CN115533968A - 刀具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种刀具及其制造方法，所述刀具可以包括：主体部，由基体材料或复合材料制成；以及刃部，由所述复合材料制成，并且结合到主体部，其中，所述复合材料包括所述基体材料和均匀分布在所述基体材料中的硬质陶瓷颗粒，其中，硬质陶瓷颗粒具有比所述基体材料高的熔点。该刀具具有改善的持久锋利度。

Description

刀具及其制造方法
技术领域
本发明涉及刀具领域，更具体地，涉及一种刀具及其制造方法。
背景技术
刀具是人们日常生活中经常需要使用的器械之一。刀具的锋利度则是考量刀具性能的主要因素。目前市面上常见刀具为马氏体不锈钢刀具，其属于性能较好的刀具之一。但该类刀具还是存在如下缺点：刀具的刃口通常为较薄的锥形结构，在日常使用过程中，刃口会不可避免地撞击在硬质材料(例如，菜板、骨头)上，当使用一段时间后会在刃口处出现明显的弯折(即卷刃)现象。另外，马氏体不锈钢刀具的刃口处的锋利度也会因磨损在使用较短的时间后明显下降。
因此，如何使刀具持久锋利是刀具制造技术领域内一直在探究的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刀具及其制造方法，以解决现有技术中的刀具的持久锋利度不足的问题。
根据本发明构思的刀具包括：主体部，由基体材料或复合材料制成；以及刃部，由所述复合材料制成，并且结合到主体部，其中，所述复合材料包括所述基体材料和均匀分布在所述基体材料中的硬质陶瓷颗粒，其中，硬质陶瓷颗粒具有比所述基体材料高的熔点。
在实施例中，所述基体材料包括马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢中的至少一种。
在实施例中，硬质陶瓷颗粒包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氧化铝、碳化铬、氧化钛、碳化钛和氮化硅中的至少一种。
在实施例中，硬质陶瓷颗粒的粒径在20μm-100μm的范围内。
在实施例中，基于所述复合材料的总质量，所述基体材料的质量百分比为70％-90％，硬质陶瓷颗粒的质量百分比为10％-30％。
根据本发明的实施例的制造上述刀具的方法包括：通过球磨混合工艺将基体材料粉末和硬质陶瓷颗粒混合均匀来制造复合材料浆料，并且通过喷雾制粉法制备干燥的复合材料粉末；在模具中将复合材料粉末压制形成刀具胚体或者在模具中将基体材料粉末和复合材料粉末压制形成刀具胚体，其中，刀具胚体的与刀具的刃部对应的部分由复合材料制成，刀具胚体的与刀具的主体部对应的部分由基体材料或复合材料制成；在保护氛围中对刀具胚体进行烧结，使得基体材料熔化，硬质陶瓷颗粒保持颗粒状态；以及在冷却之后对刀具胚体进行打磨开刃。
在实施例中，基体材料粉末和硬质陶瓷颗粒的粒径均在20μm-100μm的范围内。
在实施例中，复合材料粉末中基体材料粉末的质量百分比为70％-90％，硬质陶瓷颗粒的质量百分比为10％-30％。
在实施例中，压制形成刀具胚体时的成型压力为200MPa-500MPa。
根据本发明的另一实施例的制造上述刀具的方法包括：分别制造主体部和刃部，然后将刃部结合到主体部。
根据本发明构思，刀具的刃部包括基体材料和均匀分布在基体材料中的硬质陶瓷颗粒。硬质陶瓷颗粒均匀弥散在刃部处，可以明显提高刃部的耐磨性，使得刀具在使用过程中受到的磨损减小，从而提升刀具的持久锋利度。另外，均匀弥散的硬质陶瓷颗粒在刃部处可以形成微锯齿结构，提升了刀具的强度与切割能力，使得刀具不易发生卷刃，因此能够提升刀具的持久锋利度。
附图说明
图1是示意性地示出根据实施例的刀具的结构的示意图。
图2是根据本申请实施例的图1的局部放大图。
具体实施方式
现在，将在下文中结合示例性实施例更充分地描述本发明。然而，本发明可以以多种不同的形式来实施，并且不应该被理解为局限于在此提出的示例性实施例。提供这些实施例使本发明的公开将是彻底的和完整的，并将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。
在下文中，将结合图1至图2对根据本发明构思的刀具进行详细描述。
图1是示意性地示出根据实施例的刀具的结构的示意图。图2是根据本申请实施例的图1的局部放大图。
参照图1，根据实施例的刀具100包括主体部10和结合到主体部10的刃部20。例如，主体部10和刃部20可以一体地形成。
根据本公开的实施例，主体部10可包括基体材料或复合材料(复合材料如后文所述)，或由基体材料或复合材料制成。例如，主体部10由基体材料或复合材料组成。基体材料包括马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢中的至少一种。基体材料的熔点通常在1300℃-1500℃的范围内。
刃部20可包括复合材料或由复合材料制成，例如，刃部20可以由复合材料组成。复合材料可包括基体材料(如前文所述)和均匀分布在基体材料中的硬质陶瓷颗粒，其中，硬质陶瓷颗粒可包括碳化钨(WC，熔点2870℃)、碳化硅(SiC，熔点2700℃)、氧化锆(ZrO2，熔点2700℃)、氧化铝(Al2O3，熔点2054℃)、碳化铬(Cr7C3，熔点1890℃)、氧化钛(TiO2，熔点3140℃)、碳化钛(TiC，熔点3140℃)和氮化硅(Si3N4，熔点1900℃)中的至少一种。硬质陶瓷颗粒具有比基体材料的熔点高的熔点。
如图2中所示，硬质陶瓷颗粒均匀弥散在刃部20处，并且硬质陶瓷颗粒的粒径可以为20μm-100μm，或30μm-90μm，或40μm-80μm，或50μm-70μm。硬质陶瓷颗粒具有比基体材料更高的硬度和耐磨性，因此硬质陶瓷颗粒均匀分布在基体材料中可以显著增强刃部耐磨性，使得刀具100在使用过程中受到的磨损减小。应当注意的是，当硬质陶瓷颗粒的粒径小于20μm时，其对刃部20的耐磨性能提升可能不明显；当硬质陶瓷颗粒的粒径大于100μm时，其与基体材料结合效果可能较差，进而可能影响刀具100的耐磨性能的提升。硬质陶瓷颗粒可以具有各种规则或不规则的形状。硬质陶瓷颗粒均匀弥散在刃部20的内部和外表面，暴露在刃部20外表面的硬质陶瓷颗粒从刃部20的表面呈现微突起的状态，因此可在刃部表面形成类似于微锯齿结构，提升了刀具的强度与切割能力，使得刀具不易发生卷刃，因此能够进一步提升刀具的持久锋利度。
主体部10所包括的复合材料和刃部20所包括的复合材料可以包括同种硬质陶瓷颗粒(例如均包括TiC)，也可以包括不同种硬质陶瓷颗粒，例如，主体部10所包括的复合材料包括TiC，刃部20所包括的复合材料包括Si3N4。
在复合材料中，基体材料的质量百分比可为70％-90％，硬质陶瓷颗粒的质量百分比可为10％-30％。如果硬质陶瓷颗粒的质量百分比小于10％，则可能由于硬质陶瓷颗粒分布稀疏导致难以形成微锯齿结构，使得耐磨性能提升效果不明显。如果硬质陶瓷颗粒的质量百分比大于30％，则可能由于改性过度导致韧性变差，使得刃部处容易崩刃。
接下来，将详细描述制造上述刀具100的方法。
首先，通过湿法球磨混合工艺将基体材料粉末和硬质陶瓷颗粒混合均匀来制造复合材料粉末，具体如下：将粒径均在20μm-100μm的范围内的硬质陶瓷颗粒和基体材料粉末按配比混合得到混合料并且装入球磨罐中，其中，基体材料粉末投入所占质量百分比为70％-90％，硬质陶瓷颗粒粉末投入所占质量百分比为10％-30％；在球磨罐中加入研磨球，研磨球可以为直径0.5mm的氧化锆球；在球磨罐中加入诸如酒精等的液体研磨介质，其中，混合料、研磨球、液体研磨介质的体积比可为1:2:1；研磨，研磨时间可为12h-20h，转速可为2000r/min；制粉，向研磨得到的复合材料浆料中加入表面活性剂、消泡剂混合后置于超声波混合仪中混合30min，然后采用喷雾制粉法干燥处理，其中，表面活性剂的重量是浆料重量的0.5％-3％，消泡剂的重量是浆料重量的0.2％-1％，其中，喷雾制粉法的条件如下：雾化压力为0.3-0.6MPa，优选为0.4-0.5MPa；雾化气流流量为0.5-5m3/h，优选为1-3m3/h；进口温度为200-600℃，优选为300-400℃；出风口温度为50-200℃，优选为80-160℃。
然后，通过粉末冶金工艺制备刀具胚体。
通过压制成型工艺在模具中将基体材料粉末和复合材料粉末压制形成刀具初始胚体，具体地，在模具中对应刃部20的位置放入足量复合材料粉末，并且在模具中对应主体部10的位置放入足量基体材料粉末，通过压制成型工艺在200MPa-500MPa条件下一体地形成刀具初始胚体。在这种情况下，刀具初始胚体的与刀具的刃部对应的部分由复合材料组成，刀具初始胚体的与刀具的主体部对应的部分由基体材料组成，但本公开不限于此，例如，可在模具中与刃部20和主体部10对应的位置均加入复合材料粉末，如此制造的刀具初始胚体的与刀具的主体部10对应的部分由复合材料组成，换句话说，刀具初始胚体可以由复合材料一体地形成。
在保护氛围中对刀具初始胚体进行固相烧结工艺，烧结温度一般是0.7～1.0Tm(Tm为绝对熔点)，可为910℃-1500℃，烧结时间可为20min-40min，从而制备刀具胚体。为了避免在烧结过程中形成影响刀具性质的氧化层，可使用还原性气体、氮气或惰性气体中的一种作为保护气体或者在真空环境下执行烧结以避免刀具初始胚体中的粉末与氧气等氧化气体直接接触。在烧结过程中，由于硬质陶瓷材料具有比基体材料的熔点高的熔点，因此硬质陶瓷颗粒会一直处于固态，而基体材料粉末发生相互流动、扩散、溶解、再结晶的过程。另外，伴随着基体材料粉末相互流动、扩散、溶解、再结晶的过程，刀具初始胚体中粉末间隙中的气体或金属中溶解的气体可在高温下被驱除净尽，致密化程度增高。
最后，在刀具胚体冷却后对其进行常规打磨处理和开刃。
上述制备刀具胚体的方法仅仅是示例，可选地，可通过压制成型工艺或粉末冶金工艺分别制造由基体材料或复合材料制成的主体部10以及由复合材料制成的刃部20，然后采用焊接(例如，冷焊)的方式将刃部20结合到主体部10以制造刀具100。
下面将结合实施例更详细地描述根据本发明的刀具100，并对根据本发明的刀具100的持久锋利度和刀身强度进行评价。
实施例1
采用粒径50μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末采用上述球磨混合工艺研磨15h制备成复合材料浆料，其中，马氏体不锈钢粉末的质量百分比为80％，TiC粉末的质量百分比为20％。
通过喷雾制粉法制备复合材料粉末，喷雾制粉法的条件如下：
雾化压力：0.4MPa，雾化气流流量：2m3/h；进口温度：300-400℃，出风口温度：120℃。
通过压制成型工艺将复合材料粉末整体压制形成刀具初始胚体，成型压力为300MPa。
对刀具初始胚体进行烧结，烧结氛围为真空环境，烧结温度为1300℃，烧结时间为30min，获得刀具胚体。
在刀具胚体冷却后对其进行常规打磨处理和开刃来制造刀具100。
实施例2
除了复合材料粉末中马氏体不锈钢粉末的质量百分比为90％，TiC粉末的质量百分比为10％之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例3
除了复合材料粉末中马氏体不锈钢粉末的质量百分比为83.3％，TiC粉末的质量百分比为16.7％之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例4
除了复合材料粉末中马氏体不锈钢粉末的质量百分比为70％，TiC粉末的质量百分比为30％之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例5
除了复合材料粉末中马氏体不锈钢粉末的质量百分比为60％，TiC粉末的质量百分比为40％之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例6
除了复合材料粉末中马氏体不锈钢粉末的质量百分比为95％，TiC粉末的质量百分比为5％之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例7
除了采用粒径10μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例8
除了采用粒径20μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例9
除了采用粒径40μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例10
除了采用粒径60μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例11
除了采用粒径80μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例12
除了采用粒径100μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例13
除了采用粒径120μm的TiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例14
除了采用粒径50μm的SiC粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例15
除了采用粒径50μm的ZrO2粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例16
除了采用粒径50μm的Al2O3粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
实施例17
除了采用粒径50μm的Si3N4粉末与粒径50μm的马氏体不锈钢粉末制备复合材料粉末之外，按照与实施例1基本相同的方法来制造刀具100。
对比例1
普通的马氏体刀具。
评价方法为：
(1)持久度锋利测试：持久锋利度采用模拟刀具寿命测试方法，持久锋利度的数值越大，持久锋利度寿命越长，持久锋利度的数值越小则反之，具体方法如下：
模拟刀具寿命测试方法具体为：将被测试刀具刃口向下水平固定在刀具固定装置上，通过附加砝码后，以16N的压力压在模拟物上。切割模拟物(选用3mm牛卡纸)保持静止，通过电机和气压驱动刀具固定装置，带动刀具朝X轴方向切割，速度为50mm/s往复运动，同时Z轴方向升起，朝Y轴方向位移1mm，对模拟物进行成型，切割行程为100mm，每切割模拟物5次后结束，采用评价物(火腿肠)对刀具持久锋利度进行判定。直到切不开评价物测试即终止，记录测试开始至终止时的切割总次数，即为刀具的持久锋利度，切割总次数越多，表示持久锋利度越高。
(2)刀身强度测试：测试刀身冲击韧性，参考标准为GBT 1817-1995。具体地讲，通过将一定质量的摆锤放置在一定的高度，使摆锤自由下摆，观察测试物开裂时摆锤的质量和摆锤高度，通过标准中得到的计算公式，得到冲击韧性值。冲击韧性值越大，则材料的耐韧性越强，强度越高，一般而言越不容易崩刃。
通过使用上述评价方法对实施例1至实施例17以及对比例1的刀具的持久锋利度和刀身强度进行了测试，测试的结果如下面的表1中所示。
表1
序号 持久锋利度 刀身强度(J/cm<sup>3</sup>)
实施例1 800 47
实施例2 620 51
实施例3 690 50
实施例4 840 45
实施例5 860 29
实施例6 420 53
实施例7 570 50
实施例8 680 49
实施例9 760 48
实施例10 810 44
实施例11 780 41
实施例12 650 40
实施例13 490 37
实施例14 810 46
实施例15 800 47
实施例16 780 48
实施例17 800 47
对比例1 380 55
从表1可以看出，实施例1至实施例13的刀具均表现出良好的持久锋利度。
将实施例1与实施例5的刀具的测试结果进行比较，发现实施例5的持久锋利度虽然有小幅度的提升，但因其硬质陶瓷颗粒所占质量百分比过高导致其刀身强度显著下降。通常情况下，要求刀身的冲击韧性不低于40J/cm3。再结合实施例4可知，硬质陶瓷颗粒的质量百分比优选不大于30％。再结合对比例1将实施例1与实施例6的刀具的测试结果进行比较，发现实施例6因其硬质陶瓷颗粒所占质量百分比过低导致其持久锋利度提升较小。再结合实施例2可知，硬质陶瓷颗粒的质量百分比优选不小于10％方可对刀具的持久锋利度起到显著的提升效果。也就是说，当硬质陶瓷颗粒的质量百分比在10％-30％范围内时，均具有优异的持久锋利度和刀身强度性能。
对比实施例1至实施例6的刀具的测试结果，发现硬质陶瓷颗粒的质量百分比越高，对刀具100的持久锋利度的提升效果越强，证实了本发明构思的硬质陶瓷颗粒能明显提升刀具的持久锋利度性能。
将对比例1与实施例7的刀具的测试结果进行比较，发现实施例7因其硬质陶瓷颗粒的粒径过小(小于20μm)导致产生的微锯齿结构对其持久锋利度提升较小。证实了硬质陶瓷颗粒的粒径优选大于20μm才能显著增强刃部20的持久锋利度。
将对比例1与实施例13的刀具的测试结果进行比较，发现实施例13的持久锋利度提升不佳，并且较大幅度的降低了其刀身强度，证实了硬质陶瓷颗粒的粒径在大于100μm的情况下虽然仍能一定程度上改善持久锋利度，但因其粒径过大，导致刀身强度大幅下降。
结合对比例1将实施例8至实施例12的刀具的测试结果进行比较。从表1可以发现，随着硬质陶瓷颗粒粒径的增加，刀具的锋利持久度呈现先升高后降低的趋势，但均具备良好的持久锋利度(例如，持久锋利度均大于600)，并且仍具备优异的刀身轻度(例如，大于40J/cm3)。
结合对比例1将实施例14至实施例17的刀具的测试结果进行比较。硬质陶瓷材料的种类变化对刀具持久锋利度有轻微影响，且均具备优于对比例1的刀具的持久锋利度。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如权利要求和它们的等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的各种改变。应当仅仅在描述性的意义上而不是出于限制的目的来考虑实施例。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式来限定，而是由权利要求书来限定，该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

Claims (10)

1.一种刀具，其特征在于，所述刀具包括：
主体部，由基体材料或复合材料制成；以及
刃部，由所述复合材料制成，并且结合到主体部，其中，
所述复合材料包括所述基体材料和均匀分布在所述基体材料中的硬质陶瓷颗粒，其中，
硬质陶瓷颗粒具有比所述基体材料高的熔点。
2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述基体材料包括马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，硬质陶瓷颗粒包括碳化钨、碳化硅、氧化锆、氧化铝、碳化铬、氧化钛、碳化钛和氮化硅中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，硬质陶瓷颗粒的粒径在20μm-100μm的范围内。
5.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，基于所述复合材料的总质量，所述基体材料的质量百分比为70％-90％，硬质陶瓷颗粒的质量百分比为10％-30％。
6.一种制造根据权利要求1至权利要求5中的任一项所述的刀具的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过球磨混合工艺将基体材料粉末和硬质陶瓷颗粒混合均匀来制造复合材料浆料，并且通过喷雾制粉法制备干燥的复合材料粉末；
在模具中将复合材料粉末压制形成刀具胚体或者在模具中将基体材料粉末和复合材料粉末压制形成刀具胚体，其中，刀具胚体的与刀具的刃部对应的部分由复合材料制成，刀具胚体的与刀具的主体部对应的部分由基体材料或复合材料制成；
在保护氛围中对刀具胚体进行烧结，使得基体材料熔化，硬质陶瓷颗粒保持颗粒状态；以及
在冷却之后对刀具胚体进行打磨开刃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基体材料粉末和硬质陶瓷颗粒的粒径均在20μm-100μm的范围内。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，复合材料粉末中基体材料粉末的质量百分比为70％-90％，硬质陶瓷颗粒的质量百分比为10％-30％。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，压制形成刀具胚体时的成型压力为200MPa-500MPa。
10.一种制造根据权利要求1至权利要求5中的任一项所述的刀具的方法，其特征在于，所述方法包括：分别制造主体部和刃部，然后将刃部结合到主体部。
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