CN112359321A - 一种厨房刀具及刀具硬质薄膜的成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厨房刀具及刀具硬质薄膜的成型方法，涉及刀具加工技术领域，所述厨房刀具包括硬质合金刀具和沉积在硬质合金刀具表面的硬质薄膜，所述硬质薄膜由内向外依次为TiY连接层、TiYN过渡层、VC梯度层、DLC装饰层。本发明制备的硬质薄膜与刀具表层之间的结合强度高，并兼具优良的硬度与韧性，可以有效地改善刀具的耐磨性能，提高刀具的综合机械性能，同时解决刀具在使用过程中出现薄膜脱落的问题，从而保证刀具的使用效果和延长刀具的使用寿命。

Description

一种厨房刀具及刀具硬质薄膜的成型方法
技术领域：
本发明涉及刀具加工技术领域，具体涉及一种厨房刀具及刀具硬质薄膜的成型方法。
背景技术：
由于硬质合金兼具良好的硬度和耐磨性，并可以加工成各种形状的刀具，因此硬质合金属于制备刀具的理想材料。但硬质合金的高硬度特性使刀具的磨损加快，从而降低耐用度。并且存在抗弯强度低、冲击韧性差、脆性大的问题，从而影响刀具的使用寿命。
对刀具进行涂层处理是优化刀具使用性能和延长刀具使用寿命的重要途径之一。TiN涂层是本领域应用最早的刀具涂层材料，人们在TiN涂层的基础上还开发出性能更好的TiAlN、CrAlN、TiCN、TiSiN等刀具涂层。研究发现，将两种或两种以上不同材料相互交替沉积形成的多层结构具有基体材料和单一涂层难以达到的特殊性能，从而适用于一些特殊场合的应用。
专利CN 102586734A公开了一种制备TiAlN/Ta多层膜刀具涂层的方法，在刀具基体上依次交替沉积TiAlN层和Ta层，TiAlN/Ta涂层与刀具基体之间沉积过渡层，过渡层为TiAl或Cr。虽然该专利通过气相沉积技术在刀具表面沉积TiAlN和Ta组成的多层结构涂层，获得高硬度、优良的抗氧化性能，但加工操作较繁琐，需要多次交替沉积TiAlN层和Ta层，这样一来就会大大增加加工成本和延长加工周期。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种厨房刀具及刀具硬质薄膜的成型方法，利用硬质薄膜在刀具上的形成来优化刀具的使用效果，并且延长刀具的使用寿命。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种厨房刀具，包括硬质合金刀具和沉积在硬质合金刀具表面的硬质薄膜，所述硬质薄膜由内向外依次为TiY连接层、TiYN过渡层、VC梯度层、DLC装饰层。
所述硬质薄膜的厚度为2-4μm。
上述硬质薄膜的成型方法，包括以下成型步骤：
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干；
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空后开启离子源，通入氩气，对刀具进行溅射清洗；
(3)通入氩气，开启TiY合金靶，在经清洗后的刀具表面沉积TiY连接层；
(4)通入氩气和氮气，开启TiY合金靶，在TiY连接层上沉积TiYN过渡层；
(5)通入氩气和乙炔，开启V靶，在TiYN过渡层上沉积VC梯度层；
(6)通入氩气和乙炔，在VC梯度层上沉积DLC装饰层。
所述步骤(2)中的清洗时间为5-20min。
所述步骤(3)中的沉积时间为5-20min。
所述步骤(3)中TiY合金靶的原子配比为80-90:10-20。
所述步骤(4)中的沉积时间为10-30min，氩气和氮气的流量比为10-20:80-90。
所述步骤(4)中TiY合金靶的原子配比为80-90:10-20。
所述步骤(5)中的沉积时间为10-30min，氩气和乙炔的流量比为10-20:80-90。
所述步骤(6)中的沉积时间为30-90min，氩气和乙炔的流量比为10-20:80-90。
本发明在连接层和过渡层中引入元素钇，钇属于稀土金属，通过其少量添加来优化薄膜的综合应用性能。以碳化钒作为梯度层，钒属于VB族金属，可以降低内应力，改善薄膜的韧性。以DLC作为装饰层，光泽度好，摩擦系数小，可以减少磨损。并且，连接层与刀具之间、过渡层与连接层之间、梯度层与过渡层之间、装饰层与梯度层之间的结合强度高，复合性好。
上述技术方案虽然可以在刀具上制得综合性能优良的硬质薄膜，但稀土金属钇相对来说价格较高，为了降低加工成本，本发明还在连接层和过渡层中添加了价格相对较便宜的金属钡，通过钡的添加来降低钇的用量，并最大限度地保证所制硬质薄膜的综合性能。
一种厨房刀具，包括硬质合金刀具和沉积在硬质合金刀具表面的硬质薄膜，所述硬质薄膜由内向外依次为TiBaY连接层、TiBaYN过渡层、VC梯度层、DLC装饰层。
所述硬质薄膜的厚度为2-4μm。
上述硬质薄膜的成型方法，包括以下成型步骤：
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干；
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空后开启离子源，通入氩气，对刀具进行溅射清洗；
(3)通入氩气，开启TiBaY合金靶，在经清洗后的刀具表面沉积TiBaY连接层；
(4)通入氩气和氮气，开启TiBaY合金靶，在TiBaY连接层上沉积TiBaYN过渡层；
(5)通入氩气和乙炔，开启V靶，在TiBaYN过渡层上沉积VC梯度层；
(6)通入氩气和乙炔，在VC梯度层上沉积DLC装饰层。
所述步骤(2)中的清洗时间为5-20min。
所述步骤(3)中的沉积时间为5-20min。
所述步骤(3)中TiBaY合金靶的原子配比为80-90:9-15:1-5。
所述步骤(4)中的沉积时间为10-30min，氩气和氮气的流量比为10-20:80-90。
所述步骤(4)中TiBaY合金靶的原子配比为80-90:9-15:1-5。
所述步骤(5)中的沉积时间为10-30min，氩气和乙炔的流量比为10-20:80-90。
所述步骤(6)中的沉积时间为30-90min，氩气和乙炔的流量比为10-20:80-90。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用磁控溅射技术，沉积速率高，刀具温升较低，得到厚度均匀、成分均匀、附着力强的硬质薄膜。
(2)本发明以硬质合金刀具作为基体，采用TiY(钛钇)/TiYN(氮化钛钇)/VC(碳化钒)/DLC(类金刚石碳)的薄膜结构，制备的硬质薄膜与刀具表层之间的结合强度高，并兼具优良的硬度与韧性，可以有效地改善刀具的耐磨性能，提高刀具的综合机械性能，同时解决刀具在使用过程中出现薄膜脱落的问题，从而保证刀具的使用效果和延长刀具的使用寿命。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干。
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空至10-3Pa后开启离子源，通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，对刀具进行溅射清洗15min。
(3)通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流15A，在经清洗后的刀具表面沉积TiY连接层，沉积时间为10min。
(4)通入氩气和氮气，氩气和氮气的流量比为15:85，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流20A，在TiY连接层上沉积TiYN过渡层，沉积时间为15min。
(5)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启V靶，电流20A，在TiYN过渡层上沉积VC梯度层，沉积时间为30min。
(6)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，电流25A，在VC梯度层上沉积DLC装饰层，沉积时间为45min。
上述步骤(3)和步骤(4)中TiY合金靶的原子配比为85:15。
实施例2
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干。
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空至10-3Pa后开启离子源，通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，对刀具进行溅射清洗15min。
(3)通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流15A，在经清洗后的刀具表面沉积TiY连接层，沉积时间为15min。
(4)通入氩气和氮气，氩气和氮气的流量比为15:85，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流20A，在TiY连接层上沉积TiYN过渡层，沉积时间为15min。
(5)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启V靶，电流20A，在TiYN过渡层上沉积VC梯度层，沉积时间为20min。
(6)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，电流25A，在VC梯度层上沉积DLC装饰层，沉积时间为60min。
上述步骤(3)和步骤(4)中TiY合金靶的原子配比为85:15。
实施例3
实施例3的硬质薄膜成型方法同实施例1，不同之处是TiY合金靶的原子配比不同。
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干。
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空至10-3Pa后开启离子源，通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，对刀具进行溅射清洗15min。
(3)通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流15A，在经清洗后的刀具表面沉积TiY连接层，沉积时间为10min。
(4)通入氩气和氮气，氩气和氮气的流量比为15:85，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流20A，在TiY连接层上沉积TiYN过渡层，沉积时间为15min。
(5)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启V靶，电流20A，在TiYN过渡层上沉积VC梯度层，沉积时间为30min。
(6)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，电流25A，在VC梯度层上沉积DLC装饰层，沉积时间为45min。
上述步骤(3)和步骤(4)中TiY合金靶的原子配比为90:10。
实施例4
实施例4的硬质薄膜成型方法同实施例1，不同之处是将TiY合金靶替换为TiBaY合金靶。
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干。
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空至10-3Pa后开启离子源，通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，对刀具进行溅射清洗15min。
(3)通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiBaY合金靶，电流15A，在经清洗后的刀具表面沉积TiBaY连接层，沉积时间为10min。
(4)通入氩气和氮气，氩气和氮气的流量比为15:85，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiBaY合金靶，电流20A，在TiBaY连接层上沉积TiBaYN过渡层，沉积时间为15min。
(5)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启V靶，电流20A，在TiBaYN过渡层上沉积VC梯度层，沉积时间为30min。
(6)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，电流25A，在VC梯度层上沉积DLC装饰层，沉积时间为45min。
上述步骤(3)和步骤(4)中TiBaY合金靶的原子配比为85:10:5。
对比例1
对比例1的硬质薄膜成型方法同实施例1，不同之处是未添加金属元素Y。
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干。
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空至10-3Pa后开启离子源，通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，对刀具进行溅射清洗15min。
(3)通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启Ti靶，电流15A，在经清洗后的刀具表面沉积Ti连接层，沉积时间为10min。
(4)通入氩气和氮气，氩气和氮气的流量比为15:85，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启Ti靶，电流20A，在Ti连接层上沉积TiN过渡层，沉积时间为15min。
(5)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启V靶，电流20A，在TiN过渡层上沉积VC梯度层，沉积时间为30min。
(6)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，电流25A，在VC梯度层上沉积DLC装饰层，沉积时间为45min。
对比例2
对比例1的硬质薄膜成型方法同实施例1，不同之处是将V靶改为W靶。
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干。
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空至10-3Pa后开启离子源，通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，对刀具进行溅射清洗15min。
(3)通入氩气，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流15A，在经清洗后的刀具表面沉积TiY连接层，沉积时间为10min。
(4)通入氩气和氮气，氩气和氮气的流量比为15:85，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启TiY合金靶，电流20A，在TiY连接层上沉积TiYN过渡层，沉积时间为15min。
(5)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，开启W靶，电流20A，在TiYN过渡层上沉积WC梯度层，沉积时间为30min。
(6)通入氩气和乙炔，氩气和乙炔的流量比为10:90，真空度在0.5Pa，基体直流偏压120V，电流25A，在WC梯度层上沉积DLC装饰层，沉积时间为45min。
上述步骤(3)和步骤(4)中TiY合金靶的原子配比为85:15。
上述实施例和对比例中连接层的厚度为350nm，过渡层的厚度为530nm，梯度层的厚度为480nm，装饰层的厚度为560nm。
测定上述所制硬质薄膜的硬度、弹性模量、与刀具之间的结合力，结果如表1所示。
表1
硬度/GPa 弹性模量/GPa 结合力/N
测试方法 GB/T 17394.1-2014 GB/T 22315-2008 RTEC划痕仪
实施例1 35.8 575.8 133
实施例2 36.9 581.4 138
实施例3 32.3 510.2 116
实施例4 35.2 572.5 130
对比例1 27.0 438.6 99
对比例2 29.4 454.3 107
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种厨房刀具，其特征在于：包括硬质合金刀具和沉积在硬质合金刀具表面的硬质薄膜，所述硬质薄膜由内向外依次为TiY连接层、TiYN过渡层、VC梯度层、DLC装饰层。
2.根据权利要求1所述的厨房刀具，其特征在于：所述硬质薄膜的厚度为2-4μm。
3.权利要求1所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：包括以下成型步骤：
(1)先利用丙酮对刀具进行去油清洗，再利用酸液去除刀具表面的氧化层，并利用去离子水冲洗，然后利用无水乙醇脱水，最后用氩气吹干；
(2)将经清洗后的刀具放入非平衡磁控溅射离子镀膜设备中并固定在工件架上，抽真空后开启离子源，通入氩气，对刀具进行溅射清洗；
(3)通入氩气，开启TiY合金靶，在经清洗后的刀具表面沉积TiY连接层；
(4)通入氩气和氮气，开启TiY合金靶，在TiY连接层上沉积TiYN过渡层；
(5)通入氩气和乙炔，开启V靶，在TiYN过渡层上沉积VC梯度层；
(6)通入氩气和乙炔，在VC梯度层上沉积DLC装饰层。
4.根据权利要求3所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：所述步骤(2)中的清洗时间为5-20min。
5.根据权利要求3所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：所述步骤(3)中的沉积时间为5-20min。
6.根据权利要求3所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：所述步骤(3)中TiY合金靶的原子配比为80-90:10-20。
7.根据权利要求3所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：所述步骤(4)中的沉积时间为10-30min，氩气和氮气的流量比为10-20:80-90。
8.根据权利要求3所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：所述步骤(4)中TiY合金靶的原子配比为80-90:10-20。
9.根据权利要求3所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：所述步骤(5)中的沉积时间为10-30min，氩气和乙炔的流量比为10-20:80-90。
10.根据权利要求3所述的硬质薄膜的成型方法，其特征在于：所述步骤(6)中的沉积时间为30-90min，氩气和乙炔的流量比为10-20:80-90。
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