一种低创面非晶合金刀具及其制备方法与流程

本发明属于非晶合金材料应用领域，具体涉及一种低创面的非晶合金刀具及其制备方法。

背景技术

刀具是工业领域中用于切削加工的工具。大部分的刀具为金属材料制成，如工业领域中使用最为广泛的不锈钢刀具。制备刀具的材料必须具有良好的高温硬度和耐磨性，以及具有符合使用要求的抗弯强度和冲击韧性，高速钢因具有高的抗弯强度、冲击韧性和良好的可加工性，是现代工业中最常使用的刀具材料，其次是各类硬质合金。随着材料工业的逐渐发展，各种不同材料的刀具也层出不穷，如用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁的聚晶立方氮化硼材料、聚晶金刚石材料等，又如目前已经在民用领域广泛被使用的陶瓷刀具。在刀具材料发展的同时，刀具的加工方法也随之发展前进，对刀具进行涂层是刀具加工工艺上的一大变革，利用在韧性高的刀具基体上涂覆一层或者多层具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层，如氮化钛、碳化钛等，使刀具具有全面良好的综合性能，极大地提升了刀具的表面硬度。

尽管现有技术中的刀具材料各有千秋，随着各项科技的发展仍旧存在许多不尽如人意之处，主要包括：1、现有技术中采用钢铁材料作为刀具主体材料制成的刀具的耐蚀性不高；2、现有技术中采用陶瓷材料作为刀具主体材料制成的刀具的脆性大，在使用过程中受到撞击或者敲打极易碎裂，不仅不耐用，而且具有一定的安全隐患；3、使用现有材料作为涂层材料的刀具受限于现有材料本身的特性，对于刀具的强度、韧性以及耐磨损性能并无整体性提升，同时，利用涂覆或者沉积材料的现有技术工艺复杂、生产效率低，从而导致制成的产品成本高，无法得到市场广泛的接受，而且由于涂层材料与刀具基体之间的结合层在使用过程中会逐渐松脱，降低了刀具的使用寿命。为了改善现有技术中刀具存在的缺陷，非晶合金材质制成的刀具逐渐被研发人员提出。

申请号为201410581476.9名为《非晶合金在制备刮须刀片及刮须刀具的应用》的中国专利中提出了一种非晶合金在刮胡刀具中的应用以及制备方法。申请号为201510071786.0名为《一种非晶合金冰刀及冰刀鞋及其制备方法》中提出了一种非经合金在冰刀制备中的应用。上述方案尽管都提出了非晶合金作为某种特定刀具的应用，但是其方案中主要解决的是特定环境中所使用的刀具材料的强度、耐刮性能缺乏的问题，非晶合金材料只能作为刮胡刀或者冰刀进行使用，并不能作为广泛意义上的“刀具”进行使用。

技术实现要素：

综合上述背景技术，本发明的发明人在实践中发现，现有技术中钢制刀具成型过程中内部结构中晶粒粗大，在开刃时会遇到晶粒排布参差不齐的情况，在高倍放大镜下观察会发现刃口呈现锯齿状。该结构的刀具刃口宽度较大，在切割的过程中会产生较大的创面，同时增加切割的难度，需要加大施加的力度才能达到切割的效果。如果针对刀具内部微观结构及制备方法进行调整改进，使刀具切割的创面变小，那么就能够有效提升刀具切削的效率，扩展其适用范围。

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种具有切割低创面的非晶合金刀具，并且提供了上述刀具的制备方法。本发明中的非晶合金刀具刀刃硬度高、锋利度高，刀具整体具有高强屈服强度和低表面能，切削过程中对切削处创口小、切削的平整度高，可大大提升切削效率。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供了一种低创面非晶合金刀具，所述刀具刃口部位由非晶合金制成；所述非晶合金包括锆基非晶合金、铜基非晶合金、铝基非晶合金、铁基非晶合金、钽基非晶合金、钛基非晶合金、钴基非晶合金、镍基非晶合金、稀土基非晶合金中的一种或者多种，且非晶合金部分中非晶态占比大于等于85%。非晶合金的非晶态占比是低创面非晶合金刀具实现切削低创面的必要条件，一旦晶态占比过高，在加工过程中微观上较为粗大的晶粒在刀具刃口制备过程中会形成参差不齐的形貌，对刀具刃口的锋利度造成不良影响，使切削创面急剧增大。

进一步地，所述刀具厚度为0.05-0.4mm，刃口维氏硬度为800-1500，锋利度为0.15-0.3n，屈服强度为800-1200mpa，表面粗糙度ra为0.001-0.01。

进一步地，所述刀具刃口两面夹角为5-20°。

非晶合金微观结构处于无序的特点，其凝结的内部结构为液态时金属的结构，各成分在固态非晶合金中的存在方式为原子级别。因此在刃口的处理方面具有极大的优势，非晶合金制成的刃口在高倍放大镜下面可以观察发现其刃口厚度极低，可做到5-30nm，且平整度极高，可以磨制成一条直线。正是由于非晶合金独特的微观结构可以使得其刃口与传统的刀具材料相比更窄更平滑。在使用过程中可以大大降低创面的宽度，并且便于切割，提高切割效率。在本发明的非晶合金刀具中，除了利用非晶合金的特性，同时还控制了刀具的厚度、刃口硬度、锋利度、粗糙度和屈服强度。刀具刀刃的屈服强度过低会使刀锋容易发生塑性形变向内弯曲，容易起毛刺，影响使用，本发明中刀具屈服强度在800-1200mpa范围内，优于不锈钢制刀具和硬质涂层刀具，本发明非晶合金制成的手术刀，材质坚硬并且硬度高，弹性好，在手术过程中遇到阻力不会变形，可回弹继续使用。本发明中的非晶合金刀具在铸造过程中可以直接脱模成型，对模具的复制能力强，其原子级别的微观结构使刀片表面容易加工成表面粗糙度极低、表面能极低的外表面，刀锋上不容易沾上异物，从而使锋利度大幅提升，远优于不锈钢刀具和硬质合金涂层刀具。本发明中，有选对刀具刃口角度进行设定，控制在5-20°范围内，进一步提升刀具刃口的切削效率。

进一步地，所述非晶合金原料组成选择包括如下：

(zr，ti)a(cu，ni)balc，其中45≤a≤63，20≤b≤45，10≤c≤17；

(zr，hf)a(cu，ni，co)b(nb，ti)c(al，be)dree，其中49≤a≤62，12≤b≤30，3≤c≤12，12≤d≤20，0.02≤e≤1；re为稀土元素；

(zr，hf)atib(cu，ni)c(al，be，mg)d(y，c)e，其中42≤a≤55，6≤b≤12，16≤c≤24，14≤d≤23，0.02≤e≤2；

tiazrbmcbed，其中m为cu、ni元素中的一种或者两种，40≤a≤50，15≤b≤30，15≤c≤30，15≤d≤30；

(ti，zr)acubnic(si，sn，al，b)d，其中20≤a≤35，50≤b≤65，7≤c≤20，1≤d≤6；

nia(nb，ti)b(b，sn，co)c，其中48≤a≤61，30≤b≤42，2≤c≤12；

nia(zr，hf，ta，ti)b(si，b)cnbd，其中52≤a≤64，20≤b≤40，0.05≤c≤4，5≤d≤18；

cua(zr，hf)balcnbd，其中55≤a≤58，38≤b≤42，2≤c≤5，0.5≤d≤3；

fea(co，cr，mo)bbcydmne(n，c)f，其中40≤a≤50，30≤b≤38，5≤c≤12，1≤d≤5，2≤e≤3，1≤f≤4；

laaalbcucnidcoe(zr，hf)f，其中54≤a≤58，20≤b≤28，7≤c≤15，5≤d≤8，5≤e≤12，1≤f≤5；

coa(fe，b)b(ta，hf)cyd，其中47≤a≤54，35≤b≤38，5≤c≤12，0.5≤d≤3。

本发明的非晶合金中采用适用的非晶合金原料组成，由于非晶合金组成中包含有具有一定杀菌效果的金属离子，如cu、ni等，本发明中的非晶合金刀具还具有优于普通刀具的杀菌功能。上述合金组成中，a、b、c、d、e、f指的是各个合金组成中的各金属原子的数量比。

本发明中还提供上述低创面非晶合金刀具的制备方法：

所述非晶合金刀具整体为一种非晶合金材料；通过真空压铸、吸铸、浇铸技术将非晶合金原料加工成所需刀具；

或者，

所述非晶合金刀具整体为多种非晶合金材料；通过多次真空压铸、吸铸、浇铸技术将非晶合金原料加工成所需刀具。

针对本发明中提供的制备方法进行第一种改进：

所述制备方法中分设刀具整体模具和刀刃部分模具；首选，通过真空压铸、吸铸、浇铸技术将非晶合金原料加工成刀具的整体外形轮廓；然后，加热刀刃部分至软化，放置入刀刃部分模具中进行压制成型，形成刀刃部分；最后，冷却得到所需非晶合金刀具。

针对本发明中提供的制备方法进行第二种改进：

所述制备方法中分设刀具整体模具和刀刃部分模具；首选，通过真空压铸、吸铸、浇铸技术将第一非晶合金原料加工成刀具的外形轮廓，所述外形轮廓中不包括刀刃部分；然后，将制得的刀具外形轮廓放置于刀刃部分模具中，通过模内压铸工艺对第二非晶合金原料进行熔炼、压铸，从而在刀具外形轮廓上制成刀具的刀刃部分；最后，冷却得到所需非晶合金刀具；

所述第一非晶合金原料的玻璃态转变温度高于第二非晶合金原料。

针对本发明中提供的制备方法进行第三种改进：

首选，通过真空压铸、吸铸、浇铸技术将第一非晶合金原料加工成刀具的外形轮廓，利用增材加工技术使用第二非晶合金原料在刀具外形轮廓上直接加工出刀刃部分。

进一步地，所述增材加工技术为利用金属3d打印机或者金属快速成型机。

针对本发明中提供的制备方法进行第四种改进：

首选，通过真空压铸、吸铸、浇铸技术将第一非晶合金原料加工成刀具的外形轮廓，通过物理气相沉积、等离子溅射工艺中的一种或者两种的结合使用第二非晶合金原料在刀具的外形轮廓上加工出刀刃部分。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种具有切割低创面的非晶合金刀具，并且提供了上述刀具的制备方法。本发明中的非晶合金刀具刀刃硬度高、锋利度高，刀具整体具有高强屈服强度和低表面能，切削过程中对切削处创口小、切削的平整度高，可大大提升切削效率。

附图说明

图1为现有技术中不锈钢刀具刃口部分微观结构示意图；

图2为本发明中低创面非晶合金刀具刃口部分的微观结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

为测试结果比较的平行性计，本发明实施例中非晶合金刀具的厚度均为0.2mm，刃口两面夹角为10°。

实施例1

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

分设刀具整体模具和刀刃部分模具。刀具整体模具即根据刀具整体轮廓进行设计，刀刃部分模具根据加工过程中刀刃部分要求进行设计。

首选，通过真空压铸将非晶合金原料（原料组成为zr42.7ti12.3cu22.4ni11.6al11）加工成刀具的整体外形轮廓，熔炼温度为1000-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为89%（利用显微镜观察计算）。

然后，加热刀刃部分至软化，该软化状态为可进行压制成型的状态，但是还未及玻璃转化温度，然后将刀刃部分放置入刀刃部分模具中进行压制成型，锁模力为撑模力量的1.5-1.6倍，利用模具压力，形成刀刃部分。

冷却得到所需非晶合金刀具，对非晶合金刀具进行适应性的外观修整即可得到非晶合金刀具成品。所述适应性外观修整指的是利用cnc等机械加工方法或者其他加工方法按照设定的刀具形状或者其他要求去除残留水口或者进行表面处理。

实施例2

本实施例中非晶合金刀具的制备方法与实施例1中近乎相同，不同之处在于：所使用的非晶合金原料组成为ti48.7zr17.5ni16.9be16.9，熔炼温度为1010-1020℃，制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为92%（利用显微镜观察计算）。

实施例3

本实施例中非晶合金刀具的制备方法与实施例1中近乎相同，不同之处在于：所使用的非晶合金原料组成为fe46.7co24cr11mo3b6.7y5mn2.6n0.6c0.4，熔炼温度为1010-1020℃，制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为85.3%（利用显微镜观察计算）。

实施例4

本实施例中非晶合金刀具的制备方法与实施例1中近乎相同，不同之处在于：所使用的非晶合金原料组成为ti29.6zr2.5cu54.9ni8si1sn1al2b1，熔炼温度为1120-1130℃，制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为85.2%（利用显微镜观察计算）。

实施例5

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

分设刀具整体模具和刀刃部分模具。刀具整体模具即根据刀具整体轮廓进行设计，刀刃部分模具根据加工过程中刀刃部分要求进行设计。

首选，通过真空压铸将第一非晶合金原料la54.3al22.6cu7ni7co8zr1hf0.1加工成刀具的外形轮廓，外形轮廓中不包括刀刃部分。熔炼温度为980-990℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为85%（利用显微镜观察计算）。

然后，将制得的刀具外形轮廓放置于刀刃部分模具中，通过模内压铸工艺对第二非晶合金原料co50.7fe37.4b1.9ta4hf5y1进行熔炼、压铸，其中，熔炼温度为1100-1120℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10⁵-10⁶k/s，锁模力为撑模力量的1.5-1.6倍，从而在刀具外形轮廓上制成刀具的刀刃部分。

最后，冷却得到所需非晶合金刀具，对非晶合金刀具进行适应性的外观修整即可得到非晶合金刀具成品。

实施例6

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

分设刀具整体模具和刀刃部分模具。刀具整体模具即根据刀具整体轮廓进行设计，刀刃部分模具根据加工过程中刀刃部分要求进行设计。

首选，通过真空压铸将第一非晶合金原料zr42.7ti12.3cu22.4ni11.6al11加工成刀具的外形轮廓，外形轮廓中不包括刀刃部分。熔炼温度为1010-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为90%（利用显微镜观察计算）。

然后，将制得的刀具外形轮廓放置于刀刃部分模具中，通过模内压铸工艺对第二非晶合金原料zr47.39hf5ti8cu12ni9al6be6mg5.6y1c0.01进行熔炼、压铸，其中，熔炼温度为1010-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10⁵-10⁶k/s，锁模力为撑模力量的1.5-1.6倍，从而在刀具外形轮廓上制成刀具的刀刃部分。

最后，冷却得到所需非晶合金刀具，对非晶合金刀具进行适应性的外观修整即可得到非晶合金刀具成品。

实施例7

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

分设刀具整体模具和刀刃部分模具。刀具整体模具即根据刀具整体轮廓进行设计，刀刃部分模具根据加工过程中刀刃部分要求进行设计。

首选，通过真空压铸将第一非晶合金原料zr42.7ti12.3cu22.4ni11.6al11加工成刀具的外形轮廓，外形轮廓中不包括刀刃部分。熔炼温度为1010-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为90%（利用显微镜观察计算）。

然后，将制得的刀具外形轮廓放置于刀刃部分模具中，通过模内压铸工艺对第二非晶合金原料ni60.1zr5hf5ta8.4ti2.1si1.6b0.7nb17.1进行熔炼、压铸，其中，熔炼温度为1150-1160℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10⁵-10⁶k/s，锁模力为撑模力量的1.5-1.6倍，从而在刀具外形轮廓上制成刀具的刀刃部分。

最后，冷却得到所需非晶合金刀具，对非晶合金刀具进行适应性的外观修整即可得到非晶合金刀具成品。

实施例8

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

分设刀具整体模具和刀刃部分模具。刀具整体模具即根据刀具整体轮廓进行设计，刀刃部分模具根据加工过程中刀刃部分要求进行设计。

首选，通过真空压铸将第一非晶合金原料cu55.5zr30.5hf11al2nb1加工成刀具的外形轮廓，外形轮廓中不包括刀刃部分。熔炼温度为1000-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为86%（利用显微镜观察计算）。

然后，将制得的刀具外形轮廓放置于刀刃部分模具中，通过模内压铸工艺对第二非晶合金原料co50.7fe37.4b1.9ta4hf5y1进行熔炼、压铸，其中，熔炼温度为1150-1160℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10⁵-10⁶k/s，锁模力为撑模力量的1.5-1.6倍，从而在刀具外形轮廓上制成刀具的刀刃部分。

最后，冷却得到所需非晶合金刀具，对非晶合金刀具进行适应性的外观修整即可得到非晶合金刀具成品。

实施例9

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

通过真空压铸将非晶合金原料（原料组成为zr42.7ti12.3cu22.4ni11.6al11）加工成刀具的整体外形轮廓，熔炼温度为1000-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为89%（利用显微镜观察计算）。

利用3d打印机将原料组成为ti48.7zr17.5ni16.9be16.9的非晶原料在刀具外形轮廓上直接加工出刀刃部分。

实施例10

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

通过真空压铸将非晶合金原料（原料组成为cu55.5zr30.5hf11al2nb1）加工成刀具的整体外形轮廓，熔炼温度为1000-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为86%（利用显微镜观察计算）。

利用3d打印机将原料组成为ti48.7zr17.5ni16.9be16.9的非晶原料在刀具外形轮廓上直接加工出刀刃部分。

实施例11

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

通过真空压铸将非晶合金原料（原料组成为zr42.7ti12.3cu22.4ni11.6al11）加工成刀具的整体外形轮廓，熔炼温度为1000-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为89%（利用显微镜观察计算）。

通过物理气相沉积技术将原料组成为ti48.7zr17.5ni16.9be16.9的非晶原料在刀具外形轮廓上直接加工出刀刃部分。

实施例12

本实施例中非晶合金刀具的制备方法为：

通过真空压铸将非晶合金原料（原料组成为zr42.7ti12.3cu22.4ni11.6al11）加工成刀具的整体外形轮廓，熔炼温度为1000-1020℃，熔炼仓体真空度低于10pa，冷却速率为10³-10⁴k/s，锁模力为撑模力量的1.3-1.5倍；制备出的非晶合金刀具中非晶态占比约为89%（利用显微镜观察计算）。

通过等离子溅射技术将原料组成为ti48.7zr17.5ni16.9be16.9的非晶原料在刀具外形轮廓上直接加工出刀刃部分。

对比例1

市售02cr19ni13mo3不锈钢刀具。

对比例2

市售碳化钛涂层不锈钢刀具。

本发明的实施例及对比例刀具参数主要采用维氏硬度、锋利度、屈服强度和表面粗糙度进行表征，其中维氏硬度、屈服强度和表面粗糙度采用现有技术中的测试方法，在此不加赘述。刀具的锋利度是大局质量技术指标中最为重要的一项，是表征刀具是否锋利、切削能力是否合格的客观属性。我国目前对刀具锋利度的测试使用的是轻工行业的标准《qb/t2141.2-1995日用小刀锋利度测试方法》，由于该测试标准中使用的机械测试方法测定的只是刀具的某一点的锋利度值，不能反映整个刃口锋利度的程度，而且被切物的不规范对实验结果的准确性有非常大的影响，同时机械测试方法模拟的是纵切的过程，无法模拟真正的切割全过程。所以，本发明中使用的刀具锋利度测试方法为利用上海威夏环保科技有限公司手术刀片锋利度专用测试仪，按照标准yy0174-2005《手术刀片》进行测试。

测试结果如下：

由实施例及对比例可以看出，本发明中的非晶合金刀具由于非晶合金微观结构处于无序的特点，其凝结的内部结构为液态时金属的结构，各成分在固态非晶合金中的存在方式为原子级别，非晶合金制成的刃口在高倍放大镜下面可以观察发现其刃口厚度极低，可做到5-30nm，且平整度极高，可以磨制成一条直线，如附图2中所示，微观形态下其刃口处200平整度高，从而在使用过程中可以大大降低创面的宽度，并且便于切割，提高切割效率。相比起现有技术中的不锈钢刀具，如附图1中所示，成型过程中内部结构中晶粒粗大，在开刃时会遇到晶粒排布参差不齐的情况，在高倍放大镜下观察会发现刃口处100呈现锯齿状，在切割的过程中会产生较大的创面，同时增加切割的难度，需要加大施加的力度才能达到切割的效果。

本发明中刀具屈服强度在800-1200mpa范围内，优于不锈钢制刀具和硬质涂层刀具，本发明非晶合金制成的手术刀，材质坚硬并且硬度高，弹性好，在手术过程中遇到阻力不会变形，可回弹继续使用。本发明中的非晶合金刀具在铸造过程中可以直接脱模成型，对模具的复制能力强，其原子级别的微观结构使刀片表面容易加工成表面粗糙度极低、表面能极低的外表面，刀锋上不容易沾上异物，从而使锋利度大幅提升，远优于不锈钢刀具和硬质合金涂层刀具。本发明中，有选对刀具刃口角度进行设定，控制在5-20°范围内，进一步提升刀具刃口的切削效率。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。