[發明專利]一種具有氮化鈦陶瓷膜層的刀具及其制備方法

有效

• 申請號: 201310300501.7
• 申請日: 2013-07-12
• 公開（公告）號: CN104278235B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 蘇永要;王錦標;涂銘旌;張進;石東平;蔣義;鄧濤;刁敏
• 申請（專利權）人: 重慶文理學院;重慶大足龍水五金刀具(集團)有限公司
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/24;C23C14/35
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技術領域

本發明屬于民用五金刀具功能薄膜的制備方法，具體涉及到刀具表面功能薄膜的制備。

日常使用的刀具，如菜刀、水果刀中，碳鋼刀具占據主導地位。雖然這種刀具比較鋒利，但是硬度較低，耐磨損性能欠佳，特別是刃部容易發生卷刃、磨損，需要經常修磨；同時碳鋼刀的抗腐蝕性能較差，容易生銹，有金屬元素的析出，既不美觀又縮短了刀具的使用壽命，更重要的會對身體健康造成危害。隨著人們生活水平的不斷提高，對餐飲器具的要求也隨之提高。目前市場上已經出現純陶瓷廚用刀具，并對傳統的碳鋼刀具顯現巨大的優勢，如高硬度、高耐磨性能且不會生銹，這些是普通碳鋼刀具無法比擬的。但陶瓷刀具本身存在致命缺陷即韌性不足，在使用過程中容易發生脆斷，且價格昂貴，通常為普通碳鋼刀具的20-50倍，不適合在日常生活中使用。故目前陶瓷刀具多作為工藝禮品用。

對普通碳鋼刀具進行表面改性，使刀具同時具備普通碳鋼刀具的韌性和陶瓷刀具的諸多優點，是廚用器具的理想選擇。據文獻報道已有研究者采用不同的方法對刀具進行表面改性；如在普通刀體上制備鈦金層，在刀體表面復合硬質合金層，采用電鍍的方法在刀體表面鍍鎳。這些方法都能對提高硬度和改善耐腐蝕性能起到一定的作用，但也存在一定的問題。如鎳雖是人體必需的一種微量元素，但過度的攝入容易誘發癌癥；電鍍方法對環境污染大，耗能高，已逐步被淘汰等。

真空氣相沉積技術是利用氣相中發生的物理、化學過程，改變工件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層。按照成膜機理，一般分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。物理氣相沉積是把固態或液態成膜材料通過某種物理方式(高溫蒸發、濺射、等離子體、離子束、激光束、電弧等)產生氣相原子、分子、離子(氣態、等離子態)，再經過輸運在基體表面沉積，或與其他活性氣體反應形成反應產物在基體上沉積為固相薄膜的過程。本發明涉及到得蒸發源和磁控濺射源屬于物理氣相沉積范疇。

離子輔助增強磁控濺射與離子蒸發鍍二元組合源鍍膜設備，主要構件包括真空室、坩堝、輔助陽級、工件臺及轉動裝置、磁場線圈、磁控濺射源、熱陰極燈絲、真空泵組及相應電源系統。坩堝位于真空室底板中部，輔助陽極安裝在坩堝旁側；磁場線圈有兩個，分別纏繞在真空室上、下兩端的外壁上；熱陰極絲安裝在真空室頂蓋中部，并與坩堝相對；4塊磁控濺射源均勻分布在真空室壁四周。

使用時，先將處理后的待鍍工件固定在位于真空室底部的樣品臺上，在坩堝中放入適量的鈦塊；裝好濺射靶材；然后開動真空泵組，待真空度達到設定值后，向真空室通入惰性氣體，如氬氣；同時給熱陰極絲和磁場線圈通電，在低電壓、大電流的條件下，熱陰極發射出強電子束，通過磁場的控制對工件進行加熱及刻蝕清洗；完成后，電子束在坩堝電位及磁控的引導下，使坩堝中的金屬鈦被加熱熔化并蒸發，在樣品臺偏壓的作用下沉積在工件表面，形成金屬鈦層；隨后通入氮氣，處于蒸發態的鈦與氮離子在工件表面反應形成氮化鈦；蒸鍍完成后，開啟與磁控濺射源相匹配的控制電源，使磁控濺射源產生輝光發電，并將鈦以原子(離子)的形式從鈦靶上濺射出，在濺射靶源附近離化，與氮離子反應，實現磁控濺射制備氮化鈦。

TiN涂層是最早應用于工業加工的刀具涂層之一，其顯微硬度約為HV2100，為普通碳鋼的4倍左右，氧化溫度約為500℃，具有較高的抗磨損性能；獨特的金黃色、優良的耐腐蝕性能使其在裝飾方面得到廣泛應用；良好的生物相容性把其應用拓展到生物醫學領域。TiN涂層在各個方面的優異性能，使其在民用五金刀具的應用成為可能。

發明內容

本發明提出一種新概念刀具，具有耐磨、抑菌的特性，遠離刀具基底表面的最外層為磁控濺射源制備的氮化鈦層，具有較高的硬度、耐磨性能和抗腐蝕性能，同時具有一定的抗菌抑菌功能。不僅顯著延長刀具的使用壽命，減少修磨次數，有效的避免了碳鋼刀表面生銹、金屬元素的析出問題，而且能夠有效改善刀具使用過程中細菌滋生問題，提高刀具安全衛生標準；同時良好的疏水性能使得刀具的清洗過程變得更加簡單。靠近刀具表面的最內層為蒸發源制備的純鈦層，做成粘合層，能有效提高氮化鈦功能層與刀具基底的結合力。位于最內層的純鈦層和磁控濺射源制備的氮化鈦層之間的中間層是蒸發源制備氮化鈦與純鈦復合層，作為過渡層，緩解純鈦層與磁控濺射源制備氮化鈦的力學性能差異，減小內應力，提高膜基結合力。

本發明技術方案：

(1)預處理過程：對已精磨成型的刀具進行噴砂，然后依次在無水乙醇、軟化水中超聲波清洗，烘干后放入鍍膜設備的真空室中；