氣動剪鉗動刀的材料選擇和熱處理工藝研究

摘 要：氣動剪鉗是中國宜昌測試技術研究所自主研制的一致快速切斷鋼筋的工具，其剪切過程為毫秒級，同時對動刀體積和重量均有嚴格限制。因此動刀材料選擇和熱處理工藝也成了當前氣動剪鉗設計的重要研究課題。文章對其材料的選擇、工藝的處理等問題進行了簡要分析，以此為日后工作提供相應參考依據。

關鍵詞：氣動剪鉗；材料選擇；熱處理工藝

1 背景條件

氣動剪鉗是中國宜昌測試技術研究所，自主研制成功的一致快速切斷鋼筋的工具，剪切鋼筋的范圍為（Φ12mm～Φ20mm）。氣動剪鉗在剪切鋼筋時，剪切過程為毫秒級，經計算沖擊力高達90KN。動刀的體積和重量又有嚴格限制，因此對動刀要求有很高的強度、硬度和沖擊韌性；作為應用在公安、消防、電力、水下工程等各種應急服務部門的工具，所以使用次數、使用壽命應盡可能提高，因此動刀又應具有很高的抗疲勞強度，并具抗沖擊腐蝕能力。所以，動刀材料的選擇和熱處理工藝成為氣動剪鉗設計中的一個重要課題，本文主要對氣動剪鉗動刀用材及熱處理工藝進行一些探討。

2 氣動剪鉗刀具材料的選擇

2.1 料選擇原則

氣動剪鉗剪切鋼筋的過程是利用動力彈中火藥快速燃燒產生高壓氣體，推動氣動剪鉗動刀用于常溫條件下剪切高抗力被切物，其工作環境類似與高速沖床的沖頭。刀具材料選擇范圍應當首先考慮具有高強度，高韌性的鋼材。符合要求的材料很多，特別是國外特種鋼的種類更多，且有性能優良者，但我們要求考慮成本和供貨渠道問題，材料選擇還是應當是國內。材料選用還應考慮熱處理工藝，目前國內熱處理工藝水平和操控能都有一定的局限，某些材料產品性能優良，但對熱處理工藝要求很高，且操控性較差也不宜選用。對材料價格則不做嚴格限制，因為此材料價格目前相對制作總成本而言所占比例很小。

2.2 幾種適選材料的性能

合金工具鋼按用途分為量具刃具鋼、量具鋼及模具鋼。根據本產品的特點優先考慮在耐沖擊工具用鋼和冷做模具鋼中尋找。耐沖擊工具鋼和冷作模具鋼中，有些材料雖然經過熱處理后強度，硬度很高，但很脆，不能抗沖擊也不可作為選擇對象。

3.2 LD鋼的成分分析

3.2.1 該鋼含碳量為0.7%～0.8%，淬火后不僅能夠獲得較多的馬氏體和適量的碳化物以達到高硬度、高耐磨性，而且大大減少過程碳化物含量，以保證足夠的強度和韌性。

3.2.2 鉻是碳化物形成元素，在鋼中主要以Cr23LD6型碳化物存在。在淬火加熱至1100℃時，鉻幾乎全部溶入奧氏體中，提高了奧氏體穩定性，增加鋼的淬透性。LD鋼含鉻（6.5～7.5）%，保證了鋼有足夠的淬透性和淬硬性。

4.3 LD鋼不同淬火溫度對LD鋼回火硬度的影響

LD鋼高溫回火時，隨著淬火溫度的上升，回火硬度提高，LD鋼高溫淬火可提高強度和耐磨性，可以通過調整淬火溫度調節產品的工作硬度。

4.4 LD鋼不同淬火、回火溫度LD鋼抗壓屈服強度

抗壓屈服強度隨著淬火溫度的升高而增加，在二次硬化峰處出現最高值。在較低的溫度回火（510℃），抗壓屈服強度隨著淬火溫度的升高有下降的趨勢。

4.5 LD鋼不同淬火溫度下LD鋼的沖擊韌性

4.6 LD鋼強度、韌性的綜合分析

隨著淬火溫度的升高，LD鋼的硬度升高，強度增加，韌性下降。但各種強度和韌性指標所代表的物理涵義不同，其強韌化效果也不完全一樣。在低溫回火（低于二次硬化峰），LD鋼的完全強度隨著淬火溫度的升高而降低；在較高溫度回火，LD鋼1120℃的沖擊韌性高于1100℃，因此在對LD鋼進行強韌化處理時，必須綜合考慮各種可能的影響因素。

5 氣動剪鉗動刀的熱處理

5.1 氣動剪鉗動刀的工作條件

5.2 氣動剪鉗動刀的基本失效形式

氣動剪鉗動刀工作時，其基本失效形式可歸納為以下4種基本形式：

刀口崩韌失效；刀頭變形失效；中間部位斷裂失效；動刀尾部螺紋連接處斷裂失效。

5.3 氣動剪鉗動刀的熱處理工藝

氣動剪鉗動刀在快速剪切鋼筋時，刀頭承受很大的沖擊載荷，所以要求具有較高的抗壓屈服強度，同時也需要較大的沖擊韌性。動刀尾部螺紋連接部位，相對刀頭需要的抗壓屈服強度要求要低于刀頭，但沖擊韌性要求要高于刀頭。因此我們需要對尾部進行局部熱處理，優化尾部的強韌性能，以滿足動刀尾部的實際要求。我們根據氣動剪鉗動刀的結構特點，設計了一種特殊熱處理工藝方案，并進行氣動剪鉗剪切鋼筋試驗。

6 結束語

通過對幾種合金鋼機械性能、化學成分和熱處理工藝研究和以氣動剪刀剪切鋼筋試驗的模型表明：這種帶螺紋孔連接，外形尺寸精度較高，在快速強沖擊環境狀態下工作的的剪切刀和其它類似工作環境的刀具或沖頭，材料可選用7Cr7Mo3V2Si為材料，對直接沖擊部位設計為高硬度，刀具尾部連接部位設計為稍低硬度，熱處理工藝采用整體真空爐調質1150℃淬火、550℃回火，螺紋連接部位采用鹽浴爐局部回火800℃，然后整體井式爐570℃回火，能達到較好的使用壽命，有較好的經濟性和實用性。

作者簡介：查洋（1986-），漢，學歷：大專，研究方向：機械加工制造。