一种耐崩刃金属陶瓷刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及刀具制造技术领域，具体为一种耐崩刃金属陶瓷刀具及其制备方法。

背景技术

高速切削技术因其高生产率、绿色环保等特点，已成为工业化国家金属切削生产实践中的主流工艺技术之一。随着切削速度的成倍增加，切削刀具的使用寿命将大幅降低。陶瓷刀具材料在制备和使用过程中难免会引入的各类微缺陷，也会不同程度地引发刀具破损失效。如在陶瓷刀片的刃磨或切削过程中，切削刃工作表面上很容易产生微裂纹缺陷。这些微裂纹的尖端处存在应力集中现象，其应力值比周围有明显增大。当应力达到一定程度时，裂纹就会开始扩展，直至失稳断裂，引发刀具的早期破损失效。由刀具微缺陷引发的刀具破损失效现象在国产陶瓷刀具的使用中尤为突出。

随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们的环保意识不断加强。同时由于环境恶化、地球变暖促使细菌滋生，病毒感染和发病率也逐步上升。现有技术中，家庭日常使用、工厂的刀具主要由金属或者合金制成，如果使用完毕清洗不及时或不彻底，容易滋生细菌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐崩刃金属陶瓷刀具及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种耐崩刃金属陶瓷刀具，所述耐崩刃金属陶瓷刀具包括复合陶瓷刀基体、抗菌膜。

进一步的，所述复合陶瓷刀基体由以下方法制得，将硬质材料平铺，预压后，交变磁场下加热一段时间，恒定磁场下继续加热得基料；向基料表面平铺氮化硅，加热后，飞秒激光得柱状氮化硅基体；向柱状氮化硅基体平铺四元陶瓷前料，预压后，再平铺硬质材料，预压后，交变磁场下加热一段时间，恒定磁场下继续加热，再速冻得复合陶瓷刀基体。

进一步的，所述硬质材料为二硼化钛、硼化钨、二氧化硅、氧化铝混合制得；所述四元陶瓷前料为碳化锆、铝和碳化硅混合制得。

进一步的，所述抗菌膜由环氧丙基三甲氧基硅烷、N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、羟基吡咯烷制得。

进一步的，一种耐崩刃金属陶瓷刀具的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)将硬质材料置于模具内，平铺至厚度为6～10mm，10～20MPa下预压1～3min后，升温至500～560℃，0.05～0.20T交变磁场下加热3～5h后，升温至600～660℃，0.05～0.20T恒定磁场下加热4～6h，得基料；

(2)向基料表面平铺6～10mm厚的氮化硅，660～670℃下加热3～6h后，飞秒激光1～3min得柱状氮化硅基体；

(3)向柱状氮化硅基体平铺5～8mm厚的四元陶瓷前料，10～20MPa下预压1～3min后，再平铺一层6～10mm厚的硬质材料，10～20MPa、140～160℃下预压2～5min后，升温至600～640℃，0.05～0.20T交变磁场下加热4～8h后，升温至1000～1030℃，0.05～0.20T恒定磁场下加热6～8h后，-120～-100℃冷却1～3h得复合陶瓷刀基体；

(4)将预处理基体、异丙醇按质量比1:18～1:22混合，加热至60℃，加入预处理基体质量0.3～0.5倍的N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺、预处理基体质量2～5倍的乙酸，反应6～10h后，取出，得季铵盐基体；将季铵盐基体、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、无水乙醇按质量比1:1.6:9～1:2.1:14混合，80rpm搅拌4～6h后，取出，80℃干燥10～14h得双季铵盐基体；

(5)将双季铵盐基体、四氢呋喃按质量比1:16～1:23混合，冷却至0℃，加入双季铵盐基体质量1.0～1.5倍的三苯基膦、双季铵盐基体质量0.8～1.0倍的羟基吡咯烷，氮气保护下，继续加入双季铵盐基体质量1.0～1.2倍的偶氮二甲酸二叔丁酯，升至室温后，80rpm搅拌3～5h后，取出，80℃干燥10～14h得刀具前料；

(6)将刀具前料置于刀具前料质量8～13倍的氯化铁溶液中，100rpm搅拌24～28h后，取出，依次用去离子水、氨水洗涤6～8次，60℃干燥24h得耐崩刃金属陶瓷刀具。

进一步的，步骤(1)、步骤(3)所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛15～30％，硼化钨5～10％，二氧化硅10～20％，其余为氧化铝。

进一步的，步骤(2)所述飞秒激光的条件为中心波长为800nm，脉冲重复频率为1000Hz，脉冲宽度为200fs，单脉冲能量为2mJ。

进一步的，步骤(3)所述四元陶瓷前料为碳化锆、铝和碳化硅按质量比1:0.4:0.1～1:0.6:0.3混合。

进一步的，步骤(4)所述预处理基体的制备方法为：将复合陶瓷刀基体和改性液按料液比1:20～1:30混合，改性液中环氧丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的质量比为1:439～1:520，静置10～14h，取出，依次用无水乙醇、去离子水洗涤6～8次后，110℃干燥12～16h。

进一步的，步骤(6)所述氯化铁溶液为氯化铁和去离子水按质量比1:12混合。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明经过交替平铺、预压以及多次磁加热处理，形成复合陶瓷刀基体，同时表面包覆抗菌膜，以实现耐崩刃、抗菌的效果。

首先，本发明利用二硼化钛、硼化钨、碳化钛等为硬质材料，平铺在底部，预压后，进行第一次磁加热处理，硬质材料在交变磁场作用下，产生感应电流，提高加热反应效率，推动自蔓延反应进行，从而提高金属陶瓷刀具的致密度，增益陶瓷刀具的耐崩刃性，然后将交变磁场变为恒定磁场，细化晶粒，减少加热产生的夹杂物，使各成分分布更均匀，提高整体硬度，从而增益金属陶瓷刀具的耐崩刃效果；接着平铺一层氮化硅，进行热处理，形成界面过渡层，提高断裂韧度，从而增益金属陶瓷刀具的耐崩刃性；然后进行激光刻蚀，使表面氮化硅呈柱体分布，能够对刀刃起到支撑作用；在柱体间空隙填充碳化锆、铝和碳化硅的混合颗粒，预压后，再平铺一层硬质材料，进行第二次磁加热处理，交变磁场对复合颗粒产生扰动，生成巨大动能，在热效应的推动下，复合颗粒生成四元陶瓷，包裹柱状体，并且在恒定磁场加热过程中，四元陶瓷壳层扎钉于上下硬质材料层，并对硬质层的碳化物粘结固化，提高金属陶瓷刀具的硬度，同时，四元陶瓷壳层在金属陶瓷刀高速切削过程中，受热氧化生成的氧化物能够填补裂纹，此外，交替平铺、预压能够形成相互交错的过渡区界面，增益金属陶瓷刀的耐崩刃性；接着进行速冻处理，提高整体硬度和抗磨性，从而增益金属陶瓷刀的耐崩刃性。

其次，本发明利用环氧丙基三甲氧基硅烷的硅氧键，接枝于金属陶瓷刀表面，N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺分别与环氧基、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇的溴离子反应，生成双季铵盐基团，使金属陶瓷刀具有抗菌性，同时引入耐热性金刚烷基团，提高抗菌膜的热稳定性；然后甲醇基与羟基吡咯烷的羟基反应，在金属陶瓷刀表面引入吡咯烷基，接着吡咯基团催化聚合形成聚吡咯，能与细菌产生静电排斥力，同时与甲基、环己烷等输水侧链构建疏水表面，能够有效防止细菌粘附，从而增益金属陶瓷刀的抗菌性。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例中制作的耐崩刃金属陶瓷刀具的各指标测试方法如下：

耐崩刃性：取相同大小、质量的实施例与对比例进行切削性能测试，在切削速度400m/min、进给量0.102mm/r、背吃刀量0.1mm、切削距离4000m下，测量磨损宽。

抗菌性：取相同大小的实施例与对比例参照JC/T897测量抗菌率。

实施例1

(1)将硬质材料置于模具内，平铺至厚度为6mm，10MPa下预压1min后，升温至500℃，0.05T交变磁场下加热3h后，升温至600℃，0.05T恒定磁场下加热4h，得基料；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛15％，硼化钨5％，二氧化硅10％，其余为氧化铝；

(2)向基料表面平铺6mm厚的氮化硅，660℃下加热3h后，飞秒激光1min得柱状氮化硅基体；所述飞秒激光的条件为中心波长为800nm，脉冲重复频率为1000Hz，脉冲宽度为200fs，单脉冲能量为2mJ；

(3)将碳化锆、铝和碳化硅按质量比1:0.4:0.1混合得四元陶瓷前料，向柱状氮化硅基体平铺5mm厚的四元陶瓷前料，10MPa下预压1min后，再平铺一层6mm厚的硬质材料，10MPa、140℃下预压2min后，升温至600℃，0.05T交变磁场下加热4h后，升温至1000℃，0.05T恒定磁场下加热6h后，-120℃冷却1h得复合陶瓷刀基体；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛15％，硼化钨5％，二氧化硅10％，其余为氧化铝；

(4)将复合陶瓷刀基体和改性液按料液比1:20混合，改性液中环氧丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的质量比为1:439，静置10h，取出，依次用无水乙醇、去离子水洗涤6次后，110℃干燥12h得预处理基体；

(5)将预处理基体、异丙醇按质量比1:18混合，加热至60℃，加入预处理基体质量0.3倍的N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺、预处理基体质量2倍的乙酸，反应6h后，取出，得季铵盐基体；将季铵盐基体、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、无水乙醇按质量比1:1.6:9混合，80rpm搅拌4h后，取出，80℃干燥10h得双季铵盐基体；

(6)将双季铵盐基体、四氢呋喃按质量比1:16混合，冷却至0℃，加入双季铵盐基体质量1.0倍的三苯基膦、双季铵盐基体质量0.8倍的羟基吡咯烷，氮气保护下，继续加入双季铵盐基体质量1.0倍的偶氮二甲酸二叔丁酯，升至室温后，80rpm搅拌3h后，取出，80℃干燥10h得刀具前料；

(7)将刀具前料置于刀具前料质量8倍的氯化铁溶液，氯化铁溶液中氯化铁和去离子水的质量比为1:12，100rpm搅拌24h后，取出，依次用去离子水、氨水洗涤6次，60℃干燥24h得耐崩刃金属陶瓷刀具。

实施例2

(1)将硬质材料置于模具内，平铺至厚度为8mm，15MPa下预压2min后，升温至530℃，0.13T交变磁场下加热4h后，升温至630℃，0.13T恒定磁场下加热5h，得基料；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛22％，硼化钨7.5％，二氧化硅15％，其余为氧化铝；

(2)向基料表面平铺8mm厚的氮化硅，665℃下加热4.5h后，飞秒激光2min得柱状氮化硅基体；所述飞秒激光的条件为中心波长为800nm，脉冲重复频率为1000Hz，脉冲宽度为200fs，单脉冲能量为2mJ；

(3)将碳化锆、铝和碳化硅按质量比1:0.5:0.2混合得四元陶瓷前料，向柱状氮化硅基体平铺6.5mm厚的四元陶瓷前料，15MPa下预压2min后，再平铺一层8mm厚的硬质材料，15MPa、150℃下预压3min后，升温至620℃，0.13T交变磁场下加热6h后，升温至1015℃，0.13T恒定磁场下加热7h后，-110℃冷却2h得复合陶瓷刀基体；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛22％，硼化钨7.5％，二氧化硅15％，其余为氧化铝；

(4)将复合陶瓷刀基体和改性液按料液比1:25混合，改性液中环氧丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的质量比为1:480，静置12h，取出，依次用无水乙醇、去离子水洗涤7次后，110℃干燥14h得预处理基体；

(5)将预处理基体、异丙醇按质量比1:20混合，加热至60℃，加入预处理基体质量0.4倍的N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺、预处理基体质量3.5倍的乙酸，反应8h后，取出，得季铵盐基体；将季铵盐基体、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、无水乙醇按质量比1:1.9:11.5混合，80rpm搅拌5h后，取出，80℃干燥12h得双季铵盐基体；

(6)将双季铵盐基体、四氢呋喃按质量比1:20混合，冷却至0℃，加入双季铵盐基体质量1.2倍的三苯基膦、双季铵盐基体质量0.9倍的羟基吡咯烷，氮气保护下，继续加入双季铵盐基体质量1.1倍的偶氮二甲酸二叔丁酯，升至室温后，80rpm搅拌4h后，取出，80℃干燥12h得刀具前料；

(7)将刀具前料置于刀具前料质量10.5倍的氯化铁溶液，氯化铁溶液中氯化铁和去离子水的质量比为1:12，100rpm搅拌26h后，取出，依次用去离子水、氨水洗涤7次，60℃干燥24h得耐崩刃金属陶瓷刀具。

实施例3

(1)将硬质材料置于模具内，平铺至厚度为10mm，20MPa下预压3min后，升温至560℃，0.20T交变磁场下加热5h后，升温至660℃，0.20T恒定磁场下加热6h，得基料；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛30％，硼化钨10％，二氧化硅20％，其余为氧化铝；

(2)向基料表面平铺10mm厚的氮化硅，670℃下加热6h后，飞秒激光3min得柱状氮化硅基体；所述飞秒激光的条件为中心波长为800nm，脉冲重复频率为1000Hz，脉冲宽度为200fs，单脉冲能量为2mJ；

(3)将碳化锆、铝和碳化硅按质量比1:0.6:0.3混合得四元陶瓷前料，向柱状氮化硅基体平铺8mm厚的四元陶瓷前料，20MPa下预压3min后，再平铺一层10mm厚的硬质材料，20MPa、160℃下预压5min后，升温至640℃，0.20T交变磁场下加热8h后，升温至1030℃，0.20T恒定磁场下加热8h后，-100℃冷却3h得复合陶瓷刀基体；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛30％，硼化钨10％，二氧化硅20％，其余为氧化铝；

(4)将复合陶瓷刀基体和改性液按料液比1:30混合，改性液中环氧丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的质量比为1:520，静置14h，取出，依次用无水乙醇、去离子水洗涤8次后，110℃干燥16h得预处理基体；

(5)将预处理基体、异丙醇按质量比1:22混合，加热至60℃，加入预处理基体质量0.5倍的N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺、预处理基体质量5倍的乙酸，反应10h后，取出，得季铵盐基体；将季铵盐基体、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、无水乙醇按质量比1:2.1:14混合，80rpm搅拌6h后，取出，80℃干燥14h得双季铵盐基体；

(6)将双季铵盐基体、四氢呋喃按质量比1:23混合，冷却至0℃，加入双季铵盐基体质量1.5倍的三苯基膦、双季铵盐基体质量1.0倍的羟基吡咯烷，氮气保护下，继续加入双季铵盐基体质量1.2倍的偶氮二甲酸二叔丁酯，升至室温后，80rpm搅拌5h后，取出，80℃干燥14h得刀具前料；

(7)将刀具前料置于刀具前料质量13倍的氯化铁溶液，氯化铁溶液中氯化铁和去离子水的质量比为1:12，100rpm搅拌28h后，取出，依次用去离子水、氨水洗涤8次，60℃干燥24h得耐崩刃金属陶瓷刀具。

对比例1

对比例1与实施例2的区别在于步骤(1)的不同，将步骤(1)改为：将硬质材料置于模具内，平铺至厚度为8mm，15MPa下预压2min后，得基料；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛22％，硼化钨7.5％，二氧化硅15％，其余为氧化铝。其余步骤同实施例2。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于无步骤(2)，步骤(3)改为：将碳化锆、铝和碳化硅按质量比1:0.5:0.2混合得四元陶瓷前料，向基料平铺6.5mm厚的四元陶瓷前料，15MPa下预压2min后，再平铺一层8mm厚的硬质材料，15MPa、150℃下预压3min后，升温至620℃，0.13T交变磁场下加热6h后，升温至1015℃，0.13T恒定磁场下加热7h后，-110℃冷却2h得复合陶瓷刀基体；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛22％，硼化钨7.5％，二氧化硅15％，其余为氧化铝。其余步骤同实施例2。

对比例3

对比例3与实施例2的区别在于步骤(3)的不同，将步骤(3)改为：向柱状氮化硅基体平铺8mm厚的硬质材料，15MPa、150℃下预压3min后，升温至620℃，0.13T交变磁场下加热6h后，升温至1015℃，0.13T恒定磁场下加热7h后，-110℃冷却2h得复合陶瓷刀基体；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛22％，硼化钨7.5％，二氧化硅15％，其余为氧化铝。其余步骤同实施例2。

对比例4

对比例4与实施例2的区别在于步骤(3)的不同，将步骤(3)改为：将碳化锆、铝和碳化硅按质量比1:0.5:0.2混合得四元陶瓷前料，向柱状氮化硅基体平铺6.5mm厚的四元陶瓷前料，15MPa下预压2min后，再平铺一层8mm厚的硬质材料，15MPa、150℃下预压3min后，升温至1015℃，加热18h得复合陶瓷刀基体；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛22％，硼化钨7.5％，二氧化硅15％，其余为氧化铝。其余步骤同实施例2。

对比例5

(1)将硬质材料于15MPa下预压2min后，升温至1015℃，加热18h后，-110℃冷却2h得复合陶瓷刀基体；所述硬质材料各原料组分体积百分比为二硼化钛22％，硼化钨7.5％，二氧化硅15％，其余为氧化铝；

(2)将复合陶瓷刀基体和改性液按料液比1:25混合，改性液中环氧丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇的质量比为1:480，静置12h，取出，依次用无水乙醇、去离子水洗涤7次后，110℃干燥14h得预处理基体；

(3)将预处理基体、异丙醇按质量比1:20混合，加热至60℃，加入预处理基体质量0.4倍的N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺、预处理基体质量3.5倍的乙酸，反应8h后，取出，得季铵盐基体；将季铵盐基体、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、无水乙醇按质量比1:1.9:11.5混合，80rpm搅拌5h后，取出，80℃干燥12h得双季铵盐基体；

(4)将双季铵盐基体、四氢呋喃按质量比1:20混合，冷却至0℃，加入双季铵盐基体质量1.2倍的三苯基膦、双季铵盐基体质量0.9倍的羟基吡咯烷，氮气保护下，继续加入双季铵盐基体质量1.1倍的偶氮二甲酸二叔丁酯，升至室温后，80rpm搅拌4h后，取出，80℃干燥12h得刀具前料；

(5)将刀具前料置于刀具前料质量10.5倍的氯化铁溶液，氯化铁溶液中氯化铁和去离子水的质量比为1:12，100rpm搅拌26h后，取出，依次用去离子水、氨水洗涤7次，60℃干燥24h得耐崩刃金属陶瓷刀具。

对比例6

对比例6与实施例2的区别在于步骤(5)的不同，将步骤(5)改为：将预处理基体、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、无水乙醇按质量比1:2.1:14混合，80rpm搅拌6h后，取出，80℃干燥14h得双季铵盐基体。其余步骤同实施例2。

对比例7

对比例7与实施例2的区别在于无步骤(6)、步骤(7)，其余步骤同实施例2。

效果例

下表1给出了采用本发明实施例1至3与对比例1至7的耐崩刃金属陶瓷刀具的性能分析结果。

表1

从实施例与对比例磨损宽实验数据比较可发现，本发明利用硬质材料与氮化硅、四元陶瓷前料交替平铺、预压，形成相互交错的过渡区界面，增益金属陶瓷刀的耐崩刃性，且每次预压后，进行磁加热处理，推动自蔓延反应进行，从而提高金属陶瓷刀具的致密度，还能细化晶粒，减少加热产生的夹杂物，使各成分分布更均匀，提高整体硬度，增益陶瓷刀具的耐崩刃性，同时在第二次磁加热处理前，利用激光刻蚀氮化硅呈柱体结构，能够对刀刃起到支撑作用，第二次磁加热处理后，生成四元陶瓷，包裹柱状体，同时扎钉于上下硬质材料层，并对硬质层的碳化物粘结固化，提高金属陶瓷刀具的硬度，并且在切削过程中，受热氧化生成的氧化物能够填补裂纹，增益金属陶瓷刀的耐崩刃性；从实施例与对比例的抗菌率实验数据比较可发现，本发明利用环氧丙基三甲氧基硅烷、N,N,N',N'-四甲基-1,2-环己烷二胺、(3-溴-5,7-二甲基金刚烷-1-基)甲醇、羟基吡咯烷反应接枝于陶瓷刀具表面，生成双季铵盐抗菌基团和聚吡咯结构，共同作用，增益金属陶瓷刀的抗菌性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。