CN110170605A - 刀具及其复合材料以及该复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种刀具及其复合材料以及该复合材料的制备方法，其制备方法包括：备料；对复合层的结合面进行表面处理；将芯层与复合层紧贴并密封成待加工体；将待加工体加热至复合熔接温度时，轻轻敲击待加工体的复合层的表面；在复合锻造温度时将待加工体进行变形处理；将变形处理后的待加工体进行热处理。其复合材料根据该制备方法制得，其刀具根据该复合材料制得。本发明的制备方法解决不锈钢与碳素钢结合困难的问题，其制备方法所得的复合材料具有优良的防锈功能，并具有较大的硬度和韧性，其通过使用该复合材料制得的刀具具有优良的防锈功能，同时刃口的硬度较大，刀体的韧性较好，刃口不易产生缺口，以及卷刃，且复磨性良好，方便用户使用。

Description

刀具及其复合材料以及该复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及刀具材料领域，特别是涉及到一种刀具及其复合材料以及该复合材料的制备方法。

背景技术

刀具是生活中最常用和使用量巨大的用品之一，普通碳钢刀容易生锈，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。而不锈钢刀虽然具有优良的耐蚀性，但其复磨性较差，且硬度不够，容易卷刃。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种刀具及其复合材料以及该复合材料的制备方法，其制备方法解决不锈钢与碳素钢结合困难的问题，其制备方法所制得的复合材料具有优良的防锈功能，并具有较大的硬度和韧性，其通过使用该复合材料制得的刀具具有优良的防锈功能，同时刃口的硬度较大，刀体的韧性较好，刃口不易产生缺口，以及卷刃，且复磨性良好，方便用户使用。

为了实现上述发明目的，本发明提出一种用于刀具的复合材料的制备方法，包括：

备料，包括准备芯层以及复合在所述芯层两面的复合层，所述芯层为碳素钢材料，所述复合层为不锈钢材料，所述芯层的结合面与复合层的结合面相适应；

对所述复合层的结合面进行表面处理，以破坏所述复合层的结合面形成的氧化膜；

将所述芯层与所述复合层沿对应的结合面紧贴为待加工体并控制所述芯层与所述复合层的结合面之间的氧气含量；

将所述待加工体加热至复合熔接温度，使所述芯层与所述复合层融合；

当所述待加工体降温至复合锻造温度时，将所述待加工体进行变形处理；

将变形处理后的所述待加工体进行热处理，得到所述用于刀具的复合材料。

进一步地，在将待加工体加热至复合熔接温度步骤中，还包括：

轻轻敲击待加工体的复合层的表面，使芯层与复合层初步锻合。

进一步地，在将芯层与复合层沿对应的结合面紧贴为待加工体并控制芯层与复合层的结合面之间的氧气含量步骤中，通过将芯层与复合层的结合面之间密封以控制芯层与复合层的结合面之间的氧气含量。

进一步地，所述对复合层的结合面进行表面处理，以破坏复合层的结合面形成氧化膜步骤中，还包括：

对芯层的结合面进行表面处理，以去除芯层的结合面上的表面杂质。

进一步地，所述备料，包括准备芯层以及复合在所述芯层两面的复合层，所述芯层为碳素钢板材，所述复合层为不锈钢板材步骤中，所述碳素钢为高碳钢。

进一步地，所述备料，包括准备芯层以及复合在所述芯层两面的复合层，所述芯层为碳素钢板材，所述复合层为不锈钢板材步骤中，所述不锈钢为300系列不锈钢或者400系列不锈钢。

进一步地，当所述芯层的材料为T12A，所述复合层的材料为420J2时，所述复合熔接温度为1340-1360℃，所述复合锻造温度为800-1200℃。

进一步地，包括：所述变形处理通过锻造方法或轧制方法实现。

本发明还提出一种用于刀具的复合材料，所述复合材料通过上述的方法制备得到。

本发明还提出一种刀具，所述刀具使用上述的复合材料制成。

本发明的有益效果：

本发明的刀具及其复合材料以及该复合材料的制备方法，其制备方法通过将不锈钢的氧化膜去除解决不锈钢与碳素钢结合困难的问题；通过芯层与复合层的紧贴以及控制芯层与复合层之间的氧气含量，防止高温氧化腐蚀破坏芯层与复合层的结合；通过将待加工体加热至复合熔接温度使芯层与复合层之间融合；通过在复合锻造温度时将待加工体进行变形处理，得到想要的复合材料形状，且还可使芯层和复合层的融合更加充分，使芯层和复合层的融合更加稳定，有利于提高待加工体的整体结构强度，并进一步提高材料强度；通过将待加工体进行热处理，使待加工体的材料性能得到进一步的提升，最终得到用于刀具的复合材料。其制备方法所制得的复合材料具有优良的防锈功能，并具有较大的硬度和韧性，其通过使用该复合材料制得的刀具具有优良的防锈功能，同时刃口处的硬度较大，刃口两侧的复合层的韧性较大，刃口不易产生缺口，以及卷刃，使刀具整体既具有较大的硬度又具有较好的韧性，有利于提高刀具的使用寿命，而芯层为碳素钢材料，刃口的复磨性较好，当刃口较钝时，用户磨刀时可较为省力，方便用户使用，并且在使用时用户的切割手感较好，有利于用户体验。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于刀具的复合材料的制备方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的待加工体的整体结构示意图；

图3为本发明一实施例的待加工体的分解结构示意图；

图4为本发明一实施例的刀具的剖面示意图；

图5为本发明一实施例的刀具的结构示意图。

附图标记说明：

1、芯层；2、复合层；3、结合面；4、第一渗透层；5、第二渗透层。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明的至少一实施例提供一种用于刀具的复合材料的制备方法，包括：

S1、备料，包括准备芯层以及复合在所述芯层两面的复合层，所述芯层为碳素钢材料，所述复合层为不锈钢材料，所述芯层的结合面与复合层的结合面相适应；

S2、对复合层的结合面进行表面处理，以破坏复合层的结合面形成的氧化膜；

S3、将芯层与复合层沿对应的结合面紧贴为待加工体并控制芯层与复合层的结合面之间的氧气含量；

S4、将待加工体加热至复合熔接温度，使芯层与复合层融合；

S5、当待加工体降温至复合锻造温度时，将待加工体进行变形处理；

S6、将变形处理后的待加工体进行热处理，得到用于刀具的复合材料。

其中，S1步骤中，芯层为碳素钢材料，碳素钢材料价格相对较低，且加工工艺性能好，具有优良的复磨性，切割手感好，其碳素钢材料根据需要可以为低碳钢、中碳钢或者高碳钢，优选的，为使刃口的硬度较高，芯层的材料为高碳钢材料，其高碳钢材料优选为T12A；复合层的不锈钢材料为300系列不锈钢或者400系列不锈钢，优选为400系列的420J2。芯层与复合层的结合面的形状根据实际需要设置，优选的，参照图2和图3，为方便加工，结合面处的截面形状为直线状，芯层与复合层可为毛坯状态，也可为加工后的状态。

在一实施例中，芯层与复合层为毛坯状态，此时，需要对毛坯状态的芯层与复合层进行处理，将芯层与复合层的结合面所对应的毛坯面进行杂质以及氧化层等物质去除，同时使芯层与复合层的结合面可相互贴合适应，当结合面的截面设置为直线状时，通过磨削加工，或者线切割加工，或者铣床加工，将芯层与复合层的结合面所对应的毛坯面磨平形成平面，以方便芯层与复合层的结合面相互贴合，结合面的粗糙度尽量小，当粗糙度越小时，二者的结合面越贴合，优选的，结合面的粗糙度小于Ra1.6，在一实施例中，结合面的粗糙度为Ra0.8。当芯层与复合层复合的两结合面中其中一面的结合面的截面设置为非直线状时，如截面设置为波浪状、方波状、锯齿状或者不规则形状时，可以通过线切割或者铣床加工等方式进行加工，相应的，另一结合面进行相适应设置以及加工，以使两结合面贴合。

S2步骤中，复合层中的不锈钢材料的铬容易与空气中的氧发生氧化反应生成Cr2O3氧化膜，在对芯层和复合层的毛坯面进行处理后，复合层的不锈钢材料在高温加热中，会与氧发生反应，生成含有大量NIO、CrO、Cr2O3，以及十分难溶的Feo·Cr2O3的致密氧化膜，其氧化膜会阻碍芯层的碳素钢与复合层的不锈钢在高温时的复合，导致复合失败，因此需要对复合层的结合面进行表面处理，破坏复合层的结合面形成氧化膜。可以在芯层与复合层的结合面之间填充石墨粉，在加热至一定温度时利用碳热还原反应将Cr2O3氧化膜破坏，以使芯层与复合层之间不受该氧化膜的阻碍而顺利复合，当然也可采用化学方式去除氧化膜，如采用Na2B4O7·10H2O及硝酸盐等物质，其残余物质在加工时通过特殊的锻造工艺去除，在此不做具体说明。此外，由于在对芯层和复合层的毛坯面进行处理后，芯层的结合面处容易存在杂质影响芯层和复合层的复合成功率，因此，还需对芯层的结合面进行表面处理，以去除表面杂质，提高复合成功率。

S3步骤中，在进行S2步骤后，为实现芯层与复合层的复合，需要将芯层和复合层作为整体，以为后续芯层复合层在高温环境下融合形成复合材料，此时芯层和复合层沿对应的结合面贴合，而在将芯层和复合层贴合时，容易将空气带入其中，因此，需要使芯层和复合层的结合面紧贴，使其整体成为待加工体，以将空气排出，防止氧化，破坏芯层与复合层的结合，并控制芯层和复合层之间的氧气含量，使氧气含量在可控的范围，防止芯层与复合层之间发生氧化反应，影响芯层与复合层的融合，其氧气含量越小，则芯层与复合层与氧发生氧化反应的能力越弱，相应的，复合材料制备成型的成功率则越大。在至少一个实施例中，将氧气含量控制在10％以下，优选的，将氧气含量控制在百分之五以下。在至少一个实施例中，通过将芯层与复合层的结合面密封以实现芯层和复合层之间的氧气含量在允许的范围内，此时，密封中的氧气含量较小，且后续基本无氧气进入到密封空间中，可防止常温情况下的氧化反应以及高温时发生高温氧化反应。在至少一个实施例中，还可通过将整个待加工体置于真空环境中进行加工以控制芯层和复合层之间的氧气含量，包括后续的加热、变形等步骤均在真空环境中进行。优选的，为节约成本和方便操作，在至少一个实施例中，芯层与复合层的结合面的边缘均进行密封设置，防止空气从两结合面之间的缝隙中进入。进一步地，在至少一个实施例中，通过焊接方式将芯层与复合层焊接实现芯层与复合层的固定与密封，防止芯层与复合层相对运动并防止空气进入到两结合面之间发生氧化反应。

S4步骤中，在将芯层与复合层紧贴密封成待加工体后，将待加工体进行加热，使待加工体在复合熔接温度进行芯层与复合层融合，复合熔接温度根据芯层材料与复合层材料各自的熔接温度确定，取二者所重叠的熔接温度范围作为复合熔接温度的温度范围，其熔接温度通常为材料的50％以上熔点温度，优选为80％以上熔点温度。

在至少一个实施例中，芯层材料为T12A，T12A的熔点温度为1400℃左右，优选熔接温度为1200-1380℃；复合层材料为420J2，其国标牌号为30Cr13钢，420J2的熔点为1500℃左右，优选熔接温度为1200-1400℃，因此复合熔接温度为1200-1380℃，当然，以上范围均可以有适当波动。进一步优选的，复合熔接温度为1340-1360℃，进一步地，复合熔接温度设为1350℃，此时芯层和复合层的融合较好，复合材料制成的成功率较大。

当加热至复合熔接温度时，芯层和复合层的材料变软并流动，芯层和复合层的结合面处融合，此时为初步融合，尚未充分融合，需要敲击复合层的表面，以促进芯层与复合层初步锻合，使芯层与复合层之间的相互连接固定更加稳定及紧密，并为待加工体的变形提供良好的变形基础，防止变形时芯层与复合层的结合不充分而导致后续材料制备失败，提高材料的制备成功率。而此时该复合熔接温度略低于芯层及复合层材料的熔点温度，芯层和复合层的强度比常温状态低，处于较脆状态，不宜大力敲击，因此，需要轻轻敲击，防止芯层以及复合层碎裂，进一步地，均匀敲击在复合层的表面上，使复合层表面均匀受力，以使复合层与芯层均匀并充分融合。

而后至S5步骤，此时待加工体降温，当降温至复合锻造温度时，将待加工体进行变形处理。该复合锻造温度以复合层材料的锻造温度为准，如在一实施例中，复合层的材料为420J2，其锻造温度为800-1200℃，则相应的，复合锻造温度为800-1200℃，其400系列中，复合锻造温度基本为800-1200℃；当复合层的材料为300系列不锈钢时，复合锻造温度基本为900-1200℃，如304钢，其国标牌号为0Cr18Ni9，其复合锻造温度为900-1200℃。通常来说，只要待加工体发红即可以变形，通常为800度以上，复合熔接温度以下，都可以，只是效率问题。

在进行待加工体的变形处理时，可以通过锻造方法或轧制方法实现，在一实施例中，对待加工体进行锻造处理，由于在一实施例的复合材料用于刀具，因此，将待加工体锻造变形成片状，以方便后续刀具的制备。当然，若该复合材料用于制备其他形状的产品，则相应处理为方便后续该产品加工的形状。此外，通过变形处理，可以进一步使芯层和复合层的融合更加充分，使芯层和复合层的融合更加稳定，有利于提高待加工体的整体结构强度，并进一步提高材料强度。

在S5步骤后，则进行S6步骤，将变形处理的待加工体进行热处理，该热处理为常规热处理，包括正火调质、淬火、回火、冷处理。其中，以800℃正火两次；850℃水淬一次；180℃回火保温两小时，三次；最后一次回火，而后直接放进固体二氧化碳保温箱中等其冷却至常温。至此，得到用于刀具的复合材料。

通过S1至S6步骤的制备方法所制得的复合材料具有优良的防锈功能，其外层韧性较好，中间层硬度较大，具有较强的硬度和韧性，有利于后续刀具加工，且由该材料制成的刀具的整体性能较好。

当制得复合材料后，进行刀具的加工，则需要对片状的待加工体进行切型，将其切割为适应刀具加工的待加工毛坯，该待加工毛坯为方形，而后进行磨加工或者进行冷锻调直，将待加工体处理平直以符合刀身平直的要求，并磨成刀具形状。当然也可以在步骤S5进行变形处理时将复合材料进行切型以及调直，在一实施例中，在步骤S5中的锻造处理过程中，将待加工体切割为适应刀具加工的待加工毛坯，再将复合材料调直，而后在热处理后将待加工毛坯的一侧磨成刃口，并形成刀具。

参照图4和图5，图4为在一实施例刀具的截面示意图，图5为刀具的整体结构示意图，通过酸洗暴露刀具刃口处的材料结构。在图4中，刀具材料为上述的复合材料，保留着芯层和复合层，其芯层为T12A材料，复合层为420J2材料，其芯层作为刀刃，在加工时，将待加工毛坯下端的复合层磨去并露出芯层，将刀具中芯层的下端磨为刃口，复合层相应进行磨加工处理形成斜面，整体与芯层形成刀具形状。刀具下端刃口处，芯层与复合层质之间的第一渗透层和第二渗透层为在在一实施例的步骤S5的锻造处理过程中形成的，其中，第一渗透层为渗碳层，第二渗透层为渗铬层，主要在于复合层为420J2材料为马氏体材料，其融碳能力较差，碳成分容易流失，芯层与复合层结合处的T12A材料的碳成分与420J2材料的碳成分在高温融合过程中发生流动并进行交换，此时420J2材料的30Cr13随碳成分的流动而变得不稳定，相应的，Cr成分在碳成分的交换过程中随之过渡交换替换原来的碳成分形成新的物质，并在芯层与复合层结合处靠近芯层的位置形成第二渗透层，与之相应的，芯层的碳成分替换原来的Cr成分，并在芯层与复合层结合处靠近复合层的位置形成第一渗透层。此外，当复合层材料为300系列的304不锈钢时，芯层与复合层的结合处界限分明，主要在于300系列为奥氏体材料，其融碳能力较强，碳成分不易流失，其整体材料成分较为稳定，Cr成分流入到靠近芯层处，则此时不会形成类似400系列不锈钢的具有两层渗透层的情况，因而使得芯层与复合层的结合处界限分明，而此时，相对来说，芯层与300系列不锈钢材料的复合层结合由于相互之间成分交换不多，因此，其硬度更好，更加耐用。

在一实施例所形成的刀具，其第一渗透层和第二渗透层形成特别的花纹，增强刀具的美观性，同时该刀具具有防锈的作用，而刃口处的硬度较大，刃口两侧的复合层的韧性较大，使刀具整体既具有较大的硬度又具有较好的韧性，有利于提高刀具的使用寿命，而芯层为碳素钢材料，刃口的复磨性较好，当刃口较钝时，用户磨刀时可较为省力，方便用户使用，并且在使用时用户的切割手感较好，有利于用户体验。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

备料，包括准备芯层以及复合在所述芯层两面的复合层，所述芯层为碳素钢材料，所述复合层为不锈钢材料，所述芯层的结合面与复合层的结合面相适应；

对所述复合层的结合面进行表面处理，以破坏所述复合层的结合面形成的氧化膜；

将所述芯层与所述复合层沿对应的结合面紧贴为待加工体并控制所述芯层与所述复合层的结合面之间的氧气含量；

将所述待加工体加热至复合熔接温度，使所述芯层与所述复合层融合；

当所述待加工体降温至复合锻造温度时，将所述待加工体进行变形处理；

将变形处理后的所述待加工体进行热处理，得到所述用于刀具的复合材料。

2.根据权利要求1所述的用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，在将待加工体加热至复合熔接温度步骤中，还包括：

轻轻敲击待加工体的复合层的表面，使芯层与复合层初步锻合。

3.根据权利要求1或2所述的用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，在将芯层与复合层沿对应的结合面紧贴为待加工体并控制芯层与复合层的结合面之间的氧气含量步骤中，通过将芯层与复合层的结合面之间密封以控制芯层与复合层的结合面之间的氧气含量。

4.根据权利要求1或2所述的用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，所述对复合层的结合面进行表面处理，以破坏复合层的结合面形成氧化膜步骤中，还包括：

对芯层的结合面进行表面处理，以去除芯层的结合面上的表面杂质。

5.根据权利要求1所述的用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，所述备料，包括准备芯层以及复合在所述芯层两面的复合层，所述芯层为碳素钢板材，所述复合层为不锈钢板材步骤中，所述碳素钢为高碳钢。

6.根据权利要求1或2所述的用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，所述备料，包括准备芯层以及复合在所述芯层两面的复合层，所述芯层为碳素钢板材，所述复合层为不锈钢板材步骤中，所述不锈钢为300系列不锈钢或者400系列不锈钢。

7.根据权利要求1所述的用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，当所述芯层的材料为T12A，所述复合层的材料为420J2时，所述复合熔接温度为1340-1360℃，所述复合锻造温度为800-1200℃。

8.根据权利要求5所述的用于刀具的复合材料的制备方法，其特征在于，包括：所述变形处理通过锻造方法或轧制方法实现。

9.一种用于刀具的复合材料，其特征在于，所述复合材料通过权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。

10.一种刀具，其特征在于，所述刀具使用权利要求9所述的复合材料制成。