt%，Cr为1~25wt%，C为0.2~2wt%，余量为Fe。外加所述刀刃(4)的化学成分总量2~6wt%的成型剂，球磨，真空干燥，筛分，得到粒径为48~200μm的刀刃粉末。再将刀具基材(2)浇铸或锻造为与刀具侧面形状相同的块体，采用等静压方法将刀刃粉末压制在刀具基材(2)的刀刃结合面(3)上。然后将得到的复合刀具压坯置入烧结炉中，以四个温度段升温至1100~1400℃，随炉冷却；最后进行线切割、打磨和抛光处理，得到金属陶瓷复合刀具。本发明制备的金属陶瓷复合刀具具有高硬度、耐酸碱腐蚀、耐磨损和韧性好的特点。
Description
技术领域
本发明属于复合刀具技术领域。具体地说，涉及一种金属陶瓷复合刀具及其制备方法。
背景技术
随着现代科学的快速发展，传统的刀具产品已经难以满足生产或生活上的要求，传统的硬质合金刀具切削高强材料时硬度不够，时有冲击破碎现象发生。在日常生活中，人们对家用刀具的要求也越来越高。家用刀具作为厨房的必备用具之一，常年处于水、水蒸气、盐和酸等环境中，这对家用刀具的耐蚀性是极大的考验；同时家用刀具多用于切或割食物，因此对于家用刀具的强度和硬度也有较高的要求。
现有的家用刀具主要由金属材质和陶瓷材料制成，金属材质中以不锈钢为主，因其具有高的塑韧性、耐蚀性和无磁性等特点备受人们的青睐，为现代工业的发展和科技的进步奠定了技术基础。不锈钢刀具不仅避免了铁锈对人体健康的损害，还可以长期保持靓丽的外观，因此在家用刀具使用中扮演着重要的角色。但是由于其硬度较低和耐磨性差，在使用过程中刀口易钝，使用性能差。陶瓷刀具是近年来发展起来的一种新型刀具，具有高的硬度、耐磨性和抗高温性能等特点。因此，在我国发展十分迅速。但是陶瓷刀具的致命缺陷就是脆性大和抗冲击性能差，使用过程中容易断裂。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种具有高硬度、耐酸碱腐蚀、耐磨损和韧性好的金属陶瓷复合刀具及其制备方法。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案加以实现：所述金属陶瓷复合刀具由刀刃和刀身制备而成。
刀刃的化学成分及其含量是：B为1~10wt%，Mo为20~65wt%，Ni为1~15wt%，Mn为0.1~5wt%，Cr为1~25wt%，C为0.2~2wt%，余量为Fe。
金属陶瓷复合刀具的制备方法为：
步骤一、刀刃粉末的制备
按刀刃的化学成分及其含量进行配料，再外加所述刀刃的化学成分总量2~6wt%的成型剂，湿态球磨，真空干燥，筛分，得到粒径为48~200μm的刀刃粉末。
步骤二、刀具基材的处理
先将刀具基材浇铸或锻造为与刀具侧面形状相同的块体，所述块体的上表面为刀把面和刀刃结合面，再将所述块体的表面进行打磨和清洁处理；刀具基材为不锈钢铸件或不锈钢锻件。
步骤三、复合刀具压坯的制备
采用等静压方法将步骤一筛分所得刀刃粉末压制在刀具基材的刀刃结合面上，得到复合刀具压坯。
步骤四、复合刀具的烧结
将复合刀具压坯置入烧结炉中，先以3~10℃/min速率从室温升温至350~450℃，保温30~60min；再以3~10℃/min速率升温至750~850℃，保温30~60min；然后以3~10℃/min速率升温至900~1000℃，保温30~60min；最后以2~6℃/min速率升温至1100~1400℃，保温30~90min；随炉冷却，即得到刀刃与刀具基材的结合体。
步骤五、金属陶瓷复合刀具的加工
对刀刃与刀具基材的结合体进行线切割，得到金属陶瓷复合刀具半成品，再对金属陶瓷复合刀具半成品进行打磨和抛光处理，得到金属陶瓷复合刀具。
所述球磨中的磨球为硬质合金球、钢球和刚玉球中的一种。
所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
所述烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和放电等离子体烧结炉中的一种。
所述线切割的切割方向垂直于刀刃结合面，切割厚度为1~5mm。
所述打磨和抛光是对切割后的刀具半成品先进行粗磨和细磨，再采用抛光膏、抛光剂进行抛光处理。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比的有益之处在于：
本发明将具有高硬度、耐腐蚀、耐磨损和具有较好塑韧性的三元硼化物金属陶瓷材料作为刀刃材料，将具有优良塑韧性的不锈钢作为刀身材料，充分利用不同材料的特点制备出最佳的金属陶瓷复合刀具。
本发明中的刀刃粉末在烧结过程中经原位反应生成以硼化物陶瓷为硬质相和以铁基合金为粘结相的金属陶瓷材料，使所制备的金属陶瓷复合刀具的刀刃材料具有优良的耐蚀性、耐磨性并保持高硬度。
本发明制备的金属陶瓷复合刀具中的刀身材料为不锈钢材料，刀刃为铁基金属陶瓷材料，两种材料都具有一定的韧性，这就解决了陶瓷刀具断裂韧性不足，抗弯强度和抗热冲击性能较差的问题。
本发明制备的金属陶瓷复合刀具中因刀刃材料反应后得到铁基金属陶瓷，其粘结相为铁，在烧结过程中，刀刃粉末会与刀刃结合面发生反应，最后会在刀刃和刀刃结合面之间形成一段过渡层，使得刀刃和刀具基材能非常好的结合在一起；同时由于刀刃的金属陶瓷材料与刀具基材的不锈钢材料的膨胀系数相近，避免了两者之间因为热涨收缩不同而带来的开裂、变形等问题。
因此，本发明制备的金属陶瓷复合刀具具有高硬度、耐酸碱腐蚀、耐磨损和韧性好的特点。
附图说明
图1为本发明制备的一种金属陶瓷复合刀具所采用的刀具基材(2)的示意图；
图2为图1所述金属陶瓷复合刀具的刀刃(4)与刀具基材(2)结合体的示意图；
图3为图1所述金属陶瓷复合刀具的半成品的示意图。
具体实施方式
以下通过具体的实施方式对本发明做进一步的描述，但不应理解为是本发明的限定。本领域普通技术人员根据上述方案可做出各种形式的变化，凡是基于上述思想所做的变化都属于本发明的范围。
本具体实施方式中：所述打磨和抛光是对切割后的刀具半成品先进行粗磨和细磨，再采用抛光膏、抛光剂进行抛光处理。实施例中不再赘述。
实施例1
一种金属陶瓷复合刀具及其制备方法。所述金属陶瓷复合刀具如图3所示，由刀刃4和刀身5制备而成。
刀刃4的化学成分及其含量是：B为1~4wt%，Mo为20~36wt%，Ni为9~15wt%，Mn为2~5wt%，Cr为15~25wt%，C为0.8~2wt%，余量为Fe。
金属陶瓷复合刀具的制备方法为：
步骤一、刀刃粉末的制备
按刀刃4的化学成分及其含量进行配料，再外加所述刀刃4的化学成分总量2~4wt%的成型剂，湿态球磨，真空干燥，筛分，得到粒径为48~150μm的刀刃粉末。
步骤二、刀具基材的处理
先将刀具基材2浇铸或锻造为如图1所示的与刀具侧面形状相同的块体，所述块体的上表面为刀把面1和刀刃结合面3，再将所述块体的表面进行打磨和清洁处理。刀具基材2为不锈钢铸件或不锈钢锻件。
步骤三、复合刀具压坯的制备
采用等静压方法将步骤一筛分所得刀刃粉末压制在刀具基材2的刀刃结合面3上，得到复合刀具压坯。
步骤四、复合刀具的烧结
将复合刀具压坯置入烧结炉中，先以5~10℃/min速率从室温升温至400~450℃，保温30~60min；再以5~10℃/min速率升温至800~850℃，保温30~60min；然后以5~10℃/min速率升温至950~1000℃，保温30~60min；最后以2~6℃/min速率升温至1100~1250℃，保温30~90min；随炉冷却，即得到刀刃4与刀具基材2的结合体。
步骤五、金属陶瓷复合刀具的加工
如图2所示，对刀刃4与刀具基材2的结合体沿虚线进行线切割，所述线切割的切割方向垂直于刀刃结合面3，切割厚度为1~3mm。得到如图3所示的金属陶瓷复合刀具半成品，再对金属陶瓷复合刀具半成品进行打磨和抛光处理，得到金属陶瓷复合刀具。
本实施例所述球磨中的磨球为硬质合金球。
本实施例所述成型剂为液体石蜡。
本实施例所述烧结炉为真空烧结炉。
实施例2
一种金属陶瓷复合刀具及其制备方法。所述金属陶瓷复合刀具如图3所示，由刀刃4和刀身5制备而成。
刀刃4的化学成分及其含量是：B为3~6wt%，Mo为30~48wt%，Ni为6~12wt%，Mn为2~5wt%，Cr为10~20wt%，C为0.8~2wt%，余量为Fe。
金属陶瓷复合刀具的制备方法为：
步骤一、刀刃粉末的制备
按刀刃4的化学成分及其含量进行配料，再外加所述刀刃4的化学成分总量2~4wt%的成型剂，湿态球磨，真空干燥，筛分，得到粒径为48~150μm的刀刃粉末。
步骤二、同实施例1的步骤二。
步骤三、同实施例1的步骤三。
步骤四、复合刀具的烧结
将复合刀具压坯置入烧结炉中，先以5~10℃/min速率从室温升温至400~450℃，保温30~60min；再以5~10℃/min速率升温至800~850℃，保温30~60min；然后以5~10℃/min速率升温至950~1000℃，保温30~60min；最后以2~6℃/min速率升温至1150~1300℃，保温30~90min；随炉冷却，即得到刀刃4与刀具基材2的结合体。
步骤五、金属陶瓷复合刀具的加工
如图2所示，对刀刃4与刀具基材2的结合体沿虚线进行线切割，所述线切割的切割方向垂直于刀刃结合面3，切割厚度为2~4mm。得到如图3所示的金属陶瓷复合刀具半成品，再对金属陶瓷复合刀具半成品进行打磨和抛光处理，得到金属陶瓷复合刀具。
本实施例所述球磨中的磨球为钢球。
本实施例所述成型剂为硬脂酸锌。
本实施例所述烧结炉为热等静压烧结炉。
实施例3
一种金属陶瓷复合刀具及其制备方法。所述金属陶瓷复合刀具如图3所示，由刀刃4和刀身5制备而成。
刀刃4的化学成分及其含量是：B为5~8wt%，Mo为40~55wt%，Ni为4~10wt%，Mn为0.1~3wt%，Cr为5~15wt%，C为0.2~1.5wt%，余量为Fe。
金属陶瓷复合刀具的制备方法为：
步骤一、刀刃粉末的制备
按刀刃4的化学成分及其含量进行配料，再外加所述刀刃4的化学成分总量3~6wt%的成型剂，湿态球磨，真空干燥，筛分，得到粒径为75~200μm的刀刃粉末。
步骤二、同实施例1的步骤二。
步骤三、同实施例1的步骤三。
步骤四、复合刀具的烧结
将复合刀具压坯置入烧结炉中，先以3~8℃/min速率从室温升温至350~400℃，保温30~60min；再以3~8℃/min速率升温至750~800℃，保温30~60min；然后以3~8℃/min速率升温至900~950℃，保温30~60min；最后以2~6℃/min速率升温至1200~1350℃，保温30~90min；随炉冷却，即得到刀刃4与刀具基材2的结合体。
步骤五、金属陶瓷复合刀具的加工
如图2所示，对刀刃4与刀具基材2的结合体沿虚线进行线切割，所述线切割的切割方向垂直于刀刃结合面3，切割厚度为3~5mm。得到如图3所示的金属陶瓷复合刀具半成品，再对金属陶瓷复合刀具半成品进行打磨和抛光处理，得到金属陶瓷复合刀具。
本实施例所述球磨中的磨球为刚玉球。
本实施例所述成型剂为聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液。
本实施例所述烧结炉为放电等离子体烧结炉。
实施例4
一种金属陶瓷复合刀具及其制备方法。所述金属陶瓷复合刀具如图3所示，由刀刃4和刀身5制备而成。
刀刃4的化学成分及其含量是：B为7~10wt%，Mo为50~65wt%，Ni为1~6wt%，Mn为0.1~3wt%，Cr为1~8wt%，C为0.2~1.5wt%，余量为Fe。
金属陶瓷复合刀具的制备方法为：
步骤一、刀刃粉末的制备
按刀刃4的化学成分及其含量进行配料，再外加所述刀刃4的化学成分总量3~6wt%的成型剂，湿态球磨，真空干燥，筛分，得到粒径为75~200μm的刀刃粉末。
步骤二、同实施例1的步骤二。
步骤三、同实施例1的步骤三。
步骤四、复合刀具的烧结
将复合刀具压坯置入烧结炉中，先以3~8℃/min速率从室温升温至350~400℃，保温30~60min；再以3~8℃/min速率升温至750~800℃，保温30~60min；然后以3~8℃/min速率升温至900~950℃，保温30~60min；最后以2~6℃/min速率升温至1200~1400℃，保温30~90min；随炉冷却，即得到刀刃4与刀具基材2的结合体。
步骤五、金属陶瓷复合刀具的加工
如图2所示，对刀刃4与刀具基材2的结合体沿虚线进行线切割，所述线切割的切割方向垂直于刀刃结合面3，切割厚度为2~4mm。得到如图3所示的金属陶瓷复合刀具半成品，再对金属陶瓷复合刀具半成品进行打磨和抛光处理，得到金属陶瓷复合刀具。
本实施例所述球磨中的磨球为硬质合金球。
本实施例所述成型剂为橡胶汽油溶液。
本实施例所述烧结炉为真空烧结炉。
本具体实施方式与现有技术相比的有益之处在于：
本具体实施方式将具有高硬度、耐腐蚀、耐磨损和具有较好塑韧性的三元硼化物金属陶瓷材料作为刀刃材料，将具有优良塑韧性的不锈钢作为刀身材料，充分利用不同材料的特点制备出最佳的金属陶瓷复合刀具。
本具体实施方式中的刀刃粉末在烧结过程中经原位反应生成以硼化物陶瓷为硬质相和以铁基合金为粘结相的金属陶瓷材料，使所制备的金属陶瓷复合刀具的刀刃4材料具有优良的耐蚀性、耐磨性并保持高硬度。
本具体实施方式制备的金属陶瓷复合刀具中的刀身5材料为不锈钢材料，刀刃4为铁基金属陶瓷材料，两种材料都具有一定的韧性，这就解决了陶瓷刀具断裂韧性不足，抗弯强度和抗热冲击性能较差的问题。
本具体实施方式制备的金属陶瓷复合刀具中因刀刃4材料反应后得到铁基金属陶瓷，其粘结相为铁，在烧结过程中，刀刃粉末会与刀刃结合面3发生反应，最后会在刀刃4和刀刃结合面3之间形成一段过渡层，使得刀刃4和刀具基材2能非常好的结合在一起；同时由于刀刃4的金属陶瓷材料与刀具基材2的不锈钢材料的膨胀系数相近，避免了两者之间因为热涨收缩不同而带来的开裂、变形等问题。
因此，本具体实施方式制备的金属陶瓷复合刀具具有高硬度、耐酸碱腐蚀、耐磨损和韧性好的特点。
Claims (7)
1.一种金属陶瓷复合刀具的制备方法，其特征在于所述金属陶瓷复合刀具由刀刃(4)和刀身(5)制备而成；
刀刃(4)的化学成分及其含量是：B为1~10wt%，Mo为20~65wt%，Ni为1~15wt%，Mn为0.1~5wt%，Cr为1~25wt%，C为0.2~2wt%，余量为Fe；
金属陶瓷复合刀具的制备方法为：
步骤一、刀刃粉末的制备
按刀刃(4)的化学成分及其含量进行配料，再外加所述刀刃(4)的化学成分总量2~6wt%的成型剂，湿态球磨，真空干燥，筛分，得到粒径为48~200μm的刀刃粉末；
步骤二、刀具基材的处理
先将刀具基材(2)浇铸或锻造为与刀具侧面形状相同的块体，所述块体的上表面为刀把面(1)和刀刃结合面(3)，再将所述块体的表面进行打磨和清洁处理；刀具基材(2)为不锈钢铸件或不锈钢锻件；
步骤三、复合刀具压坯的制备
采用等静压方法将步骤一筛分所得刀刃粉末压制在刀具基材(2)的刀刃结合面(3)上，得到复合刀具压坯；
步骤四、复合刀具的烧结
将复合刀具压坯置入烧结炉中，先以3~10℃/min速率从室温升温至350~450℃，保温30~60min；再以3~10℃/min速率升温至750~850℃，保温30~60min；然后以3~10℃/min速率升温至900~1000℃，保温30~60min；最后以2~6℃/min速率升温至1100~1400℃，保温30~90min；随炉冷却，即得到刀刃(4)与刀具基材(2)的结合体；
步骤五、金属陶瓷复合刀具的加工
对刀刃(4)与刀具基材(2)的结合体进行线切割，得到金属陶瓷复合刀具半成品，再对金属陶瓷复合刀具半成品进行打磨和抛光处理，得到金属陶瓷复合刀具。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合刀具的制备方法，其特征在于所述球磨中的磨球为硬质合金球、钢球和刚玉球中的一种。
3.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合刀具的制备方法，其特征在于所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。
4.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合刀具的制备方法，其特征在于所述烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和放电等离子体烧结炉中的一种。
5.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合刀具的制备方法，其特征在于所述线切割的切割方向垂直于刀刃结合面(3)，切割厚度为1~5mm。
6.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合刀具的制备方法，其特征在于所述打磨和抛光是对切割后的刀具半成品先进行粗磨和细磨，再采用抛光膏、抛光剂进行抛光处理。
7.一种金属陶瓷复合刀具，其特征在于所述金属陶瓷复合刀具是根据权利要求1~6项中任一项所述金属陶瓷复合刀具的制备方法所制备的金属陶瓷复合刀具。
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