CN109666779A - 一种刃口马氏体强化医用手术剪刀及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于加工领域，具体是一种刃口马氏体强化医用手术剪刀及制作方法。包括刀刃和刀背，从刀刃到刀背马氏体的含量逐渐降低。制备方法如下：对原始板材进行斜辊轧制，得到楔形截面板材，即楔形板材；对获得的楔形板材进行退火处理，使其完全奥氏体化；对退火态楔形板材进行平辊轧制，得到等厚不锈钢板材，即非均匀马氏体含量板材；手术剪刀的加工成型。本发明通过“斜辊轧制‑退火‑平辊轧制”的方法，可制得一体化成型制造的刀刃刀背部分，强度、硬度沿刀背刀刃方向梯度增加，刃口保证了高强度和高硬度，显著提高手术剪刀的锋利程度和使用寿命，刀背部分强度不高，塑性韧性良好。

Description

一种刃口马氏体强化医用手术剪刀及制作方法
技术领域
本发明属于加工领域，具体是一种刃口马氏体强化医用手术剪刀及制作方法。
背景技术
医用手术剪刀在医学上发挥着重要的作用，按照用途的不同可大致分为手术剪、组织剪，精细剪、血管剪等多种手术剪刀。在手术剪刀的使用过程中，经常与人体的血液相接触，对其有着强烈的腐蚀性，这对手术剪刀抗腐蚀性能提出了更高要求。并且由于其工作环境的特殊性，对手术剪刀刀刃的强度和硬度也有着较高的要求。对于奥氏体不锈钢手术剪刀来说，具有优良的抗腐蚀性能，但硬度仅有200HV左右，难以满足刃口的要求，长时间使用后会出现明显钝化，影响使用寿命。此外，若进行整体材料的强化，手术剪的韧性会发生急剧降低，其使用寿命会显著降低。因此，制备一种异构手术剪，使其刀刃和刀身具有不同的强塑性，是目前医疗器械领域发展的一个重要方向。目前，对于手术剪刀的设计和研究，大多朝着特殊功能和结构的方向发展。但是，基于上述机械性能需求，对原材料针对性进行微观结构设计，目前的研究十分有限。
目前，现有技术中，中国专利申请号CN201710199211，发明名称：复合涂层手术剪及其制备方法，该专利通过在手术剪刀的表面依次沉积渗氮层、PVD涂层和抗纳米粒子改性的PVD涂层形成的复合涂层显著提高手术剪的强度和硬度，从而有效提高手术剪的使用寿命和抗菌性能。但是，使用刃口涂层法中的PVD涂层包含了多种复合涂层且制作工艺复杂，成本较高。此外，PVD涂层厚度一般在250～300μm，直接覆盖于刀刃位置。在一定程度上，会降低刀刃的锋利程度，和不利于手术剪的闭合吻合及尺寸配合。
另外现有技术中也有人采用下述方法，例如，“医用不锈钢剪刀的激光焊接”，孙维超等，《热处理》，2016，31(1):11-14中，通过在12Cr18Ni9奥氏体不锈钢上焊接CoCrW合金刀刃进行刃口强化，该技术得到刃口硬度可达426HV左右。但是，焊接组织不可避免会对手术剪的抗腐蚀性产生消极影响，并且通常来说，焊接接口材料的韧性较差，容易导致局部开裂，降低手术剪的使用寿命。此外，激光焊接对焊件装配精度要求高，光束在工件上不能有显著的偏移，若是达不到安装要求，很容易引起焊接缺陷。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种刃口马氏体强化医用手术剪刀及制作方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种刃口马氏体强化医用手术剪刀，所述手术剪刀材质为不锈钢，包括刀刃和刀背，从刀刃到刀背马氏体的含量逐渐降低。
所述手术剪刀的材质为不锈钢以外的能发生应变诱发相变的金属材料。
所述不锈钢为304不锈钢、306不锈钢或316不锈钢。
一种制备上述刃口马氏体强化医用手术剪刀的方法，具体步骤如下：
(1)对不锈钢板进行斜辊轧制，得到楔形截面板材；
(2)对获得的楔形截面板材进行退火处理，使其完全奥氏体化；
(3)对退火态，楔形截面板材进行平辊轧制，得到等厚不锈钢板材，即非均匀马氏体含量板材，变形量较大部位发生应变诱导马氏体相变，马氏体含量较多，变形量较小部位，马氏体含量较少；
(4)手术剪刀的加工成型。
进一步的，所述步骤(1)的斜辊轧制采用斜辊轧机，所述斜辊轧机上、下辊轮的轴线夹角为1-20°。
进一步的，所述斜辊轧制的频率为20～50HZ，转速为68～170mm/s。
进一步的，所述步骤(2)中退火处理在马弗炉中进行，退火温度为700～900℃。
进一步的，所述步骤(3)中的平辊轧制采用平辊轧机，所述平辊轧机上、下辊轮轴线平行；所述平辊轧制的频率为20～50HZ，转速为68～170mm/s。
进一步的，所述斜辊轧制和平辊轧制采用同一架轧机，通过调整上、下辊轮的夹角，实现斜辊轧制和平辊轧制。
进一步的，所述步骤(4)手术剪刀的加工成型具体为：通过后续加工对步骤(3)轧制后的板材进行切割加工，设置加工路线图，将板材做成剪刀形状，其刀刃为等厚不锈钢板材中马氏体含量较多的部分，刀背为马氏体含量较少的部分。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本发明通过“斜辊轧制-退火-平辊轧制”的方法，可制得一体化成型制造的刀刃刀背部分，强度、硬度沿刀背刀刃方向梯度增加，刃口保证了高强度和高硬度，显著提高手术剪刀的锋利程度和使用寿命，刀背部分强度不高，塑性韧性良好。
(2)生产工艺简单，采用两次轧制和一次退火处理得到和加工成型即可得到剪刀产品。
(3)工艺生产的产品质量稳定，生产过程中残次品较少，且刃口采用马氏体强化，硬度高，刀刃锋利。
(4)本发明的操作采用马氏体相变机理强化，属于相变范畴，产品杂质含量少，卫生安全，耐腐蚀性强。
(5)本申请的斜辊轧制和平辊轧制，只需调整轧辊的夹角，就可以实现采用同一台轧机进行斜辊轧制和平辊轧制，所涉及的设备装置结构简单，易于控制工艺和调控参数，且设备对工人技术要求不高，可大批量生产，生产效率高，成本低。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明医用手术剪刀加工流程图。
图2为本发明刀背和刀刃部分试样拉伸力学曲线。
图3为本发明医用手术剪刀示意图，其中图a为剪刀整体示意图，图b为局部放大示意图。
附图标记说明：
1-原始板材，2-斜辊轧机，3-楔形板材，4-平辊轧机，5-非均匀马氏体含量板材，6-手术剪刀，7-刀刃，8-刀背，9-连接铆钉，10-刀臂，11-指环。
具体实施方式
本发明提供了一种制备高强度高硬度的手术剪刀新技术。该技术无需额外增加陶瓷涂层工序，也不用对异种材料进行焊接处理。只需在原材料使用前进行一道针对性的塑性成形工序，利用非均匀轧制技术局部诱导刃口部用材的马氏体相变，实现手术剪刃口局部位置的强化。
如图1所示，本发明制作的新型手术剪刀所需生产设备包括：斜辊轧机2、马弗炉、平辊轧机4。马弗炉主要用来进行退火稳定组织及消除残余加工应力。轧机主要是制作楔形截面板材和对不均匀板材进行压力加工，使得板材变薄变长发生马氏体相变提高板材强度和硬度。
所述的斜辊轧制是指通过调整轧机上下两辊轮之间的夹角，夹角为1～20°，频率为20～50，转速为68～170mm/s,通过辊轮之间的挤压变形制作楔形截面板材。
所述的退火处理是指对上述楔形板材进行700～900℃的退火处理，消除316奥氏体不锈钢板材在变形下诱发生成的马氏体，使得板材组织恢复到原始状态。
所述的平辊轧制，是指调整轧机上下辊轮之间夹角使其平行，频率为20～50，转速为68～170mm/s，对上述退火楔形板材进行轧制处理，得到沿截面方向马氏体含量不同的异构板材。
本发明可制备304、306、316不锈钢等钢材及能发生应变诱发相变的其它金属材料。
如图1所示，本发明是通过以下步骤方案实现的，主要包括以下步骤。
步骤一：楔形不锈钢板材制备。对轧机进行改进，将其上下两个轧辊成一定角度制作不均匀厚的楔形板材3。
步骤二：退火处理。对加工的楔形不均匀厚板材进行退火处理，消除轧制过程产生的组织变化以及残余加工应力，以避免在后续轧制过程中的板材开裂倾向等不良影响，板材保温完成后随炉进行冷却，稳定组织。
步骤三：应变诱导马氏体相变。通过测试，优选轧机的上下两辊轮之间的转速(136mm/s)和频率(40)等参数，下降量δ根据工件厚度t而定(t>5mm,δ＝0.5mm,
2<δ<5mm,δ＝0.3mm,t<2mm,δ＝0.2mm)。通过轧制变形，在奥氏体不锈钢板材中产生应变诱导马氏体相变。因为楔形板材3在轧制过程中各部分发生马氏体相变的程度不同，厚的部分变形量大，产生的马氏体含量越多，薄的部分马氏体含量少。最终在板材中会形成硬度的梯度分布。
步骤四：手术剪刀6的加工成型。通过后续加工对轧制后的板材进行切割加工，设置加工路线图，将板材做成剪刀形状，其刀刃7为等厚不锈钢板材中马氏体含量较多的部分，刀背8为其中马氏体含量较少的部分。
图2为初始态316不锈钢和冷轧75％板材的拉伸曲线对比图。其中，原始态为刀背8部分，冷轧75％状态下的板材为表刀刃7部分。楔形板材3经过平辊轧制后，最薄部分几乎没有受到挤压作用，其组织与原始态相当；最厚部分板材受力作用最大，诱发形成马氏体含量最高，马氏体含量通过斜辊辊轮夹角调整。通过拉伸实验得到的力学曲线对比，可以看出刀刃7部分强度较刀背8有显著提升。
剪刀的具体结构如图3所示，其中阴影部分为含马氏体高体积分数的刀刃部分。
实施例1
为具体说明本发明的实施方式，以316不锈钢板材为材料为例作出说明。实施步骤设计四个程序：楔形316不锈钢板材的制作、楔形板材的退火、应变诱导马氏体相变、手术剪刀的加工成型。
步骤一：316不锈钢楔形板材的制备，首先，通过控制界面使得轧机两辊轮成4°夹角，设定轧机各项参数以及辊轮高度的调整，准备完成后进行楔形板材的制备。
步骤二：楔形316不锈钢板材的退火，将316不锈钢制作成楔形板材后，进行820℃-30min的退火处理，然后随炉冷却。
步骤三：应变诱导马氏体相变，设置轧机上下滚轮频率(40HZ)和滚轮速度(136mm/s)，通过轧制最终得到板状奥氏体马氏体双相板材。力学性能结果发现，刃口部分强度提高大致700MPa，硬度大致提高了220HV，强度、硬度均有大幅提升。
步骤四：手术剪刀的加工成型，按照手术剪刀的形状对板材进行加工成型处理，将之前楔形板材的最薄部分作为刃口部分进行加工，最终得到手术剪刀样品。

Claims (10)

1.一种刃口马氏体强化医用手术剪刀，其特征在于，所述手术剪刀材质为不锈钢，包括刀刃(7)和刀背(8)，从刀刃(7)到刀背(8)马氏体的含量逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的剪刀，其特征在于，所述手术剪刀的材质为不锈钢以外的能发生应变诱发相变的金属材料。
3.根据权利要求1所述的剪刀，其特征在于，所述不锈钢为304不锈钢、306不锈钢或316不锈钢。
4.一种制备权利要求1所述的刃口马氏体强化医用手术剪刀的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)对原始板材(1)进行斜辊轧制，得到楔形截面板材，即楔形板材(3)；
(2)对获得的楔形板材(3)进行退火处理，使其完全奥氏体化；
(3)对退火态楔形板材(3)进行平辊轧制，得到等厚不锈钢板材，即非均匀马氏体含量板材(5)，变形量较大部位发生应变诱导马氏体相变，马氏体含量较多，变形量较小部位，马氏体含量较少；
(4)手术剪刀(6)的加工成型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)的斜辊轧制采用斜辊轧机(2)，所述斜辊轧机(2)上、下辊轮的轴线夹角为1-20°。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述斜辊轧制的频率为20～50HZ，转速为68～170mm/s。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中退火处理在马弗炉中进行，退火温度为700～900℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的平辊轧制采用平辊轧机(4)，所述平辊轧机(4)上、下辊轮轴线平行；所述平辊轧制的频率为20～50HZ，转速为68～170mm/s。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述斜辊轧制和平辊轧制采用同一架轧机，通过调整上、下辊轮的夹角，实现斜辊轧制和平辊轧制。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)手术剪刀(6)的加工成型具体为：通过后续加工对步骤(3)轧制后的板材进行切割加工，设置加工路线图，将板材做成剪刀形状，其刀刃为等厚不锈钢板材中马氏体含量较多的部分，刀背为马氏体含量较少的部分。
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