專利名稱：帶有硬涂層的自磨銳切割工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自磨銳刀具及其它切割工具，其刀片上帶有硬的片狀或?qū)訝顔螌油繉踊蚨鄬油繉印?br> 刀片或相似切割工具的切割刃的鋒利度是家用刀具、工業(yè)刀具及常用的切割工具的重要特性。
很久以前就知道由于由較軟材料構(gòu)成的切割刃會(huì)極快地變鈍，所以刀片材料的硬度是使刀片的切割刃保持鋒利度的重要因素。另一方面刀片經(jīng)常被制成薄的長(zhǎng)條形或薄片形，而刀刃必須具有一定柔韌性以避免使用時(shí)脆性斷裂或形成缺口。由于大多數(shù)硬材料通常易碎和容易斷裂，所以硬度和柔韌性這兩種特性經(jīng)常相互矛盾。
為了實(shí)現(xiàn)這兩種特性的最佳結(jié)合，包括淬火、熱處理或煉制合金(alloying)的各種技術(shù)已經(jīng)在歷史上被采用。
US 6,105,261描述了一種自磨銳刀片，其包括具有相對(duì)較高耐磨損性從而基本上定出切割刃的第一較硬層及位于該第一層一側(cè)并由較低耐磨損性材料構(gòu)成的第二較軟層。較硬層的厚度為0.3微米～1.5mm。US專利中舉出的實(shí)施例包括通過金屬加工術(shù)或機(jī)械加工得到的刀片，如輥壓(Rolling)幾層鋼片、熱壓并燒結(jié)含有金剛石及其它硬材料的粉末、及在塑料上涂覆沉積。機(jī)械加工通常會(huì)生成相對(duì)較厚的硬材料層，因而不能得到較好的刀片鋒利度。
對(duì)制造帶有硬涂層的刀片已作為各種償試。US 6,109,138公開了一種刀片，其刀刃的一側(cè)用基質(zhì)中的顆粒狀材料涂覆。根據(jù)描述，基質(zhì)比顆粒材料柔軟，這種涂層如下大量顆粒從基質(zhì)突出從而在刀刃上構(gòu)成切割尖端(cutting tip)。這種刀片具有增強(qiáng)刀刃的保持性并適于實(shí)際應(yīng)用，例如作為家用廚用刀具。然而帶有這種涂層的刀具有許多缺點(diǎn)而限制了其應(yīng)用。涂覆過程不會(huì)形成較薄的涂層，涂層厚度通常是25-30微米。涂層由在基本上較軟金屬基質(zhì)中隨機(jī)分布的硬顆粒構(gòu)成，因而這種涂層結(jié)構(gòu)不能在涂層厚度內(nèi)形成整齊的自磨銳刀刃。這限制了帶有這種厚度的硬涂層刀片所能達(dá)到的鋒利度。此外，由突出于基質(zhì)的硬材料的分散顆粒形成的切割刃不是提供光滑的切割功能，而是起到了使被切割材料撕開的作用。與例如解剖刀的純壓縮切割功能相比，這通常需要向切割刃施加較高的外力。涂層通常是在″沉積時(shí)(as-deposited)″的狀態(tài)；換句話說對(duì)涂層本身沒有額外或后加工的處理，因而通常會(huì)有較粗糙的形狀。表面粗糙度及由此引起的涂層和被切割材料間的摩擦增大會(huì)進(jìn)一步防礙切割功能。由此，帶有這種涂層的切割工具由于其有限的鋒利度和粗糙的表面形狀(導(dǎo)致撕裂而不是切割)，使其應(yīng)用受到限制。
對(duì)于制造帶有由鈷或其它柔軟金屬基質(zhì)中的碳化鎢顆粒構(gòu)成的硬涂層的刀片已經(jīng)進(jìn)行了各種償試，證實(shí)了所謂的″自磨銳作用″極大地取決于涂層結(jié)構(gòu)和性能。例如，用于沉積鈷基質(zhì)涂層中的碳化鎢的高速氧火焰(HVOF)法的確可提供自磨銳作用，并被用于實(shí)際應(yīng)用中。相比而言，當(dāng)使用被稱為等離子體噴涂的相似涂覆方法沉積WC/Co涂層時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)自磨銳作用。盡管HVOF和等離子體噴涂的涂層由鈷基質(zhì)中的碳化鎢顆粒構(gòu)成，并通過相似的噴涂方法形成，但是它們?cè)谛纬汕懈罟ぞ邥r(shí)的差別證實(shí)獲得自磨銳作用并非容易或明顯的。事實(shí)上，可提供自磨銳作用的涂層的形成極大地取決于涂層的特性，如硬度、多孔性及微結(jié)構(gòu)，這需要廣泛地實(shí)驗(yàn)和分析。
EP 0 567 300描述了一種硬涂層，其具有可從空表面向涂層的外表面延伸的柱狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)。然而，柱狀結(jié)構(gòu)涂層中的磨損和斷裂作用不能為刀刃的鋒利度提供最佳結(jié)構(gòu)。柱狀涂層因微晶柱及其組合的斷裂而磨損，并且在涂層內(nèi)不能變得鋒利。因此，刀刃鋒利度受涂層厚度的限制。
盡管這些技術(shù)增強(qiáng)了刀片的刀刃保持特性，但是不能形成光滑鋒利的類似于解剖刀的刀片。而當(dāng)這種刀片用于切割易被不均勻刀刃剝離或撕裂的薄紙(如衛(wèi)生紙)和相似材料時(shí)，這是特別重要的。
US 5,799,549描述了一種剃須刀片，其兩側(cè)均涂覆有厚度至少為400埃、通常約為2000埃的無(wú)定形金剛石涂層。這種涂層使薄刀片具有硬度和剛性。然而，這種涂層具有亞微米厚度(400埃等于0.04微米，2000埃等于0.2微米)并形成在刀片的兩側(cè)，因此不能提供刀片所需的自磨銳作用。
EP 0 386 658和US 4,945,640描述了一種用于刀刃鋒利的工具的耐磨損涂層及其制造方法。使用化學(xué)氣相沉積法(CVD)來(lái)沉積涂層，其厚度為2～5微米，并由自由鎢與W2C或W3C的混合物，或自由鎢與WC和W3C的混合物構(gòu)成。在這種涂層的所有變體中均含有相對(duì)較軟的金屬鎢，因此這些涂層通常具有相對(duì)適度的硬度，其硬度基本上低于純碳化鎢的硬度。沉積這種涂層的方法在EP 0 329 085、EP 0 305 917、US4,910,091和US 5,262,202中得到了更詳細(xì)的描述。這種涂層可由六氟化鎢、二甲基醚(DME)、氫和氬的氣態(tài)混合物制備。在此方法中，由于WF6和含氧DME間的反應(yīng)而形成低揮發(fā)性的氧氟化鎢。鎢氧氟化物難于用氫還原而保留于涂層中。這需要按US 5,262,202中所述對(duì)涂層進(jìn)行額外的熱處理以提高涂層性能。在這些出版物中所述的涂層具有相對(duì)較低的硬度(低于3000Hv，通常為2300Hv)、不均勻的結(jié)構(gòu)，因此不能實(shí)現(xiàn)自磨銳。如US 4,945,640和EP 0 386 658中所述，這種涂層提供了刀刃鋒利的工具的耐腐蝕性和耐磨損性，但是不能提供自磨銳作用。由于沒有自磨銳作用，所以這種硬涂層僅能為切割工具刀刃的鋒利度保持提供有限的改進(jìn)作用。
可降低切割刀片和被切割材料間摩擦的涂層有助于提高切割功能，并且用較少量的能量就可切割材料。這已通過例如用PTFE薄層涂覆的剃須刀片證實(shí)，其以低摩擦性能著稱。盡管PTFE涂層不能改變剃須刀片的鋒利度，但刀片可在較低外力下移動(dòng)，從而可提高切割功能。柔軟的PTFE涂層可用于溫和的切割應(yīng)用中，如用剃須刀片刮毛發(fā)，但不適于機(jī)械刀具所面對(duì)的更苛求的切割環(huán)境，例如切割紙、塑料、食品等。在這種情況下，柔軟的PTFE涂層會(huì)很快地受損。機(jī)械刀具的切割功能得益于具有較低摩擦而能耐磨損的耐久涂層。
切割刃斜邊的表面粗糙度、尤其是切割刃上的涂層的粗糙度也影響切割功能。較粗糙的斜邊表面經(jīng)常形成帶有較小鋸齒的較粗糙切割刃，從而通過撕裂作用進(jìn)行切割。例如與光滑解剖刀刀片的純壓縮切割功能相比，粗糙并帶鋸齒的刀具需要更高的外力和更高的能量來(lái)進(jìn)行切割。帶鋸齒的刀具被認(rèn)為比帶光滑切割刃的刀具更持久，盡管它們的切割功能較差，尤其是在切割精密材料時(shí)。
本發(fā)明的實(shí)施方案力圖進(jìn)一步改進(jìn)切割刀片結(jié)構(gòu)，從而有利于切割，尤其是切割易因撕裂或斷裂而受損的柔軟材料，同時(shí)使刀片保持刀刃保持特性。
通過對(duì)各種涂層的磨損結(jié)構(gòu)進(jìn)行廣泛實(shí)驗(yàn)和顯微鏡觀察，本申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)通過使用最佳的涂層結(jié)構(gòu)及包括硬度、厚度和摩擦系數(shù)在內(nèi)的涂層性能的組合可實(shí)現(xiàn)最佳的切割功能。
已發(fā)現(xiàn)基本上比刀片材料硬的涂層可降低切割刀片的磨損速率。當(dāng)?shù)镀囊粋?cè)具有硬涂層時(shí)，這一側(cè)的磨損明顯低于沒有涂層的另一側(cè)。由于刀片被用來(lái)切割各種材料，所以微磨損將使材料逐漸從刀片未涂覆的一側(cè)被消除。
因此使用后刀刃將主要由硬涂層構(gòu)成，而該硬涂層由基底刀片材料一側(cè)來(lái)支撐。在此階段涂層的性能取決于其微結(jié)構(gòu)。在較軟基質(zhì)中由顆粒材料構(gòu)成的涂層將使基質(zhì)通過磨損除去，而留下突出于基質(zhì)的顆粒，從而形成基本上不均勻的刀刃。
柱狀結(jié)構(gòu)的硬涂層通常沿柱狀微晶間的邊界斷裂。當(dāng)?shù)镀撞牧弦蚰p而除去，從而留下沒有充分支撐的涂層刀刃時(shí)，較小的微晶顆粒將脫離涂層。在這種情況下，涂層厚度將決定刀刃鋒利度。較厚的涂層通常不能提供充分的鋒利度，而為提高這種刀片的切割能力經(jīng)常在未涂覆一側(cè)形成鋸齒/扇形凹口。這再一次使刀刃基本上不均勻并影響切割功能。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，它提供一種自磨銳切割工具，其切割刃由第一材料或多種材料構(gòu)成，該切割刃僅在其一側(cè)上涂覆有基本上比該第一材料或多種材料更硬的涂層，其特征在于該涂層具有基本上平行于該切割刃的涂覆側(cè)的層狀或片狀的微結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，它提供一種制造自磨銳切割工具的方法，該方法包括如下步驟i)提供由第一材料或多種材料構(gòu)成的切割刃；ii)用基本上比該第一材料或多種材料更硬的涂層來(lái)僅涂覆該切割刃的一側(cè)；
其特征在于，該涂層具有基本上平行于該切割刃的涂覆側(cè)的層狀或片狀的微結(jié)構(gòu)。
具有層狀或片狀的微結(jié)構(gòu)的涂層與公知切割刃的涂層相比表現(xiàn)出不同的性能。當(dāng)?shù)镀撞牧鲜苣p而不能對(duì)所有涂層提供充分支撐時(shí)，涂層的微顆粒將脫離層狀或片狀的結(jié)構(gòu)圖案。這樣在刀片刀刃上留下薄涂層，從而可增強(qiáng)刀刃鋒利度。這種層狀或片狀的微結(jié)構(gòu)也允許在涂層厚度內(nèi)變得鋒利，從而可得到比實(shí)際涂層更鋒利的刀刃。這種刀刃是光滑的并且類似于解剖刀，從而可進(jìn)行光滑清晰的切割，不象類鋸齒刀片那樣通過撕裂或割裂來(lái)切割材料。
通過對(duì)切割工具磨損的比較試驗(yàn)和分析，本申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)層硬度基本上高于其它層硬度的涂層的層狀或片狀的結(jié)構(gòu)可更進(jìn)一步地提高刀刃鋒利度。這種涂層結(jié)構(gòu)可通過公知的變鋒利方法在涂層厚度內(nèi)形成斜邊或多個(gè)斜邊，因此刀刃半徑可降低到基本上小于涂層厚度。這種涂層結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步形成切割刃，從而在涂層厚度內(nèi)表現(xiàn)出自磨銳。與涂層內(nèi)的最硬層相比，較低硬度的涂層(或多層)首先磨損時(shí)將發(fā)生這種現(xiàn)象。因此最硬層突出于該涂層并形成均勻的鋒利切割刃。由于涂層是連續(xù)的并且沿著工具的刀刃設(shè)置，所以該切割刃是連續(xù)均勻的，從而可提供光滑的切割功能。持續(xù)的磨損將通過層狀的涂層保持刀刃的鋒利度。
這種涂層可以包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。碳化鎢混合物是指WC、W2C、W3C和W12C中的兩種或多種的混合物。
該涂層可以包括多層涂層，該涂層的最上層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
該涂層可以包括多層涂層，其包括不同硬度的層，這些不同硬度的層中的至少一層是最硬層。
該涂層可以包括多層涂層，其包括不同硬度的層，其最硬層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
該最硬層可以是涂層的最上層、中間層或基底層。
該涂層可以包括鎢層、碳化鎢層和/或鎢與熔合有含量為0.0005～0.5wt％的氟的碳化鎢的混合物層。
該涂層可以包括鎢層和碳化鎢層，其基本上或者完全不含金屬鎢，且熔合有含量為0.0005～0.5wt％的氟。
該涂層可以包括鎢基底層。
該多層涂層的層可以按硬度從切割刃到涂層的最上層依序增大的順序設(shè)置。
該涂層或其最上層相對(duì)于硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.3或更小。
該涂層可通過化學(xué)氣相沉積法在真空室中制備，其壓力低于大氣壓，溫度高于350℃，優(yōu)選為450℃～550℃。
該涂層總厚度可以為1～25微米，優(yōu)選為3～12微米。
該涂層的暴露表面的粗糙度Ra可為0.8微米或更小，優(yōu)選為0.5微米或更小。
該涂層或其最上層的顯微硬度至少為2000kG/mm2，優(yōu)選至少為2500kG/mm2，更優(yōu)選至少為2900kG/mm2。
本申請(qǐng)人對(duì)各種涂層厚度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明為實(shí)現(xiàn)自磨銳作用，涂層必須足夠厚，優(yōu)選至少為1～2或可能為3微米。另一方面，涂層厚于15-25微米通常不能提供充分的鋒利度。因此最佳的涂層厚度是在上述厚度范圍內(nèi)。
本申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)具有較低摩擦系數(shù)的涂層和具有光滑表面的涂層在切割時(shí)可加速刀片移動(dòng)，并有助于光滑切割功能和切割質(zhì)量。這表明其特別適用于切割柔軟和不耐用的材料，如易于因撕裂或割裂而受損的薄紙。
本發(fā)明也可應(yīng)用于相關(guān)的各種類型的刀具或切割工具中，例如普通家用刀具、工業(yè)中用于切割紙的圓形旋轉(zhuǎn)刀具、閘刀型刀具及各種形狀的切割工具。本發(fā)明可用于相關(guān)的用于切割金屬、木材和/或塑料以及其它的工具中，其中包括鋸、刨子、鉆子和其它機(jī)械工具。
刀片可以制成雙斜邊刀片或單斜邊刀片。在單斜邊刀片的情況下，該涂層形成在平面上或在刀片的斜邊側(cè)，在雙斜邊刀片的情況下，可以涂覆刀片的任一側(cè)。
各種涂覆技術(shù)可用來(lái)沉積涂層材料，其中包括化學(xué)氣相沉積法(CVD)。
WO 00/47796中所述的CVD鎢和碳化鎢涂層已被本申請(qǐng)人用來(lái)制備刀片上的硬涂層。當(dāng)被涂覆到鋼上時(shí)，這種涂層一般包括通常由鎳、銅或其它金屬(優(yōu)選耐氟)構(gòu)成的內(nèi)部亞層，金屬鎢層及含有碳化鎢的更硬的層。這種涂層可通過CVD法從含有六氟化鎢(WF6)、氫氣(H2)和含碳無(wú)氧氣體(例如丙烷(C3H8))所成的氣體混合物制備，其操作溫度為350℃～650℃，優(yōu)選為400℃～550℃。本方法的優(yōu)點(diǎn)是使用無(wú)氧前體，尤其是使用新型的熱預(yù)活化的含碳?xì)怏w(如WO 00/47796中所述)，其使得形成的涂層具有極致密的微晶結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的硬度。含碳?xì)怏w的熱預(yù)活化可有效地控制涂層成份，并用于制備單相碳化鎢及其混合物，包括僅由碳化鎢構(gòu)成而不含金屬鎢的涂層，從而提供增強(qiáng)的硬度。這種涂層相成分已用X-射線衍射分析來(lái)進(jìn)行分析。對(duì)在CVD爐中進(jìn)行的方法的廣泛實(shí)驗(yàn)和分析表明涂層的相成分基本上取決于熱預(yù)活化的溫度(例如500℃～850℃)、烴氣體的分壓及反應(yīng)器中的總壓力(0.1-150kPa)。
烴的初步活性導(dǎo)致烴基團(tuán)及其相應(yīng)的氣相氟在大范圍內(nèi)形成所需的濃度。如WO 00/47796中所述的方法可以將碳化物和/或其混合物與氟和氟碳成分熔合。氟作為最活性的化學(xué)元素當(dāng)其進(jìn)入碳化物晶格時(shí)可以加強(qiáng)原子間的鍵。而正是碳化物原子間的鍵的增強(qiáng)導(dǎo)致了硬度的提高。
除了熔合作用外，活性氟及氟碳成分形成沉積物，該沉積物是微層非柱狀結(jié)構(gòu)，由于熔合的不均勻性各層有不同的硬度。
厚度為1微米～25微米，硬度為25Gpa～40GPa的涂層被涂覆。WO00/47796中所述的CVD法可以制得硬度逐層不同的層狀涂層結(jié)構(gòu)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)自磨銳作用是特別有利的。涂層優(yōu)選具有較低的摩擦系數(shù)，典型地相對(duì)于硬質(zhì)合金(WC/Co)低于0.3。為表征涂層參數(shù)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)，從而提供了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，這些參數(shù)包括涂層結(jié)構(gòu)、厚度、硬度和摩擦系數(shù)。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的切割工具可用如下基底材料之一制造被稱為硬質(zhì)合金的硬合金；陶瓷如碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋯、碳-碳成分材料等；各種含鐵合金如鐵、碳鋼、不銹鋼、工具鋼和高速鋼、鑄鐵；或下列其它材料銅、銀、金、鈷、鎳、硅、鉭、鈮、釩、鎢、鉬、碳、硼及其合金、化合物或混合物、以及鈦合金。
如果切割工具由化學(xué)活性基底材料制成，如鐵、碳鋼、不銹鋼、工具鋼、高速鋼、鑄鐵、和鈦合金等，那么優(yōu)選的是沉積含有如下對(duì)氟化氫具化學(xué)耐性的材料作為中間涂層，如銅、銀、金、鈷、鎳、銠、錸、鉑、銥、鉭、鉬、鈮、釩和硼。中間涂層的厚度為0.1-15微米，優(yōu)選為0.5-5微米，可以通電化學(xué)或化學(xué)沉積水溶液、熔融電解、化學(xué)或物理氣相沉積(例如磁噴涂)或其它方法來(lái)進(jìn)行沉積。
帶有優(yōu)選為鎳、銅或硼的中間涂層的切割工具被置于CVD反應(yīng)爐中，首先沉積鎢內(nèi)層，然后沉積主要由碳化鎢或其混合物或鎢與碳的混合物組成的涂層。CVD涂層的總厚度可以是1微米～25微米，內(nèi)層與外層的厚度比例范圍為1∶1～1∶600。
在切割刃的一側(cè)沉積涂層后，可通過研磨或其它技術(shù)使得另一側(cè)更加鋒利。這樣，刀刃由硬涂層和通常是鋼的基底刀片材料形成。在使用時(shí)，基底刀片材料因磨損被除去，從而留下硬涂層的薄層。當(dāng)基底刀片材料不足以支撐硬涂層時(shí)，涂層的微小片將斷裂，然后通常形成層狀圖案的涂層結(jié)構(gòu)。這便得到了光滑的類似于解剖刀的鋒利刀片刀刃，而較厚的涂層或柱狀結(jié)構(gòu)的涂層不能實(shí)現(xiàn)此目的。這種刀片在實(shí)用中增強(qiáng)了刀刃的鋒利度。
可選擇地或附加地，為進(jìn)一步提高切割功能，刀片的涂覆側(cè)可進(jìn)行拋光或打磨，從而除去涂覆表面上的粗糙物，否則粗糙物會(huì)刮傷被切割的材料。這種額外的拋光或打磨可沿切割刃方向進(jìn)行，從而經(jīng)拋光的刀片能夠光滑地移動(dòng)，以減小切割所用的外力。
在用刀片切割易損傷的柔軟材料時(shí)(例如切割衛(wèi)生紙時(shí))，使用本發(fā)明制造的具有增強(qiáng)鋒利度的光滑的類似于解剖刀的刀片的刀刃是特別有利的。本申請(qǐng)人也已發(fā)現(xiàn)為得到類似于解剖刀的刀片，磨銳的方法應(yīng)該包括用鋒利工具沿切割刃移動(dòng)以去除涂層或基底材料的毛刺(burrs)和突出區(qū)域的整修或磨銳階段。
為更好地理解本發(fā)明并顯示其怎樣起作用，現(xiàn)在將結(jié)合下面的實(shí)施例和附圖進(jìn)行說明，其中

圖1是表明帶有各種涂層的刀具的切割性能的圖表。
實(shí)施例下面的實(shí)施例具體表明涉及CVD涂層的本發(fā)明。然而，因?yàn)槠渌椒ㄒ部梢跃哂兴枰男阅?，所以這些實(shí)施例并不是要將本發(fā)明的范圍限制于那些具體的方法，實(shí)施例1一系列試驗(yàn)刀片由具有如下規(guī)格的馬氏體不銹鋼制得0.35％碳12.5％鉻硬度54Rc尺寸120mm×25mm，基本刃角為15°/側(cè)。
這些刀片隨后用Hardide僅在其一側(cè)涂覆，如下刀片 涂層 厚度/μm 涂層硬度/kG/mm25&6 HardideH(硬) 5 31007&8 HardideH(硬) 10 31009&10 HardideM(多層) 12 2100Hardide-H涂層包括厚為0.5微米的金屬鎢亞層及厚為5或10微米的W2C層。Hardide-M包括厚為0.5微米的金屬鎢亞層、厚為10微米的含碳金屬鎢層及厚為2微米的最硬上層W2C。
然后在320粗沙油石(grit oil stone)上利用精確刀片打磨夾具以20°的角度對(duì)刀片的末被涂覆側(cè)進(jìn)行打磨。
評(píng)估方法用ISO 8442.5標(biāo)準(zhǔn)對(duì)刀片進(jìn)行鋒利度和壽命的切割試驗(yàn)。將刀片固定于指定的ISO切割試驗(yàn)機(jī)中，使刀片切割10mm寬的馬尼拉紙(manila)卡片帶。該卡片包括95％的纖維素纖維，其余(balance)為二氧化硅。后者的作用是提高切割中的磨損速率。刀片在50N的載荷下以50mm/秒的速度在40mm的距離上前后循環(huán)。記錄每次循環(huán)切下的卡片量，用以測(cè)量刀片鋒利度。所有的刀片開始都進(jìn)行60次循環(huán)。
在開始的60次循環(huán)后，檢測(cè)結(jié)果，然后將刀片5和刀片7進(jìn)一步循環(huán)至總計(jì)為1060次循環(huán)。
上述結(jié)果列于表1和圖1中。為進(jìn)行比較，其中同時(shí)顯示了15/20微米的Co/WC噴涂涂層和標(biāo)準(zhǔn)馬氏體不銹鋼刀片的常見數(shù)據(jù)。
表1
各種刀片的壽命性能表明Hardide-H涂層和多層涂層在刀刃保持方面都表現(xiàn)很好。硬涂層可對(duì)刀片產(chǎn)生自磨銳作用，因?yàn)樗鼈兊匿h利度隨切割次數(shù)而增加附圖1的曲線b5和b7表明切割深度隨切割次數(shù)的增長(zhǎng)。
隨著刀刃基底金屬側(cè)的磨損，涂層的尖端開始暴露，從而逐漸使刀片鋒利。然而，一段時(shí)間后，涂層會(huì)部分地?fù)p壞，而留下斷裂或鈍的尖端或刀刃。然后自磨銳過程在大量循環(huán)中自動(dòng)重復(fù)。
將這些結(jié)果與其它涂層比較，例如與普通的WC/Co噴涂涂層相比，Hardide涂層在鋒利度方面表現(xiàn)更好。公知的是帶有碳化鎢/鈷涂層的厚度約為18/20μm的廚用刀具僅能得到約18-20mm的第一切割鋒利度，并大約保持在相同水平，而帶有Hardide涂覆的刀具可得到更好的開始鋒利度，并在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)保持較高水平。
實(shí)施例2將一系列由不銹鋼制得的9個(gè)家用刀具用CVD涂層涂覆，其由鎳層、鎢層和碳化鎢層組成。將刀具置于真空室內(nèi)，使得每個(gè)刀具的一側(cè)被涂覆。形成的這種涂層具有三個(gè)不同的厚度3個(gè)刀片帶有6微米厚的涂層，3個(gè)刀片帶有9微米厚的涂層，3個(gè)刀片帶有13微米厚的涂層。刀片的另一側(cè)通過打磨變鋒利，包括用鋒利工具沿切割刃移動(dòng)以除去涂層和鋼的毛刺(burrs)和突出部分的刀刃整修。形成的涂層其對(duì)WC/Co的摩擦系數(shù)為0.2。
通過在試驗(yàn)臺(tái)上利用固定載荷反復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)切割50mm厚的紙板塊對(duì)刀具進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)記錄切割紙板塊所需的沖擊(stroke)次數(shù)。
所有的試驗(yàn)刀具在約5次循環(huán)后切掉紙板的第一塊，并通常能夠保持這種循環(huán)次數(shù)，而在切掉100塊后逐漸降低。相比而言，標(biāo)準(zhǔn)未涂覆的刀具在約2-3次循環(huán)后切掉第一塊，但當(dāng)切掉第5塊時(shí)循環(huán)次數(shù)增加到70-100次，這是因?yàn)榈度袠O快變鈍。
此試驗(yàn)證明這種涂層可提供自磨銳切割刃。
實(shí)施例3將兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)刀具用CVD涂層涂覆，其由鎳層、鎢層和碳化鎢層組成。將圓形刀具置于真空室內(nèi)，使得刀具的一側(cè)在一個(gè)例子中涂覆5微米的涂層，而在另一個(gè)例子中涂覆10微米的涂層。涂層的顯微硬度是3700Hv。通過整修刀刃并打磨刀刃的另一側(cè)使圓形刀具變得鋒利，用顯微鏡觀察刀刃表明其是光滑的并具有鋒利的類似于解剖刀的刀刃。
試驗(yàn)的刀具表現(xiàn)出增強(qiáng)的切割功能，而不會(huì)損傷被切割的材料(衛(wèi)生紙)。標(biāo)準(zhǔn)刀片通常每12小時(shí)被更換以進(jìn)行重新變鋒利。Hardide涂覆的刀片可連續(xù)使用10周而不需要重新變鋒利，因而它們的鋒利度和易切割功能使其適于這種苛刻的應(yīng)用。對(duì)刀片的連續(xù)操作增加超過100倍，這正是由于刀片自磨銳作用。
實(shí)施例4用切割工具從塑料(聚乙烯)的固體塊切割聚乙烯薄膜的方法被稱為削皮，這種切割工具由工具鋼制成，其中工具鋼是長(zhǎng)條形并帶有一個(gè)或兩個(gè)用于形成鋒利切割刃的角。由于材料和過程的研磨性質(zhì)，這種工具每天必須更換幾次以重新變鋒利，生產(chǎn)中的任何刀片最久能夠持續(xù)約1天。除了極快變鈍外，由于塑料塊中的雜質(zhì)的原因，傳統(tǒng)的刀片易于使切割刃帶缺口。
用CVD碳化鎢涂覆4個(gè)切割工具長(zhǎng)條的平面?zhèn)?，涂層厚度?.5微米～8微米。涂層的顯微硬度為3600Hv，對(duì)WC/Co的摩擦系數(shù)為0.2。
試驗(yàn)持續(xù)7個(gè)月，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)Hardide涂覆的工具僅有一次重新變鋒利，并且沒有使用其它的切割工具。此試驗(yàn)表明該工具的鋒利度至少比普通工具壽命長(zhǎng)70倍。
實(shí)施例5用CVD碳化鎢涂覆刨子刀片，使得刀片的平面?zhèn)葞в杏餐繉?。刀片的另一?cè)(即斜邊側(cè))被磨銳。
該刨子在試驗(yàn)終止前的操作時(shí)間內(nèi)保持了刀片鋒利度，這段時(shí)間超過標(biāo)準(zhǔn)刀片需變鋒利前的操作時(shí)間的3倍?？梢灶A(yù)期到涂覆的刀片可以在更久的操作時(shí)間內(nèi)保持其鋒利度。
實(shí)施例6用多層CVD碳化鎢涂覆由工具鋼制成的金屬切割工具的切割刃的一側(cè)。涂層由1微米的鎳亞層、0.5微米的鎢層、緊接著是交替的約1.5微米厚的碳化鎢層和約0.5微米厚的鎢層，直至涂層的總厚度達(dá)到10微米。涂層對(duì)WC/Co的摩擦系數(shù)為0.2。
用此工具切割鋁，試驗(yàn)表明此工具具有增強(qiáng)的切割質(zhì)量、對(duì)鋁屑的粘性降低，并且此工具保持鋒利比普通未涂覆工具長(zhǎng)至少4倍。然后終止試驗(yàn)，但是可以預(yù)期到涂覆的工具能夠繼續(xù)切割鋁，同時(shí)由于涂層的存在而保持鋒利，從而確保增強(qiáng)切割質(zhì)量。
本發(fā)明優(yōu)選的特征可用于本發(fā)明所有的方面，并可以任何可能的組合來(lái)使用。
在全文的說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語(yǔ)“包括(comprise)”和“contain(含有)”及其變體，如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”，均指“包括但不限于”，并且不意圖(也不)排除其它元件、整體、部分、添加物或步驟。
權(quán)利要求
1.一種自磨銳切割工具，其切割刃由第一材料或多種材料構(gòu)成，所述切割刃僅在其一側(cè)用基本上比所述第一材料或多種材料更硬的涂層來(lái)涂覆，其特征在于所述涂層具有基本上平行于所述切割刃的涂覆側(cè)的層狀或片狀的微結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的工具，其中所述涂層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
3.如權(quán)利要求1所述的工具，其中所述涂層是多層涂層，所述涂層的最上層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
4.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其中所述涂層是多層涂層，其包括不同硬度的層，所述不同硬度的層中的至少一層是最硬層。
5.如權(quán)利要求1所述的工具，其中所述涂層是多層涂層，其包括不同硬度的層，其中最硬層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
6.如權(quán)利要求4或5所述的工具，其中所述最硬層是所述涂層的最上層。
7.如權(quán)利要求4或5所述的工具，其中所述最硬層是所述涂層的中間層。
8.如權(quán)利要求4或5所述的工具，其中所述最硬層是所述涂層的基底層。
9.如權(quán)利要求4～8中任一項(xiàng)所述的工具，其中所述涂層包括鎢層、碳化鎢層和/或鎢與熔合有含量為0.0005～0.5wt％的氟的碳化鎢的混合物層。
10.如權(quán)利要求4～8中任一項(xiàng)所述的工具，其中所述涂層包括鎢層和碳化鎢層，其基本上或者完全不含金屬鎢，且熔合有含量為0.0005～0.5wt％的氟。
11.如權(quán)利要求4～7和從屬于權(quán)利要求4～7中的任一項(xiàng)的權(quán)利要求9或10中的任一項(xiàng)所述的工具，其中所述涂層包括鎢基底層。
12.如權(quán)利要求3、4或5所述的工具，其中所述層按硬度從所述切割刃到所述涂層的最上層依序增大的順序排列。
13.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其中所述涂層或其最上層相對(duì)于WC/Co的摩擦系數(shù)為0.3或更小。
14.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其中所述涂層通過化學(xué)氣相沉積法在真空室中制備，其壓力低于大氣壓，溫度高于350℃，優(yōu)選為450℃～550℃。
15.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其中所述涂層總厚度為1～25微米，優(yōu)選為3～12微米。
16.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其中所述涂層的暴露表面的粗糙度Ra為0.8微米或更小，優(yōu)選為0.5微米或更小。
17.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其中所述涂層或其最上層的顯微硬度至少為2000kG/mm2，優(yōu)選至少為2500kG/mm2，更優(yōu)選至少為2900kG/mm2。
18.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工具，其中將所述涂層的暴露表面在基本上平行于所述切割刃的涂覆表面的方向上進(jìn)行拋光或打磨。
19.一種制造自磨銳切割工具的方法，所述方法包括如下步驟i)提供由第一材料或多種材料制成的切割刃；ii)用基本上比所述第一材料或多種材料更硬的涂層來(lái)僅涂覆所述切割刃的一側(cè)；其特征在于，所述涂層具有基本上與所述切割刃的涂覆側(cè)平行對(duì)齊的層狀或片狀的微結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述涂層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述涂層是多層涂層，所述涂層的最上層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
22.如權(quán)利要求19～21中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層是多層涂層，其包括不同硬度的層，所述不同硬度的層中的至少一層是最硬層。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述涂層是多層涂層，其包括不同硬度的層，其最硬層包括碳化鎢或者碳化鎢混合物，其基本上或完全不含金屬鎢。
24.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述最硬層是所述涂層的最上層。
25.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述最硬層是所述涂層的中間層。
26.如權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述最硬層是所述涂層的基底層。
27.如權(quán)利要求22～26中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層包括鎢層、碳化鎢層和/或鎢與熔合有含量為0.0005～0.5wt％的氟的碳化鎢的混合物層。
28.如權(quán)利要求22～26中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層包括鎢層和碳化鎢層，其基本上或者完全不含金屬鎢，且熔合有含量為0.0005～0.5wt％的氟。
29.如權(quán)利要求22～25和從屬于權(quán)利要求22～25中的任一項(xiàng)的權(quán)利要求27或28中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層包括鎢基底層。
30.如權(quán)利要求21、22或23所述的方法，其中所述層按硬度從切割刃到涂層的最上層依序增大的順序排列。
31.如權(quán)利要求19～30中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層或其最上層相對(duì)于WC/Co的摩擦系數(shù)為0.3或更小。
32.如權(quán)利要求19～31中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層通過化學(xué)氣相沉積法在真空室中制備，其壓力低于大氣壓，溫度高于350℃，優(yōu)選為450℃～550℃。
33.如權(quán)利要求19～32中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層總厚度為1～25微米，優(yōu)選為3～12微米。
34.如權(quán)利要求19～33中任一項(xiàng)所述的方法，其中在涂覆后所述涂層的暴露表面的粗糙度Ra為0.8微米或更小，優(yōu)選為0.5微米或更小。
35.如權(quán)利要求19～34中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述涂層或其最上層的顯微硬度至少為2000kG/mm2，優(yōu)選至少為2500kG/mm2，更優(yōu)選至少為2900kG/mm2。
36.如權(quán)利要求19～35中任一項(xiàng)所述的方法，其中在涂覆涂層后，將所述涂層的暴露表面在基本上平行于所述切割刃的涂覆表面的方向上進(jìn)行拋光或打磨。
全文摘要
本發(fā)明公開一種切割工具，其一側(cè)的刀片上涂覆有片狀或?qū)訝钗⒔Y(jié)構(gòu)的硬涂層。這種涂層傾向于均勻光滑地磨損，從而可使切割工具的切割刃保持光滑。此外，通過僅在一側(cè)涂覆該切割刃，該切割刃可以自磨銳。該涂層優(yōu)選包括至少一層由基本上或者完全不含金屬鎢的碳化鎢構(gòu)成的層。
文檔編號(hào)C23C16/32GK1642697SQ03807353
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
發(fā)明者尤里·拉霍特金, 謝爾蓋·亞歷山德羅夫, 尤瑞·茹克 申請(qǐng)人:哈達(dá)德有限公司