CN108285951A - 一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于刀具材料领域，公开了一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀及其制备方法。所述制备方法为：制备具有三层复合结构的刀具，刀具的芯层用高硬度不锈钢，两面各加一层高塑性不锈钢；所述高硬度不锈钢为7Cr17型或9Cr18型高碳不锈钢，所述高塑性不锈钢为Cr13型不锈钢，然后对刀具的刃口进行强化处理，再将刀具进行热处理，得到所述高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。本发明制备的不锈钢刀的抗弯强度比单材质马氏体不锈钢刀提高9倍以上，断裂挠度比单材质高碳马氏体不锈钢刀提高11倍以上，具有很好的韧性，保证了刀具使用的可靠性。刀具的刃口硬度达到1100～1800HV，具有优异的综合力学性能。

Description

一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀及其制备方法
技术领域
本发明属于刀具材料领域，具体涉及一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀及其制备方法。
背景技术
随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们对于日用品的要求日益提高，已不仅仅限于其功能性，对其外形的美观、装饰性以及对健康的影响的要求也越来越高。切割刀具是最常用和使用量巨大的用品之一，使用环境中的水、蒸汽、盐、酸等极易造成金属材料的腐蚀，普通碳钢刀很快就变得锈迹斑斑，不仅影响美观，而且铁锈的过量摄入会对人的肝脏造成损害，对人身健康不利。不锈钢刀由于其优良的耐蚀性，一方面避免了铁锈对人体健康的损害，另一方面可使刀具长期保持靓丽的外观，正逐步走进越来越多的家庭，在厨房刀具生产中的应用量与应用范围迅速增长。
不锈钢刀除耐蚀性之外，还要求具有高的硬度和耐磨性，高的锋利度和锋利度持久性。所以，刀具生产一般都选择可以通过热处理强化的马氏体不锈钢。马氏体不锈钢刀具材料的发展，是根据刀具使用条件对强度、硬度、韧性要求的不断提高，逐步提高钢中的碳含量，从低中含碳量的0Crl3～4Cr13发展到高碳高铬的9Cr18和9Cr17MoV钢，以及含氮马氏体不锈钢，粉末冶金不锈钢等。
随着钢中碳含量的增高，不锈钢的硬度逐渐增高，马氏体不锈钢刀还可以利用刃口处理工艺如激光表面熔敷、热喷涂等进一步提高刃口硬度。刃口硬度的显著提高使刀具的刃口更加锋利，但硬度明显增大的同时刀具的韧性会产生不同程度的降低，高刃口硬度的民用厨房刀在进行斩切时，由于韧性的降低会出现崩刃现象。对于特殊场合使用的对可靠性要求高的刀具比如军刀等，韧性的降低会严重影响刀具的正常使用。军用刀具的可靠性测试标准一般是要求支撑一名重100公斤的军人做引体向上动作，刀具不允许发生明显的变形和断裂。严苛的测试对刀具材料的强度和韧性要求很高，军刀一般采用的高碳高铬的9Cr18MoV(440C)制造，对材料的冶金质量提出了极高的要求，由于材料生产经过冶炼、精炼、锻造、轧制等多道工序，如何保证材料的组织、成分、纯净度完全满足军刀的使用性能要求，生产工艺难度极大，生产的军刀的可靠性难以保证。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法。本发明方法制备的不锈钢刀采用多层复合结构，用高硬度的高碳不锈钢(7Cr17型，9Cr18型)夹在中间作为刀刃的核心，两面各加一层韧性和弹性都很好的不锈钢(Cr13型)来辅助和增强，对高硬度的刃口进行有效保护，提高韧性；并采用刃口强化技术提高刃口硬度，从而制备出高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。所得高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的结构示意图如图1所示(刃口硬度达到1100～1800HV，两面硬度为44～50HRC)。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)制备具有三层复合结构的刀具，刀具的芯层用高硬度不锈钢，两面各加一层高塑性不锈钢；所述高硬度不锈钢为7Cr17型或9Cr18型高碳不锈钢，所述高塑性不锈钢为Cr13型不锈钢；
(2)对刀具的刃口进行强化处理；
(3)将刀具进行热处理，得到所述高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。
进一步地，步骤(1)中所述三层复合结构采用爆炸复合方法、轧制复合方法或分层浇注复合方法形成。
进一步地，步骤(1)中所述高硬度不锈钢为7Cr17MoV或9Cr18MoV不锈钢。
进一步地，步骤(1)中所述高塑性不锈钢为2Cr13、3Cr13或4Cr13不锈钢。
进一步地，步骤(2)中所述强化处理是指氮化处理或渗硼处理。
进一步地，步骤(3)中所述热处理是指经950～1100℃淬火和180～200℃回火热处理。
一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀，通过上述方法制备得到。
本发明的原理为：刀具结构采用三层复合结构，刀具芯部材料选用高硬度的高碳马氏体不锈钢以保证刀具的刚度，在高碳高铬不锈钢芯层两边包覆高塑性的中、低碳马氏体不锈钢，通过综合芯部高硬度与表面层高塑性，并利用多层复合材料界面的增强作用，获得韧性远远超过各组分材料的不锈钢刀。在充分发挥多层复合结构高韧性的基础上，通过采用特殊的刃口强化工艺提高刃口的硬度，从而获得更高的刃口硬度，使本发明方法制备的不锈钢刀具表现出优异的综合力学性能。
利用本发明的方法制备出的不锈钢刀的抗弯强度比单材质马氏体不锈钢刀具提高9倍以上，断裂挠度比单材质高碳马氏体不锈钢刀提高11倍以上；具有很好的韧性，保证了刀具使用的可靠性。利用本发明的方法制备出的不锈钢刀的刃口硬度达到1100～1800HV(940HV相当于68HRC)，而单材质高碳马氏体不锈钢9Cr18MoV热处理后的硬度为58～60HRC；本发明制备的不锈钢刀兼具高韧性和高刃口硬度，表现出优异的综合力学性能。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的刀具采用三层复合结构，利用复合层界面强化效应提高刀具韧性，而单材质不锈钢刀的韧性对材料的成分和组织非常敏感，因此，本发明克服了材料成分与组织对不锈钢刀具韧性的影响，降低了合金冶炼与加工的工艺难度；
(2)本发明在采用三层复合结构保证刀具韧性的前提下，用刃口强化工艺显著提高刀具刃口的硬度。而采用单材质不锈钢材料制备刀具时，随着使用的不锈钢材料硬度的提高，刀的塑性和韧性降低，从而影响刀具使用的可靠性；本发明有效地解决了刃口硬度与刀具韧性之间的矛盾，使刀具兼具高的韧性和高的刃口硬度；
(3)传统的三层复合不锈钢材料虽然具有较高的韧性，但刀具芯部材料硬度与单材质高碳马氏体不锈钢钢相当，刀具的综合性能不理想。本发明采用三层复合结构并结合刃口强化处理，既显著提高了不锈钢刀的韧性又提高了刃口的硬度，从而得到兼有高韧性和高刃口硬度的具有优异综合性能的马氏体不锈钢刀。
附图说明
图1为本发明高韧性和高刃口硬度不锈钢刀的结构示意图。
图2为实施例1中用浇注复合方法制备的刀具复合结构显微组织结构图。
图3为实施例1中经氮化处理后所得氮化层的金相组织结构图。
图4为实施例1中经淬火、回火处理后所得刀具的基体组织结构图。
图5为实施例1中所得不锈钢刀具拉伸断口的微观形貌TEM图。
图6为实施例2中用轧制复合方法制备的刀具复合结构显微组织结构图。
图7为实施例2中中经渗硼处理后所得渗硼层的金相组织结构图。
图8为实施例3中用爆炸复合方法制备的刀具复合结构显微组织结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种超高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)用分层浇注复合方法制备具有三层复合结构的刀具，刀的芯层用9Cr18MoV，两面各加一层2Cr13；复合结构刀具的显微组织结构图见图2。
(2)对刀的刃口进行氮化处理；氮化层金相组织结构见图3。
(3)将刀具进行1100℃淬火、200℃回火热处理，即得到本实施例的高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。
根据国家标准GB/T 232-2010《金属材料弯曲试验方法》，采用三点弯曲法测得刀具的抗弯强度为18047MPa、断裂挠度为51.84mm，单材质9Cr18MoV合金的抗弯强度为1929MPa，断裂挠度为4.4mm。本实施例制备的不锈钢刀的抗弯强度比单材质9Cr18MoV钢刀高9.36倍，断裂挠度比9Cr18MoV钢刀高11.78倍，表现出优异的韧性。经检测，本实施例制备的不锈钢刀刃口硬度1100HV、外层2Cr13合金层硬度为438HV，相当于44HRC。淬火、回火后刀具基体组织见图4；图5是本实施例所得不锈钢刀具拉伸断口的微观形貌TEM图，可以看出，本发明的不锈钢刀具拉伸断口呈现出典型的塑性断裂断口特征，断口的微观形貌主要由韧窝组成。
实施例2
本实施例的一种超高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)用轧制复合方法制备具有三层复合结构的刀具，刀具的芯层用7Cr17MoV，两面各加一层4Cr13；复合结构显微组织见图6。
(2)对刀的刃口进行渗硼化处理；渗硼层组织见图7。
(3)将刀具进行950℃淬火、200℃回火热处理，即得到高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。
根据国家标准GB/T 232-2010《金属材料弯曲试验方法》，采用三点弯曲法测得刀具的抗弯强度为18500MPa、断裂挠度为50.10mm，单材质9Cr18MoV钢刀的抗弯强度为1929MPa，断裂挠度为4.4mm。本实施例制备的马氏体不锈钢刀的抗弯强度比单材质9Cr18MoV钢刀高9.59倍，断裂挠度比9Cr18MoV钢刀高11.38倍，表现出优异的韧性。经检测，本实施例制备的不锈钢刀刃口硬度1800HV、外层4Cr13合金层硬度为547HV，相当于50HRC。
实施例3
本实施例的一种超高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)用爆炸复合方法制备具有三层复合结构的刀具，刀具的芯层用9Cr18MoV，两面各加一层3Cr13；复合结构显微组织见图8。
(2)对刀的刃口进行渗硼处理。
(3)将刀具进行1050℃淬火、180℃回火热处理，即得到高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。
根据国家标准GB/T 232-2010《金属材料弯曲试验方法》，采用三点弯曲法测得刀具的抗弯强度为17850MPa、断裂挠度为49.10mm，单材质9Cr18MoV钢刀的抗弯强度为1929MPa、断裂挠度为4.4mm。本实施例制备的马氏体不锈钢刀具的抗弯强度比单材质9Cr18MoV钢刀高9.25倍，断裂挠度比9Cr18MoV钢刀高11.16倍，表现出优异的韧性。经检测，本实施例制备的不锈钢刀刃口硬度1600HV、外层3Cr13合金层硬度为486HV，相当于48HRC。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)制备具有三层复合结构的刀具，刀具的芯层用高硬度不锈钢，两面各加一层高塑性不锈钢；所述高硬度不锈钢为7Cr17型或9Cr18型高碳不锈钢，所述高塑性不锈钢为Cr13型不锈钢；
(2)对刀具的刃口进行强化处理；
(3)将刀具进行热处理，得到所述高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述三层复合结构采用爆炸复合方法、轧制复合方法或分层浇注复合方法形成。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述高硬度不锈钢为7Cr17MoV或9Cr18MoV不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述高塑性不锈钢为2Cr13、3Cr13或4Cr13不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述强化处理是指氮化处理或渗硼处理。
6.根据权利要求1所述的一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述热处理是指经950～1100℃淬火和180～200℃回火热处理。
7.一种高韧性和高刃口硬度的不锈钢刀，其特征在于：通过权利要求1～6任一项所述的方法制备得到。
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