CN114231780B - 一种雪茄剪专用金属陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雪茄剪专用金属陶瓷材料及其制备方法。所述金属陶瓷材料其制备包括下述重量百分比的原料：硬质相75‑85%；粘结相15‑25%，且硬质相和粘结相的重量百分比之和为100%；其中，所述硬质相为多元素连续固溶体；所述多元素连续固溶体由下述重量份的原料制备：TiCN 58‑76份，WC 6‑23.5份，Mo2C 3.5‑23.5份，其他碳化物0‑17.5份；所述其他碳化物为TaC、NbC、Cr3C2、HfC和ZrC中的任意一种或任意几种；所述粘结相为铁族元素中的一种或几种，且不包括Co。本发明得到的金属陶瓷材料整体为无Co的成分结构，能够满足针对高纤维烟叶丝的切割的同时，保持足够的锋刃耐用度，且能够达到出色的切割表面效果。
Description
技术领域
本发明涉及金属陶瓷材料领域，具体涉及一种雪茄剪专用金属陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
雪茄作为现烟草消费中的重要组成部分，一只雪茄的组成由茄衣、茄套、茄芯三部分组成，其中各部分所使用的的烟草烟叶各不相同，包裹方式也不相同，同时因烟草烟叶本身的叶脉属于强度较高的植物纤维，因此雪茄在进行切割时，对切割刀具的锋利度和耐用度要求极高。
传统使用的雪茄刀、雪茄剪等工具，其主要的材质成分为钢类材料，包括但不限于不锈钢、高速钢、合金钢等材质。其硬度一般为HRC30左右，在进行实际雪茄的切割中，多次(100次左右)切割后即会出现较明显的刃口缺口、打卷、钝化等情况，使得实际切割时出现切不动、切不齐等情况，极大的影响了实际使用体验。
另在进行较多次的雪茄切割过程中，因雪茄燃烧及制作时本身的烟油等物质会大量的附着在刀刃各处，难以清理，极大的影响了切削效果和刀具本身的美观度，同时也极大的影响了烟草类产品的消费体验。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：
1、现有技术中雪茄刀或雪茄剪的制备材料硬度不够，几次切割后即会出现较明显的刃口缺口、打卷、钝化等，影响消费者的使用体验；
2、进行较多次的雪茄切割过程中，因雪茄燃烧及制作时本身的烟油等物质会大量的附着在刀刃各处，难以清理，极大的影响了切削效果和刀具本身的美观度，同时也极大的影响了烟草类产品的消费体验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种雪茄剪专用金属陶瓷材料及其制备方法，以解决现有技术中雪茄刀或雪茄剪的制备材料硬度不够，几次切割后即会出现较明显的刃口缺口、打卷、钝化等，影响消费者使用体验的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种雪茄剪专用金属陶瓷材料，其制备包括下述重量百分比的原料：硬质相75-85％；粘结相15-25％，且硬质相和粘结相的重量百分比之和为100％；其中，
所述硬质相为多元素连续固溶体；所述多元素连续固溶体由下述重量份的原料制备：TiCN 58-76份，WC 6-23.5份，Mo2C 3.5-23.5份，其他碳化物0-17.5份；所述其他碳化物为TaC、NbC、Cr3C2、HfC和ZrC中的任意一种或任意几种以任意比例混合；所述多元素连续固溶体的制备包括下述步骤：
A1、按配比将制备多元素连续固溶体的原料加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
A2、将得到的混合料在惰性气体的保护下进行喷雾干燥，得到预固溶粉末；
A3、将预固溶粉末在Ar气保护下进行烧结，在烧结温度1500-1700℃保温1.5-2.5h，获得块状的多元素连续固溶体；
所述粘结相为铁族元素中的一种或几种，且不包括Co。
进一步的，各原料的重量百分比分别为：硬质相78-82％；粘结相18-22％。
进一步的，各原料的重量百分比分别为：硬质相80％；粘结相20％。
进一步的，所述硬质相的制备各组分的重量份分别为：TiCN 60-70份；WC 10-18份；Mo2C 10-18份；其他碳化物3-15份。
进一步的，所述硬质相的制备各组分的重量份分别为：TiCN 65份；WC 15份；Mo2C15份；其他碳化物10份。
进一步的，所述其他碳化物为TaC、NbC、Cr3C2、HfC和ZrC中任意几种混合时，为任意比例混合。
进一步的，所述粘结相包括Ni和Fe；按原料总重量的重量百分比计，Ni为10％-25％；Fe为0-6％。
本发明提供的雪茄剪专用金属陶瓷材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)制备多元素连续固溶体
A1、按配比将制备多元素连续固溶体的原料加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
A2、将得到的混合料在惰性气体的保护下进行喷雾干燥，得到预固溶粉末；
A3、将预固溶粉末在Ar气保护下进行烧结，在烧结温度1500-1700℃保温1.5-2.5h，获得块状的多元素连续固溶体；
(2)球磨
将步骤(1)中得到的块状的多元素连续固溶体进行初步破碎；然后按配比将初步破碎后的多元素连续固溶体和粘结相加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
(3)喷雾干燥
将步骤(2)中得到的混合料在惰性气体的保护下进行喷雾干燥，得到干燥混合料；
(4)压坯
将步骤(3)中得到的干燥混合料经模压压制成压坯；
(5)烧结
将步骤(4)中得到的压坯在Ar气保护气氛下进行烧结，在烧结温度1450-1550℃保温1.5-2.5h，随炉冷却得到金属陶瓷材料。
进一步的，所述步骤(1)A2中，喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为95-105℃；所述步骤(3)中，喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为90-100℃。
进一步的，所述步骤(4)中，模压压力为1.2-1.8T/cm2。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
(1)本发明提供的雪茄剪专用金属陶瓷材料及其制备方法，得到的金属陶瓷材料整体为无Co的成分结构，能够满足针对高纤维烟叶丝的切割的同时，保持足够的锋刃耐用度，且能够达到出色的切割表面效果；TiCN基金属陶瓷因其复杂的化学成分，其在实际烧结过程中不同物相之间结合强度存在显著差异，为满足烟草这类高纤维组成的产品的切割，通过固溶体制备，获得单一晶体的固溶体粉末，从而将金属陶瓷复杂的多元系组织结构改变为二元系组织结构，且不失去TiCN基金属陶瓷本身的耐磨性特点；当以固溶体作为原料加入，且体系加入量约为75-85％左右范围时，所得合金在进行切割时，刃口耐磨度、抗油脂粘附、锋利度等均获得了极大程度的改善，且刃口在长期加工中不出现明显缺口等烟叶切割中的常见刀具缺陷。
(2)本发明提供的雪茄剪专用金属陶瓷材料及其制备方法，制备得到的金属陶瓷材料可以用于制备雪茄刀刀片，因为材料本身无钴，可以减少或避免重金属对人体的危害；并且由于金属陶瓷材质的刀片具有抗高温、耐氧化、高硬度、表面光洁度高的、锋利度高的特性，经加工后的刀片表面可达到镜面效果，雪茄烟叶中所含有较高的植物纤维，使用金属陶瓷材质的刀片进行剪切时，由于刀片的锋利度高，剪切时可以相对较轻松的剪切断植物纤维，并且由于其材质本身对油性物质具有极低的亲和力，雪茄烟在抽食过程中所产生的焦油在切割时不易粘附在刀片表面；并且，由于刀片硬度和耐磨性较佳，刀片磨损情况大大减轻，进而随着使用时间的延长，雪茄所产生的焦油不易像不锈钢、高速钢等铁基材质一样存在粘附的情况，雪茄刀的品质感极大提高；另外，由于本发明中的金属陶瓷材料的硬度及耐磨性较高，制成雪茄刀刀片使用，刀刃不容易钝化或刃口卷曲，刀片更换频率低，极大的提升了雪茄刀的整体品质和使用者的使用体验，并且降低了使用成本。
具体实施方式
一、制备实施例
1、原料
实施例1-实施例10和对比例1-2中制备金属陶瓷材料，其原料加入量如下述表1-表2所示：
表1实施例和对比例原料表一(按重量百分比)
表2实施例和对比例原料表二(硬质相，按重量份)
2、制备方法
实施例1：
包括下述步骤：
(1)制备多元素连续固溶体
A1、按配比将制备多元素连续固溶体的原料加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
球磨时，加入乙醇作为分散剂，分散剂的加入量为制备多元素连续固溶体原料总重量的35％；成型剂为石蜡，添加量为制备多元素连续固溶体原料总重量的2％；球磨时间60h；
A2、将得到的混合料在N2保护下进行喷雾干燥，得到预固溶粉末；
喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为100℃；
A3、将预固溶粉末在Ar气保护下进行烧结，在烧结温度1600℃保温2h，获得块状的多元素连续固溶体；
(2)球磨
将步骤(1)中得到的块状的多元素连续固溶体进行初步破碎(无明显团粒团聚即可)；然后按配比将初步破碎后的多元素连续固溶体(硬质相)和粘结相加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
球磨时，加入乙醇作为分散剂，分散剂的加入量为多元素连续固溶体和粘结相总重量的35％；成型剂为石蜡，添加量为多元素连续固溶体和粘结相总重量的3％；球磨时间56h；
(3)喷雾干燥
将步骤(2)中得到的混合料在N2保护下进行喷雾干燥，得到干燥混合料；
喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为95℃；
(4)压坯
将步骤(3)中得到的干燥混合料经模压压制成压坯；
模压时，模压压力为1.5T/cm2；压坯高度为1.97mm(压坯的形状为预刀片的形状，后续采用一个压坯直接制备成一个刀片进行实验，预刀片的形状是指方便后续将其进行磨削成刀片的形状)；
(5)烧结
将步骤(4)中得到的压坯在Ar气保护气氛下进行烧结，在烧结温度1500℃保温2h，然后随炉冷却得到金属陶瓷材料。
实施例2：
包括下述步骤：
(1)制备多元素连续固溶体
A1、按配比将制备多元素连续固溶体的原料加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
球磨时，加入乙醇作为分散剂，分散剂的加入量为制备多元素连续固溶体原料总重量的25％；成型剂为石蜡，添加量为制备多元素连续固溶体原料总重量的2.5％；球磨时间55h；
A2、将得到的混合料在N2保护下进行喷雾干燥，得到预固溶粉末；
喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为105℃；
A3、将预固溶粉末在Ar气保护下进行烧结，在烧结温度1700℃保温1.5h，获得块状的多元素连续固溶体；
(2)球磨
将步骤(1)中得到的块状的多元素连续固溶体进行初步破碎(无明显团粒团聚即可)；然后按配比将初步破碎后的多元素连续固溶体(硬质相)和粘结相加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
球磨时，加入乙醇作为分散剂，分散剂的加入量为多元素连续固溶体和粘结相总重量的25％；成型剂为石蜡，添加量为多元素连续固溶体和粘结相总重量的4％；球磨时间50h；
(3)喷雾干燥
将步骤(2)中得到的混合料在N2保护下进行喷雾干燥，得到干燥混合料；
喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为100℃；
(4)压坯
将步骤(3)中得到的干燥混合料经模压压制成压坯；
模压时，模压压力为1.8T/cm2，压坯高度为1.97mm(压坯的形状为预刀片的形状，后续采用一个压坯直接制备成一个刀片进行实验，预刀片的形状是指方便后续将其进行磨削成刀片的形状)；
(5)烧结
将步骤(4)中得到的压坯在Ar气保护气氛下进行烧结，在烧结温度1550℃保温1.5h，然后随炉冷却得到金属陶瓷材料。
实施例3：
包括下述步骤：
(1)制备多元素连续固溶体
A1、按配比将制备多元素连续固溶体的原料加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
球磨时，加入乙醇作为分散剂，分散剂的加入量为制备多元素连续固溶体原料总重量的50％；成型剂为石蜡，添加量为制备多元素连续固溶体原料总重量的1.5％；球磨时间65h；
A2、将得到的混合料在N2保护下进行喷雾干燥，得到预固溶粉末；
喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为95℃；
A3、将预固溶粉末在Ar气保护下进行烧结，在烧结温度1500℃保温2.5h，获得块状的多元素连续固溶体；
(2)球磨
将步骤(1)中得到的块状的多元素连续固溶体进行初步破碎(无明显团粒团聚即可)；然后按配比将初步破碎后的多元素连续固溶体(硬质相)和粘结相加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
球磨时，加入乙醇作为分散剂，分散剂的加入量为多元素连续固溶体和粘结相总重量的50％；成型剂为石蜡，添加量为多元素连续固溶体和粘结相总重量的2％；球磨时间60h；
(3)喷雾干燥
将步骤(2)中得到的混合料在N2保护下进行喷雾干燥，得到干燥混合料；
喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为90℃；
(4)压坯
将步骤(3)中得到的干燥混合料经模压压制成压坯；
模压时，模压压力为1.2T/cm2，压坯高度为1.97mm(压坯的形状为预刀片的形状，后续采用一个压坯直接制备成一个刀片进行实验，预刀片的形状是指方便后续将其进行磨削成刀片的形状)；
(5)烧结
将步骤(4)中得到的压坯在Ar气保护气氛下进行烧结，在烧结温度1450℃保温2.5h，然后随炉冷却得到金属陶瓷材料。
实施例4-10：
制备方法同实施例1。
二、对比例
对比例1-2：
制备方法同实施例1。
三、实验例：
1、性能测试
将实施例1-10和对比例1-2中得到的金属陶瓷材料进行性能测试：
(1)检验标准：
洛氏硬度：GB/T 3849.1-2015；抗弯强度：GB/T 3851-2015；断裂韧性：GB/T33819-2017。
(2)测试结果如下表3所示：
表3性能测试结果
2、雪茄剪切实验
将实施例1-10以及对比例1-2中制备的金属陶瓷材料按相同的方法制备成相同的雪茄刀进行雪茄连续剪切测试：
(1)刀片制备方法：
制备厚度为1.2mm的刀片，具体的制备步骤为：
A1、端面磨削：将刀片使用磨床进行端面磨削；
磨削时采用双端面磨削以保证产品上下面磨削的一致性，磨削时产品放置于仿形工装盘内，刀片放置于仿形工装盘内，磨削时磨削压力设置为300MPa，砂轮粒度为600目，磨削后产品厚度尺寸为1.2±0.05mm；
A2、开槽：使用磨床对端面磨削后的刀片进行月牙刀刃的开槽；
使用开槽机、金刚石砂轮进行月牙型刀刃的开槽加工，砂轮直径为200mm，砂轮粒度为W28，刀刃宽度为4.5mm；
A3、钝化：使用金刚石毛刷对刀片的刃口进行钝化处理；
钝化选用2个金刚石毛刷进行刃口处理，毛刷粒度分别为600目、800目粒度，钝化大小为0.02-0.04mm；
A4、清洗：对钝化处理后刀片进行清洗，清洗时采用去离子水，得到刀片成品。
(2)将实施例1-10以及对比例1-2中制备的金属陶瓷材料制成的刀片同其他配件一起制备成雪茄刀，然后进行雪茄剪切实验；实验方法为：针对同种雪茄进行剪切400次，在剪切400次后，观察刀刃的情况、刀刃上烟油粘附的情况，观察雪茄剪切面的情况；在进行实验时，先点燃雪茄，待雪茄自然熄灭，放置两小时后再将先前燃烧过的一端剪掉，剪掉的长短以刚刚剪掉燃烧过的一段为准，为避免浪费，剪掉燃烧的一端后可以继续点燃，待再次熄灭、放置后继续进行剪切实验，直至剪切实验不能进行，实验结果如下表4所示：
表4雪茄剪切实验结果
Claims (8)
1.一种雪茄剪专用金属陶瓷材料，其特征在于，其制备包括下述重量百分比的原料：硬质相75-85%；粘结相 15-25%，且硬质相和粘结相的重量百分比之和为 100%；其中，所述硬质相为多元素连续固溶体，且将多元素连续固溶体作为原料进行金属陶瓷材料的制备；所述多元素连续固溶体由下述重量份的原料制备： TiCN58-76 份，WC6-23.5 份， Mo2C3.5-23.5 份，其他碳化物 3-15 份；所述其他碳化物为TaC、NbC、Cr3C2、HfC 和 ZrC 中的任意一种或任意几种混合；所述粘结相包括Ni和Fe；按原料总重量的重量百分比计，Ni 为 10%-25%；Fe为0-6%；
所述雪茄剪专用金属陶瓷材料由以下制备步骤制得：
（1）制备多元素连续固溶体
A1、按配比将制备多元素连续固溶体的原料加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂， 得到混合料；
A2、将得到的混合料在惰性气体的保护下进行喷雾干燥，得到预固溶粉末；
A3、将预固溶粉末在 Ar 气保护下进行烧结，在烧结温度 1500-1700℃保温 1.5-2.5h，获得块状的多元素连续固溶体；
（2）球磨
将步骤（1）中得到的块状的多元素连续固溶体进行初步破碎；然后按配比将初步破碎后的多元素连续固溶体和粘结相加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
（3）喷雾干燥
将步骤（2）中得到的混合料在惰性气体的保护下进行喷雾干燥，得到干燥混合料；
（4）压坯
将步骤（3）中得到的干燥混合料经模压压制成压坯；
（5）烧结
将步骤（4）中得到的压坯在 Ar 气保护气氛下进行烧结，在烧结温度 1450-1550℃保温 1.5- 2.5h，随炉冷却得到金属陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的雪茄剪专用金属陶瓷材料，其特征在于，各原料的重量百分比分别为：硬质相78-82%；粘结相18-22% 。
3.根据权利要求1所述的雪茄剪专用金属陶瓷材料，其特征在于，各原料的重量百分比分别为：硬质相 80%；粘结相 20%。
4.根据权利要求1所述的雪茄剪专用金属陶瓷材料，其特征在于，所述硬质相的制备各组分的重量份分别为：TiCN60-70 份；WC10-18 份；Mo2C10-18 份；其他碳化物 3-15 份。
5.根据权利要求1所述的雪茄剪专用金属陶瓷材料，其特征在于，所述硬质相的制备各组分的重量份分别为：TiCN65份；WC15份；Mo2C15份；其他碳化物10份。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的雪茄剪专用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于， 包括下述步骤：
（1）制备多元素连续固溶体
A1、按配比将制备多元素连续固溶体的原料加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂， 得到混合料；
A2、将得到的混合料在惰性气体的保护下进行喷雾干燥，得到预固溶粉末；
A3、将预固溶粉末在Ar气保护下进行烧结，在烧结温度 1500-1700℃保温 1.5-2.5h，获得块状的多元素连续固溶体；
（2）球磨
将步骤（1）中得到的块状的多元素连续固溶体进行初步破碎；然后按配比将初步破碎后的多元素连续固溶体和粘结相加入球磨机中进行球磨，球磨时加入成型剂，得到混合料；
（3）喷雾干燥
将步骤（2）中得到的混合料在惰性气体的保护下进行喷雾干燥，得到干燥混合料；
（4）压坯
将步骤（3）中得到的干燥混合料经模压压制成压坯；
（5）烧结
将步骤（4）中得到的压坯在Ar气保护气氛下进行烧结，在烧结温度 1450-1550℃保温1.5- 2.5h，随炉冷却得到金属陶瓷材料。
7.根据权利要求6所述的雪茄剪专用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤
（1）A2 中，喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为 95-105℃；所述步骤（3）中，喷雾干燥时，喷雾干燥塔的出口温度为 90-100℃。
8.根据权利要求6所述的雪茄剪专用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤
（4）中，模压压力为 1.2-1.8T/cm2。
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