锐边切割工具 【发明领域】
本发明涉及一种由块状凝固无定形合金构造的切割工具，更具体地说，涉及由块状凝固无定形合金构造的切割工具刀片。
【发明背景】
长期以来，对于生产有效的锐边切割工具的主要的工程上的挑战在于有效锐边的成型和制造，锐边的抗机械载荷和环境影响的耐用性，以及生产和维护锐边的成本。同样，最佳地，刀片材料应当具有非常良好的机械特性、抗腐蚀性、和成型为150埃那么小的紧密曲率的能力。
尽管采用各种材料来生产锐边切割工具，但是每种材料都具有明显的缺点。例如，由硬质材料、例如碳化物、蓝宝石和金刚石制成的锐边切割工具提供锐利和有效的切刃，然而这些材料的制造成本显著较高。另外，由于材料本质上的低韧性，因而由这些材料制成的刀片的切刃具有极强的脆性。
由常规金属，如不锈钢制造的锐边切割工具可以以相对低的成本生产，并且可以用作一次性产品。然而，这些刀片的切割性能与更为昂贵的硬质材料无法匹配。
最近，提出生产由无定形合金制造地切割工具。尽管无定形合金具有以相对低的成本提供具有高硬度、高延展性、弹性极限和抗腐蚀性的刀片的潜力，目前，由于生产具有无定形特性的合金的工艺要求，使得可以用这些材料生产的刀片的尺寸和类型受到很大的限制。例如，在美国专利No.Re.29,989中公开了由无定形合金制造的切割刀片。然而，在该现有技术中描述的合金必须被制造成厚度不超过0.002英寸的带材，或者作为涂层沉积到传统刀片的表面上。这些制造上的局限限制了可以由无定形合金制造的刀片类型和这些合金的无定形特性的完全实现。
因此，需要一种具有良好机械特性、抗腐蚀性的切割刀片，并且具有能够成型为150埃那么小的紧密曲率的能力。
发明概述
本发明的目的是改进的锐边切割工具、例如由块状凝固无定形合金制成的刀片和手术刀。本发明覆盖了任何需要增强的锐度和耐用性的切割刀片或工具。
在一个实施例中，切割工具的整个刀片由块状无定形合金制成。
在另一个实施例中，仅有切割工具的刀片的金属刃由块状无定形合金制成。
还是在另一个实施例中，切割工具的刀片和主体均由块状无定形合金制成。
仍然在另一个实施例中，切割工具的块状凝固无定形合金元素被设计成可以承受最高达2.0％的应变而没有任何塑性变形。在另一个这样的实施例中，该块状无定形合金具有大约5GPa或更大的硬度值。
在本发明的另一个实施例中，切割工具的块状无定形合金刀片被成型为150埃那样小的紧密的曲率。
还是在本发明的另一个实施例中，通过铸造或模制将块状无定形合金成型成复杂的近终形形状。在另一个实施形式中，以铸造和/或模制形式得到了块状无定形合金切割工具，无需任何后续步骤例如热处理或机械加工等。
附图简述
通过结合附图、参考下面的详细说明，本发明的这些和其它的特征和优点将变得更易于理解，其中：
图1是根据本发明的切割刀片的局部剖视侧视图。
图2是表示用于制造图1中所示切割工具工艺的流程图。
发明的详细说明
本发明是针对切割工具，其中，该装置的至少一部分由块状无定形合金材料形成，该切割工具在此被称为无定形切割工具。
图1中所示是本发明的切割工具10的侧视图。通常，任何切割工具都具有一个主体20和一个刀片30。在这种切割工具中，刀片30被定义为切割工具中逐渐变细并终止于切刃40的部分，而切割工具的主体20被定义为由切割工具驱动力向刀片的切刃40传递所施加载荷的结构。另外，如图1所示，切割工具可以包括一个可选的手柄或把手50，该手柄或把手50被用作切割工具使用者和切割工具之间的稳定接合部。在这种情况下，主体20中安装手柄的部分被称为柄60。本发明的切割工具的设计使得，用于制造切割工具的主体或刀片、或者两者的至少一个部分的材料是基于块状无定形合金组合物的。下面将讨论适当的块状无定形合金组合物的例子。
尽管任何块状无定形合金都可以用于本发明，但是通常块状凝固无定形合金是指可以以500K/sec或更低的低冷却速度冷却、并且基本保持它们的无定形原子结构的无定形合金系。这种块状无定形合金可以制造成1.0mm或更厚的厚度，显著厚于具有典型的0.020mm的铸造厚度、且需要105K/sec或更高的冷却速度的现有的无定形合金。在美国专利No.5,288,344、5,368,659、5,618,359和5,735,975中公开了适当的无定形合金的示例性实施例；所有这些文献均在此引入作为参考。
下述分子式描述了一个适当的块状凝固无定形合金系的一个例子：(Zr，Ti)a(Ni，Cu，Fe)b(Be，Al，Si，B)c，其中，按照原子百分比，a的范围为大约30至75，b的范围为大约5至60，c的范围为大约0至50。应当理解，上述公式不意味着包含了所有类型的块状无定形合金。例如，这种块状无定形合金可以含有相当浓度的其它过渡金属，最高可达到约20％原子百分比的过渡金属，所述过渡金属例如为Nb、Cr、V、Co。分子式(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)c确定了一个块状无定形合金系的例子，其中，按照原子百分比，a在大约40至75的范围内，b在大约5至50的范围内，c在大约5至50的范围内。一个块状无定形合金组合物的例子为Zr41Ti14Ni10Cu12.5Be22.5。
虽然上面描述了具体的块状凝固无定形合金，但是可以承受最高达1.5％或更大应变而没有任何永久变形或断裂；和/或具有大约10ksi√in或更大、且更具体为大约20ksi√in或更大的高断裂韧性；和/或具有大约4GPa或更大、且更具体为5.5Gpa或更大的高硬度值的任何适当的块状无定形合金均可以采用。与传统的材料相比，适当的块状无定形合金具有最高达到大约2GPa或更大的屈服强度，超过了钛合金目前的状态。而且，本发明的块状无定形合金具有4.5至6.5g/cc范围内的密度，从而提供了高的强度重量比。除了所需的机械特性之外，块状凝固无定形合金还表现出非常良好的抗腐蚀性。
另一组块状凝固无定形合金是基于黑色金属(Fe、Ni、Co)的组合物。在美国专利6,325,868，(A.Inoue et.al.，Appl.Phys.Lett.，Volume 71，p464(1997))，(Shen et.al.，Mater.Trans.，JIM，Volume 42，p 2136(2001))，和日本专利申请2000126277(Publ.#.2001303218 A)中公开了这种组合物的例子，前述文献在此被引入作为参考。这种合金组合物的一个例子为Fe72Al5Ga2P11C6B4。这种合金组合物的另一个例子是Fe72Al7Zr10Mo5W2B15。尽管这些合金组合物不像Zr基合金系那样适于加工，但是仍可以将这些材料加工至大约0.5mm或更大的厚度，足以被用在这里所公开的技术中。另外，尽管这些材料的密度总体较高，在6.5g/cc至8.5g/cc的范围内，但是材料的硬度也较高，在7.5GPa至12Gpa或更高，使它们特别具有吸引力。类似地，这些材料具有高于1.2％的弹性应变极限和从2.5GPa至4GPa的非常高的屈服强度。
通常，块状无定形合金中的结晶沉淀对它们的特性、尤其是韧性和强度具有很大的危害，并且因此通常更希望尽可能最小的体积百分率。然而，在块状无定形合金处理过程中延展性金属结晶相原位沉淀的情况是存在的。这些延展性沉淀可以有利于块状无定形合金的特性，尤其是对硬度和延展性有利。因此，包含这种有益的沉淀的块状合金也包含在本发明之中。在(C.C.Hays et.al，PhysicalReview Letters，Vol.84，p2901，2000)中公开了一种示例情况，在此被引入作为参考。
在本发明的一个实施例中，至少切割工具的刀片30是由上述块状无定形合金材料之一制成的。在这一实施例中，尽管可以制造任何尺寸和形状的刀片，但是为了尽可能更高的操作性能，希望切割工具的锐切刃40具有尽可能小的曲率半径。作为一个基准，可以制造具有小于150埃的刃部曲率半径的金刚石手术刀。然而，传统的材料在成型具有这样小的半径的切刃的工艺过程中具有一些困难。传统材料、例如不锈钢具有多晶原子结构，这种多晶原子结构由不同方向取向的小晶粒构成。由于这些晶体的结构各向异性特性，材料中不同的晶粒对成型操作的响应不同，使得由这种结晶材料成型和制造高效率的锐边受到危害，或者需要大量的附加处理，增加了最终切割工具的成本。由于块状凝固无定形合金不具有结晶结构，所以它们更均匀地响应传统的成型操作、例如研磨、化学和高能方法。因此，在一个实施例中，本发明针对具有由块状无定形合金材料制成的刀片的切割工具，其中刀片30的切刃40具有大约150埃或更小的曲率半径。
由于这些切割工具的切刃40的曲率半径小，所以该切刃具有较低程度的刚性，并且因此在操作过程中经受高水平的应变。例如，传统金属、例如不锈钢制成的切刃仅通过塑性变形来承受大的应变，因此损失了它们的锐度和平直度。实际上，传统金属在0.6％或更小的应变水平下开始塑性变形。在另一方面，由硬质材料、例如金刚石制成的切刃不产生塑性变形，但是由于它们本质上的例如1ksi-sqrt(in)或更低的低断裂韧性而造成碎裂，这限制了它们承受超过0.6％的应变的能力。相反，由于其独特的原子结构，无定形合金具有高硬度和高断裂韧性相结合的优点，因此，由块状凝固无定形合金制成的切割刀片可以容易地承受最高达到2.0％的应变，而不会产生任何塑性变形或碎裂。而且，块状无定形合金在较薄的尺寸(小于1.0mm)上具有更高的断裂韧性，这使得它们对于锐边切割工具特别有用。因此，在一个实施例中，本发明针对能够承受大于1.2％的应变的切割工具刀片。
尽管前述讨论集中在块状凝固无定形合金在切割工具刀片部分上的应用，但是应当理解，块状凝固无定形合金也可以用在刀片的支撑部分、例如图1中所示的刀子或手术刀10的主体20。这样一种结构是令人满意的，这主要是因为，在锐边具有与主体支撑部分的微观结构(即使在明显较低的硬度下仍提供较高的韧性)不同的微观结构(用于较高的硬度)切割工具中，一旦锐边变钝，和/或经过几次重新磨锐，则刀片的材料被消耗且必需将切割工具丢弃。另外，采用单一材料作为主体和刀片，减少了不同材料例如由于电镀作用而受到腐蚀。最后，由于切割工具的主体和刀片为一件，所以不需要附加的结构将刀片连接到主体上，从而向刀片更坚实、精确地传递力，并且因此，使用者获得更坚实和精确的感觉。因而，在一个实施例中，本发明针对一个切割工具，其中，刀片和支撑体均由块状无定形合金材料制成。
另外，在切割工具的主体上形成手柄的情况下，尽管其它材料、例如塑料、木头等可以被安装到切割工具的主体上以用作手柄把手50，但是手柄和主体也可以由块状无定形合金制成的单一构件构成。进而，尽管图1所示的切割工具的实施例表示出了一个传统的长形刀体20，该刀体20带有一个在主体的末端与刀片30的对向端上安装于长柄60上的手柄50，但实际上可以制造任何的主体结构，同样地，手柄可以位于切割工具主体上的任何位置上，以便由使用者施加的力可以通过主体传递到手柄和切割工具的刀片和切刃上。
尽管上面说明了用块状无定形合金制造的切割工具，然而，通过施加厚度最高达0.005mm的高硬度材料、例如金刚石、TiN、SiC的涂层，也可以使切割工具的锐边具有更高的硬度和更好的耐用性。由于块状凝固无定形合金具有与高硬度材料、例如金刚石、SiC等的薄膜类似的弹性极限，所以它们更加匹配并且对这些薄涂层提供了高效的支撑，从而可以保护所述硬质涂层不会碎裂。因而，在一个实施例中，本发明针对一种切割工具，其中，块状无定形合金刀片进一步包括超高硬度涂层(例如金刚石或SiC)，以提高抗磨损性能。
尽管上面没有讨论最终的切割工具，但是应当理解，可以对块状无定形合金进行进一步的处理，以改善切割工具的美感和色彩。例如，可以对切割工具进行任何适当的电化学处理、例如阳极氧化处理(金属的电化学氧化)。由于这种阳极涂层还可以进行二次浸渍(即，有机和无机颜料、润滑助剂等)，在阳极氧化处理过的切割工具上可以进行另外的用于美观或功能上的处理。任何适当的传统阳极氧化处理都可以采用。
本发明还针对由块状无定形合金制造切割工具的方法。图3表示一个用于形成本发明无定形合金工件的工艺流程图，包括：提供原料(步骤1)，在模制工艺的情况下，该原料为无定形形式的固体件，而在铸造工艺的情况下，该原料为在熔点温度以上的熔融液态合金；然后，或者是在熔融温度或以上将原料铸造成所需的形状并同时冷却(步骤2a)、或将原料加热至玻璃化转变温度或以上并将合金模制成所需的形状(步骤2b)。在本发明中可以采用任何适当的铸造工艺，例如永久型铸造、模铸或连续工艺、例如平面流铸。在美国专利No.5,711,363中公开了一种这样的模铸工艺，在此将其引入作为参考。同样，也可以采用各种模制操作，例如吹制造型(夹持原料的一部分并在未夹持区的相对表面上施加不同的压力)，模压成型(将进给材料压入到一个模腔中)，以及由一个复制模具进行表面特征的复制。美国专利No.6,027,586、5,950,704、5,896,642、5,324,368、5,306,463(每一篇的全部均在此引入作为参考)公开了用于通过利用玻璃化转变特性来形成无定形合金的模制产品的方法。尽管可以采用后续工艺步骤来修整本发明的无定形合金产品(步骤3)，但是应当理解，通过铸造和/或模制，无需任何例如热处理或机加工等的后续工艺，可以获得块状无定形合金和复合物的机械特性。另外，在一个实施例中，块状无定形合金及它们的复合物在两步骤的工艺中形成复杂的近终形形状。在这样的实施例中，保存了铸造和模制的精确性和近终形形状。
最后，该切割工具刀片被粗加工成一个初步的边缘，并且通过传统的研磨、化学和高能方法中的一种或多种的组合，生产出最终的锐边(步骤4)。或者，可以由一个无定形合金毛坯形成该切割工具(例如刀子或手术刀)。在这种方法中，在步骤1和2中形成无定形材料的片材，然后，在最终成形和锐化之前，在步骤3中从块状无定形合金的片材上切下1.0mm或更厚的坯料。
尽管在图1中表示出了一个相对简单的单一刀片的刀形切割工具，但是应当理解，采用这种近终形成型工艺用以形成由块状无定形金属和复合物制成的结构，可以实现具有改善的机械特性的切割工具更加成熟和先进的设计。
例如，在一个实施例中，本发明针对一种切割工具，其中，切刃的厚度和边缘发生变化以形成锯齿形。这种锯齿形可以利用任何适当的技术形成，例如利用轴线平行于切刃的砂轮。在这种工艺中，砂轮沿着切刃切割掉金属的表面。这使得切刃具有了锯齿形状，形成突出的齿，以便使切刃具有锯齿形状。或者，可以在模制或铸造工艺中形成所述锯齿。这种方法具有可以在一个步骤中形成锯齿的优点。具有锯齿边的切割工具在一些类型的切割应用中特别有效。而且，这种切割工具的切割能力不直接依赖于切刃的锐度，使得即使在切刃磨损并且有些钝化之后仍可以有效地进行切割。
尽管在此公开了具体的实施例，不过可以认为本领域技术人员能够并且将会设计出替代的无定形合金切割工具和用于生产这种无定形合金切割工具的方法，而该切割工具及其生产方法均在随后的权利要求的字面或依据等同原则的保护范围之内。