[发明专利]基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法

说明书

基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法，它涉及机械金属切削刀具和工程仿生学技术领域。本发明为解决现有硬质合金刀具耐磨性与韧性不能兼顾的问题。刀具包括刀具本体，刀具本体的形状为圆环状，刀具本体包括由内至外依次固接的内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层。本发明用于切削加工。

技术领域

本发明涉及机械金属切削刀具和工程仿生学技术领域，具体涉及基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法。

背景技术

切削加工是机械加工领域应用最广泛的加工技术，而刀具作为切削加工的基础工具，在工作时，受到工件、切屑的摩擦作用，使得刀具材料逐渐被磨损或出现破损，同时刀具在切削时，也会承受较大的冲击力作用，在这种条件下，刀具也很容易发生断裂。因此，提高刀具的耐磨性和断裂韧性是刀具设计的关键性问题之一。

竹子拥有优异的力学性能，被称作“植物钢铁”，它的强度是优质钢的2-3倍，并且还对横纹破坏具有极为优良的抵抗能力，同时还具有优良的弯曲延展性。竹子在生长期间即使受到风吹雪压而发生大幅度弯曲，也不会产生断裂。由上可见，竹子集高韧性、高强度、高延展性、适当的刚性为一身，从力学的角度分析堪称完美。通过大量研究发现，细胞壁是竹纤维细胞的基本承载单元，具有竹类植物特有的多壁层结构——初生壁和薄厚交替的多层次生壁复合而成的微纳米结构(与木材纤维次生壁典型的三层结构不同)，如图1，2所示(陈红.竹纤维细胞壁结构特征研究[D].中国林业科学研究院,2014)，这种结构赋予了纤维细胞刚性强、高韧性、性能稳定的特性，也是竹子优良宏观力学性质的基础。

在切削加工中，常规类硬质合金(WC-Co)刀具的内部组织结构均匀，机械性能一致，而这种均匀结构的硬质合金刀具存在着耐磨性与韧性之间难以调和的矛盾，即当减少硬质合金中WC的含量并提高Co的含量以增强其韧性时，硬质合金刀具的耐磨性却随之下降；反之提高硬质合金中WC的含量并减少Co的含量以提高其耐磨性时，硬质合金的韧性却随之下降。此外，硬质合金刀具在使用时要求表面具有很高的耐磨性，但为了使其能承受较大的冲击力并阻止表面产生的裂纹向内扩散，又要求硬质合金内部应具备一定的韧性。为了克服这一弊病，若能制备表面高耐磨中间高韧的硬质合金刀具，将能大大改善刀具的使用寿命，因此，通过模拟竹纤维细胞壁多壁层结构，把其合理的应用在硬质合金刀具结构设计中，从而为解决硬质合金刀具耐磨性与韧性不能兼顾的问题提供了一种新方法。

发明内容

本发明为了解决现有硬质合金刀具耐磨性与韧性不能兼顾的问题，进而提出基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具包括刀具本体，刀具本体的形状为圆环状，刀具本体包括由内至外依次固接的内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层；

所述内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层的材质均为WC-Co硬质合金，内层中WC的质量百分含量高于第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层中WC的质量百分含量且低于外耐磨层中WC的质量百分含量，内层中Co的质量百分含量低于第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层中Co的质量百分含量且高于外耐磨层中Co的质量百分含量。

进一步地，所述内层中Co的质量百分含量为10％，第一过渡层中Co的质量百分含量为16％，第二过渡层中Co的质量百分含量为14％，第三过渡层中Co的质量百分含量为12％，外耐磨层中Co的质量百分含量为5％。

进一步地，所述内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层的表面均包覆有粘结剂。

进一步地，所述粘结剂的材质为金属Co。

基于竹纤维细胞壁环形多壁层结构仿生刀具的制备方法包括如下步骤：

步骤一：以WC粉和Co粉为原料，分别配制内层、第一过渡层、第二过渡层、第三过渡层和外耐磨层混合粉体；