CN214694347U - 刀具 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种刀具，其包括刀体、过渡层和自润滑层；所述过渡层覆盖于所述刀体的表面；所述自润滑层覆盖于所述过渡层的表面，所述自润滑层为二硫化钨/碳复合材料形成的膜层。本申请可以提高刀具的耐磨性，延长刀具的使用寿命。

Description

刀具

技术领域

本申请涉及厨房用具技术领域，尤其涉及一种刀具。

背景技术

日常生活中常用的刀具主要采用马氏体不锈钢制成，有较高的强度、硬度和耐蚀性，但耐磨性稍差，在家庭环境长期使用的过程中，刃口部位经常性地切割各种硬度不同的食物，易出现磨损、划伤等不良现象，从而影响刀具的使用寿命，并对刀具的可靠性和外观产生消极影响。

实用新型内容

本申请提供了一种刀具，以提高刀具的耐磨性，延长刀具的使用寿命。

本申请提供了一种刀具，其包括：

刀体；

过渡层，覆盖于所述刀体的表面；

自润滑层，覆盖于所述过渡层的表面，所述自润滑层为二硫化钨/碳复合材料形成的膜层。

上述刀具包括刀体、过渡层和自润滑层；过渡层覆盖于刀体的表面，提高刀体表面的结合性，防止刀体表面的其他涂层脱落；自润滑层覆盖于过渡层的表面，自润滑层为二硫化钨/碳复合材料混合形成的膜层，二硫化钨和碳均具有低摩擦系数，特别是二硫化钨的动态摩擦系数是0.030，静态摩擦系数为0.070，润滑性优良，易解离，因而具有良好的抵抗磨损及自润滑效果，从而可以有效提高刀具表面的耐磨性，延长刀具的使用寿命。其中，二硫化钨是具备六方晶系的层状二维材料，二硫化钨层内是钨和硫通过强共价键结合，层间则是硫和硫分子键之间通过较弱的范德华力结合，层间的作用力较弱，键能较低，在摩擦过程中极易发生位移，因而具有较低的摩擦系数，另外，二硫化钨可以及时吸附填充在物质的不平整表面，起到一定的自修复作用，使刀刃部能够保持持久的完整性；碳具有较高的稳定性，且能够改善金属的性能，在自润滑层中添加碳，能够提高自润滑层的抗氧化性能，防止自润滑层在潮湿的环境中吸潮或氧化失效，还能够提高自润滑层的硬度，进一步提高刀具的耐磨性。

可选地，所述过渡层包括相互层叠设置的第一膜层和第二膜层；

所述第一膜层覆盖于所述刀体的表面，所述第一膜层为单质金属层，所述单质金属为所述刀体中包含的一种成分；

所述第二膜层覆盖于所述第一膜层的表面，所述第二膜层为碳层。

上述刀具的过渡层包括相互层叠设置的第一膜层和第二膜层；第一膜层覆盖于刀体的表面，第一膜层为单质金属层，单质金属为刀体中包含的一种成分，也就是说，选用刀体中的一种金属单质在刀体的表面形成第一膜层，使第一膜层与刀体形成可靠的结合；第二膜层覆盖于第一膜层的表面，第二膜层为碳层，也就是说，选用自润滑层中含有的碳形成第二膜层，使第二膜层与自润滑层形成可靠的结合；由于碳与金属之间具有较高的结合性，从而使第一膜层与第二膜层之间能够形成可靠的结合，从而可以防止使用过程中刀体表面的各涂层脱落。

可选地，所述刀体的材质为马氏体不锈钢，所述单质金属为铬，以确保刀具的硬度满足使用要求。

可选地，所述第二膜层与所述第一膜层的界面上形成渗透结构，也就是说，第二膜层与第一膜层之间的一层同时含有第一膜层的成分和第二膜层的成分，在第二膜层与第一膜层之间起到过渡作用，使第二膜层与第一膜层能够相互融合，提高第二膜层与第一膜层之间结合的可靠性。

可选地，所述第一膜层的厚度为1μm～1.5μm，以形成连续均匀的涂层，确保第一膜层具有较高的结合性，并使刀具保持较高的韧性。

可选地，所述第二膜层的厚度为0.8μm～1.2μm，以形成连续均匀的涂层，确保第二膜层具有较高的结合性，并确保第二膜层自身的结构强度。

可选地，所述自润滑层的厚度为2μm～3μm，以使刀具表面具有良好的自润滑效果，并使刀具保持较高的切割性能。

可选地，所述自润滑层的摩擦系数为0.1～0.2，使刀具的润滑性与食材的特点相符合，从而使刀具能够满足大多数食材的切割要求。

可选地，所述自润滑层的硬度为350HV～360HV，以减小刀具表面的磨损。

可选地，所述过渡层与所述自润滑层为溅射沉积层，简化加工工艺，降低生产成本，且相邻膜层之间具有较高的连续性，提高了相邻膜层之间的结合性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请实施例提供的刀具的剖面结构示意图；

图2为本申请实施例提供的刀具加工方法的流程图。

附图标记：

1-刀体；

2-过渡层；

20-第一膜层；

22-第二膜层；

3-自润滑层。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

如图1所示，本申请实施例提供了一种刀具，该刀具可以为菜刀或水果刀，其包括刀体1、过渡层2和自润滑层3。刀体1可以根据需要设置成任意适当的形状，刀体1的一端可以设置刀柄，以方便使用者握持刀具；过渡层2覆盖于刀体1的表面，提高刀体1表面的结合性，防止刀体1表面的其他涂层脱落；自润滑层3覆盖于过渡层2的表面，自润滑层3的成分包括二硫化钨(WS₂)和碳(C)，也就是说，自润滑层3为二硫化钨/ 碳复合材料形成的膜层，二硫化钨和碳均具有低摩擦系数，特别是二硫化钨的动态摩擦系数是0.030，静态摩擦系数为0.070，润滑性优良，易解离，因而具有良好的抵抗磨损及自润滑效果，从而可以有效提高刀具表面的耐磨性，延长刀具的使用寿命。

其中，二硫化钨是具备六方晶系的层状二维材料，二硫化钨层内是钨和硫通过强共价键结合，层间则是硫和硫分子键之间通过较弱的范德华力结合，层间的作用力较弱，键能较低，在摩擦过程中极易发生位移，因而具有较低的摩擦系数，另外，二硫化钨可以及时吸附填充在物质的不平整表面，起到一定的自修复作用，使刀刃部能够保持持久的完整性；碳具有较高的稳定性，且能够改善金属的性能，在自润滑层3中添加碳，能够提高自润滑层3的抗氧化性能，防止自润滑层3在潮湿的环境中吸潮或氧化失效，还能够提高自润滑层3的硬度，进一步提高刀具的耐磨性，使得刀具表面的硬度、韧性、抗磨损和自润滑性能都有大幅提升。

具体来说，纯的二硫化钨在潮湿环境中容易吸潮，并发生氧化变质，而切割食材(例如肉、菜或水果等)的刀具通常都在潮湿的环境中完成切割，因此长期使用时，表面的二硫化钨容易失效，在二硫化钨中增加碳，能够改善二硫化钨的性能，防止二硫化钨失效。纯的二硫化钨膜层的硬度为270HV～280HV，而二硫化钨中添加碳之后形成的膜层(即自润滑层3) 的摩擦系数有所提高，但仍然能够满足切割食材时的润滑需求，而硬度可以明显提高，可以达到350HV～360HV，从而可以减小刀具表面的磨损。

进一步地，过渡层2包括相互层叠设置的第一膜层20和第二膜层22。第一膜层20覆盖于刀体1的表面，第一膜层20为单质金属层，单质金属为刀体1中包含的一种成分，也就是说，选用刀体1中含量较高的一种金属单质在刀体1的表面形成第一膜层20，使第一膜层20与刀体1形成可靠的结合；第二膜层22覆盖于第一膜层20的表面，第二膜层22为碳层，也就是说，选用自润滑层3中含有的碳形成第二膜层22，使第二膜层22 与自润滑层3形成可靠的结合；由于碳与金属之间具有较高的结合性，使得第一膜层20与第二膜层22之间能够形成可靠的结合，通过依次设置的第一膜层20、第二膜层22和自润滑层3形成的三层结构的结合性十分好，从而可以防止使用过程中刀体1表面出现起层或脱落。

进一步地，第二膜层22与第一膜层20的界面上形成渗透结构，也就是说，第二膜层22与第一膜层20之间的一层同时含有第一膜层20的成分和第二膜层22的成分，在第二膜层22与第一膜层20之间起到过渡作用，使第二膜层22与第一膜层20能够相互融合，提高第二膜层22与第一膜层20之间结合的可靠性。

优选地，上述金属单质在刀体1中的质量比例不小于12％，使该金属单质为刀体1中除铁之外含量最高的元素，例如，该金属单质在刀体1中的质量比例可以为12％～14％，典型但非限制性地，该金属单质在刀体1 中的质量比例可以为12％、12.2％、12.4％、12.6％、12.8％、13％、13.2％、 13.4％、13.6％、13.8％或14％等。

进一步地，刀体1的材质为马氏体不锈钢，如3Cr13、5Cr15MoV、 9Cr18、Cr15MnMoCoV等材质。在一种具体的实施例中，刀体1的成分及对应的质量比例可以为：C0.26％～0.35％；Si≤1.00％；Mn≤1.00％；S ≤0.030％；P≤0.035％；Cr 12.00％～14.00％；Ni≤0.60％；余量为Fe。单质金属为铬，马氏体不锈钢中的铬元素的含量比较高，而且铬形成的膜层的硬度高，大约为380HV～400HV，也就是说，第一膜层20可以选用硬度较高的材料制成，从而确保刀具的硬度满足使用要求。

进一步地，第一膜层20的厚度为1μm～1.5μm，例如，第一膜层20的厚度可以为1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm或1.5μm等，以形成连续均匀的涂层，确保第一膜层20具有较高的结合性，并使刀具保持较高的韧性。当第一膜层20的厚度小于1μm时，第一膜层20的厚度过薄，导致第一膜层20难以均匀且完整地覆盖刀体1，从而影响第二膜层22与第一膜层20的结合；当第一膜层20的厚度大于1.5μm时，第一膜层20的厚度过厚，由于第一膜层20通常采用硬度较高的单质金属制成，因此会降低刀具的韧性，使刀具变脆。

进一步地，第二膜层22的厚度为0.8μm～1.2μm，例如，第二膜层22 的厚度可以为0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm或1.2μm等，以形成连续均匀的涂层，确保第二膜层22具有较高的结合性，并确保第二膜层22自身的结构强度。当第二膜层22的厚度小于0.8μm时，第二膜层22的厚度过薄，导致第二膜层22难以均匀且完整地覆盖第一膜层22，从而影响自润滑层3与第二膜层22的结合；当第二膜层22的厚度大于1.2μm时，第二膜层22的厚度过厚，导致第二膜层22自身的强度降低，使得第二膜层22 出现层间断裂，从而影响涂层的结合力。

进一步地，自润滑层3的厚度为2μm～3μm，例如，自润滑层3的厚度可以为2μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、 2.8μm、2.9μm或3μm等，以使刀具表面具有良好的自润滑效果，并使刀具保持较高的切割性能。当自润滑层3的厚度小于2μm时，自润滑层3 的厚度过薄，自润滑层3难以形成均匀且完整的涂层，导致自润滑层3的润滑减磨效果降低，从而影响刀具表面的自润滑性能；当自润滑层3的厚度大于3μm时，自润滑层3的厚度过厚，影响刀具的锋利性。

进一步地，自润滑层3的摩擦系数为0.1～0.2，例如，自润滑层3的摩擦系数可以为0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19 或0.2等，使刀具的润滑性与食材的特点相符合，从而使刀具能够满足大多数食材的切割要求。当自润滑层3的摩擦系数小于0.1时，刀具表面过于光滑导致性能浪费；当自润滑层3的摩擦系数大于0.2时，刀具仍然容易因切割食材而产生磨损或划伤等现象。

进一步地，自润滑层3中，碳的质量比例为30％～40％，例如，碳的质量比例可以为30％、30.1％、30.2％、30.3％、30.4％、30.5％、30.6％、 30.7％、30.8％、30.9％或40％等，以使刀具的摩擦系数保持在合理的范围内。当自润滑层3中碳的质量比例小于30％时，碳的含量过少，导致二硫化钨的含量过多，从而增加自润滑层3的成本；当自润滑层3中碳的质量比例大于40％时，碳的含量过高，导致自润滑层3的摩擦系数大于0.2，从而难以满足刀具的润滑要求，影响刀具的使用寿命。

如图2所示，本申请实施例还提供了一种刀具加工方法，其用于加工本申请实施例提供的刀具，刀具加工方法包括步骤S1和步骤S2。步骤S1 包括制备刀体1；步骤S2包括采用溅射沉积方法，在刀体1的表面依次制备第一膜层20、第二膜层22和自润滑层3，自润滑层3的成分包括二硫化钨和碳，使刀具表面同时具有较高的自润滑性能，又具有较高的硬度和稳定性，防止自润滑层3失效，延长刀具的使用寿命；通过第一膜层20 与第二膜层22在刀体1和自润滑层3之间起到过渡作用，提高自润滑层3 与刀体1的结合性；且第一膜层20、第二膜层22和自润滑层3均采用溅射沉积的方法依次形成，简化加工工艺，降低生产成本，且相邻膜层之间具有较高的连续性，提高了相邻膜层之间的结合性。

进一步地，步骤S1中可以采用常规刀具加工工艺制成刀体1，例如，步骤S1可以包括：将刀坯冲压成型，刀坯为与刀体等长且宽度为 18mm～40mm的条状不锈钢，然后依次进行调直、斜磨和抛光，形成具有刀刃的刀体1。刀体1制备完成之后，需要将刀体1清洗并吹干，以使刀体1的表面保持干燥和清洁，提高各膜层与刀体1的附着性。

进一步地，步骤S2中，第一膜层20通过铬靶材溅射形成，第二膜层 22通过石墨靶材溅射形成，也就是说，第一膜层20为铬层，第二膜层22 为碳层。

进一步地，步骤S2中，在制备第一膜层20的最后3min～5min内，逐渐关闭铬靶材，同时逐渐开启石墨靶材，从而使得第二膜层22能够渗入第一膜层20的表面，在第二膜层22与第一膜层20之间形成平稳的过渡，进一步提高了第二膜层22与第一膜层20的可靠结合。

进一步地，步骤S2中，自润滑层3通过石墨靶材和二硫化钨靶材同时溅射形成；在制备第二膜层22的最后3min～5min内，逐渐减小石墨靶材的功率至设定值，同时逐渐开启二硫化钨靶材，在自润滑层3与第二膜层22之间形成平稳的过渡，进一步提高了自润滑层3与第二膜层22的可靠结合。

具体地，步骤S2可以采用多功能离子镀膜机实施，多功能离子镀膜机具有两个直流磁控和两个中频磁控模块。具体步骤如下：

步骤S21：将刀体1垂直悬挂于多功能离子镀膜机内的工架上，依次打开机械泵、罗茨泵、分子泵，抽真空度至(3.0～5.0)×10^-3Pa，然后打开离子源，用其产生的辉光放电对刀体1进行离子轰击清洗，离子源在镀膜过程中还具有离子辅助沉积的促进作用。

步骤S22：沉积第一膜层20，开启直流磁控溅射电源，通过直流磁控溅射高纯铬靶材(铬含量为99.99％)，溅射功率1200W～1300W，偏压 110V～130V，离子源电流1.2A～1.6A，沉积时间15min～20min，第一膜层 20的厚度为1μm～1.5μm。

步骤S23：沉积第二膜层22，在第一膜层20的最后3min～5min内，调节铬靶材与石墨靶材的溅射电流参数，将高纯铬靶功率逐渐关掉(即电流偏压慢慢调小)，同时进行将高纯石墨靶材的功率逐渐调升起来，沉积碳膜作为第二膜层22，稳定后，石墨靶材的靶电流为3.0A，沉积气压 0.2Pa～0.5Pa、工作温度50℃～70℃，直至第二膜层的厚度为0.8μm～1.2μm。

步骤S24：沉积自润滑层3，在第二膜层22的最后3min～5min内，工作气压调节至0.7Pa～0.8Pa，偏压降低至50V～70V，石墨靶材的电流逐渐降低(从3.0A至1.0A缓慢调节)至1.0A，同时逐渐启动二硫化钨靶材的电流至1.0A～1.2A，此两个靶材都用中频电源控制，沉积时间为180min～210min，自润滑层的厚度为2μm～3μm。

需要说明的是，在镀膜机内沉积各膜层(包括第一膜层20、第二膜层 22和自润滑层3)的过程中，悬挂刀具的工件架及托盘在镀膜机内产生公转，速度为1.5r/min～2.0r/min；为提高沉积膜层的效率，也可在镀自润滑层3的过程中关停工件架的转动。

为说明本申请实施例提供的上述刀具的耐磨性能，采用抽样的方式对本申请实施例提供的刀具进行耐磨性测试，即抽取至少3组样品刀具，采用GCr15钢球作为摩擦副，室温条件下在9.8N，300r/min的摩擦条件下进行测试，摩擦里程越长，说明耐磨性越好。各组样品刀具的耐磨寿命均超过3000m，且各组样品刀具的摩擦系数均在0.1-0.2之间，因此，本申请实施例提供的刀具具有抗磨损和自润滑的良好效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刀具，其特征在于，包括:

刀体(1)；

过渡层(2)，覆盖于所述刀体(1)的表面；

自润滑层(3)，覆盖于所述过渡层(2)的表面，所述自润滑层(3)为二硫化钨/碳复合材料形成的膜层。

2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于，所述过渡层(2)包括相互层叠设置的第一膜层(20)和第二膜层(22)；

所述第一膜层(20)覆盖于所述刀体(1)的表面，所述第一膜层(20)为单质金属层，所述单质金属为所述刀体(1)中包含的一种成分；

所述第二膜层(22)覆盖于所述第一膜层(20)的表面，所述第二膜层(22)为碳层。

3.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于，所述刀体(1)的材质为马氏体不锈钢，所述单质金属为铬。

4.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于，所述第二膜层(22)与所述第一膜层(20)的界面上形成渗透结构。

5.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于，所述第一膜层(20)的厚度为1μm～1.5μm。

6.根据权利要求2所述的刀具，其特征在于，所述第二膜层(22)的厚度为0.8μm～1.2μm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的刀具，其特征在于，所述自润滑层(3)的厚度为2μm～3μm。

8.根据权利要求1-6任一项所述的刀具，其特征在于，所述自润滑层(3)的摩擦系数为0.1～0.2。

9.根据权利要求1-6任一项所述的刀具，其特征在于，所述自润滑层(3)的硬度为350HV～360HV。

10.根据权利要求1-6任一项所述的刀具，其特征在于，所述过渡层(2)与所述自润滑层(3)为溅射沉积层。

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