CN101617960A

CN101617960A - 一种复合矫形丝及其制备方法

Info

Publication number: CN101617960A
Application number: CN200810115899A
Authority: CN
Inventors: 黄兵民; 郑玉峰
Original assignee: Beijing Smart Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Smart Technology Co Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-06

Abstract

为了解决现有复合矫形丝存在的不同段具有不同特性的问题，本发明提供了一种具有大延伸率的复合矫形丝。复合矫形丝包括管状外层和条状芯材，所述条状芯材设置于管状外层内，条状芯材与管状外层经热压在两者交界处形成接合界面。采用本发明的技术方案，使得矫形丝在长度方向上具有相同的特性，真正“复合”各材质的优异特性。本发明的复合矫形丝用于口腔正畸治疗领域。

Description

一种复合矫形丝及其制备方法

技术领域

本发明属于一种生物医用合金材料，特别是起到口腔正畸作用的合金丝材。

背景技术

口腔正畸学的发展和材料学的发展密切相关。目前世界各国在正畸临床中使用最广泛的是固定矫正器，而矫治弓丝是矫正器的主要功能部分。在矫治过程中正是通过矫治弓丝在形变过程中产生持续而又具有一定大小的弹力来控制牙齿的移动，从而达到矫治的目的。可见矫治弓丝材料对口腔正畸过程和效果有着极重要的影响。目前应用于牙齿矫正的弓丝主要有奥氏体不锈钢丝、β钛合金丝和镍钛形状记忆合金、纤维增强复合弓丝材料等。近年来，为了满足各种正畸临床的要求，这些材料的性能得到了不断的改进。

目前用于口腔正畸治疗用的钛基合金，主要是钛镍合金和β钛合金。前期的研究和专利情况可以概括如下：

钛镍合金目前已有一些中国专利，如热激活型钛镍牙齿矫形丝及其生产工艺(00123607.5)，牙本色牙齿矫形丝(00257677.5)，表面沉积钙磷生物陶瓷的牙齿矫形丝及其制备方法(200410013923.7)。镍钛合金弓丝是目前正畸临床应用中最常使用的一种材料，它是镍与钛组成的二元合金。镍钛合金的晶体结构因其所处的环境温度和所受应力的不同有奥氏体相和马氏体相2种不同的排列方式。奥氏体相对应于温度相对高或者卸载时的状态，变形时产生的应力较大；马氏体相对应于温度相对低或者加载时的状态，变形时产生的应力较小。通过将温度降至相变温度以下，或者施加外力，可以使奥氏体相转变为马氏体相；相反，当温度升高至相变温度以上，或者去除外力时马氏体相就会转变为奥氏体相。镍钛合金具有许多与普通金属不同的独特性能，其中最典型的是形状记忆效应和相变伪弹性效应(超弹性)，2种效应发生在不同的温度范围内，由热弹性马氏体相变引起。目前临床中应用的镍钛合金弓丝大致分为普通型、伪弹性型和温控型等3种类型。超弹性镍钛弓丝加载时和卸载时的应力-应变曲线的斜率较小，这说明该弓丝作为初始弓丝时，不论牙齿的错位程度如何，弓丝在较小或者较大范围内的弯曲变形，都易于入槽，入槽后将产生持续恒定的力。上述特征是其他材料的弓丝所不具备的，不锈钢丝、普通镍钛弓丝和β-钛丝对所有的加载外力都表现为恒定的卸载刚度。这种独特的性能使超弹性镍钛弓丝具有特殊的正畸临床意义，如：(a)在治疗初期，弓丝对畸形严重的牙齿产生的力较小，随着牙齿逐渐排齐，弓丝产生的力反而逐渐加大；(b)简单的重新结扎(即增加载荷)即可增加弓丝对牙齿的施力。这种超弹性镍钛合金弓丝在治疗早期牙齿严重不齐时，或者在治疗单颗牙齿重新粘着托槽后再次排齐时的效果相当好。

当冶金温度超过903℃时，纯钛由六边形密集晶状结构的α相，重新排列为体心立方形框架点阵的β相，即β-钛。当加入钼或钴后，室温下钛基合金仍保持β-钛结构，即稳定结构钛。应用于正畸矫治的β-钛合金丝的主要特点有：(a)热处理后强度高，仍能保持优越的加工性能；(b)耐蚀性优良，在氯化物介质中几乎不受点蚀和应力腐蚀的影响，其耐腐蚀疲劳性能也优良；(c)高弹性回复力，弓丝在大幅度弯曲后无永久变形；(d)硬度较低，弓丝硬度低于不锈钢丝，便于成形，可与托槽相匹配，产生较小的矫治力。β-钛丝的弹性模量介于不锈钢丝和镍钛合金丝之间，因此β-钛丝的矫治力低于不锈钢而高于镍钛合金丝。由于β-钛的弹性模量低于不锈钢丝，因此用β-钛丝弯制的理想方丝弓明显优于不锈钢丝；当其弯曲曲率半径比不锈钢丝小一倍时，仍无永久变形。这使其作用范围增大，既可用于治疗初期的排齐牙齿弓丝，又可用于治疗结束时的完成弓丝。在β-钛丝上可直接点焊附件，如阻滞点、牵引勾、辅助弓丝等均可点焊在β-钛丝上，使弓丝更加适用。

申请号01138750.5的发明专利公布了一种“口腔正畸复合矫齿丝及其制备方法”，矫齿丝是由具有不同弹性的金属丝TiNi形状记忆合金矫齿丝(A)和不锈钢矫齿丝(B)，用银基钎料将其连接而成，中间段为TiNi形状记忆合金丝(A)，两侧为不锈钢丝(B)，银基钎料的成分为(重量百分比Wt/％)：银(Ag)50-68，铜(Cu)10-30，锌(Zn)12-20，锡(Sn)0-10。钎剂的成分为(重量百分比Wt/％)：硼酸27，硼砂41，氟化钾10，氟硼酸钾22。矫齿丝的制备方法是将银基钎料按上述组成成分的重量百分比(Wt/％)配制冶炼后，轧制成丝状钎料或制成大小为20-80目的膏状钎料，将一定尺寸长度的TiNi形状记忆合金丝和不锈钢丝采用激光钎焊，加热银基钎料和钎剂熔化后连接在一起组成复合矫齿丝。这种复合矫齿丝在长度方向上将不同材质的丝接合在一起应用，利用各材质丝的优点进行互补，即利用了TiNi合金的超弹性，利用了不锈钢矫齿丝的刚度。这种复合矫齿丝存在以下问题：矫齿丝的不同段具有不同的特性，并不能达到在矫齿丝长度方向上具有相同的“复合”的特性，且很难在实际应用中精确利用各段的优异特性。另外，不同材质丝材接合面积小，接合力低，容易发生断裂。

发明内容

为了解决现有复合矫形丝存在的不同段具有不同特性的问题，本发明提供了一种具有大延伸率的复合矫形丝，使各材质的优异特性得以复合，在复合矫形丝的长度方向上具有相同的特性。

本发明的技术方案如下：

复合矫形丝，包括管状外层和条状芯材，所述条状芯材设置于管状外层内，条状芯材与管状外层经热压在两者交界处形成接合界面。

管状外层的材质为TiNi合金，条状芯材的材质为TiNi合金或TiMoZrSn合金或304V不锈钢。

所述芯材材质为TiNi合金时，芯材的形状为麻花状。

管状外层最小壁厚与条状芯材横截面外接圆的半径尺寸比为0.2-5。

制备复合矫形丝的方法包括如下步骤：

A、将TiNi合金利用机械加工方法加工成管状外层，将条状芯材放置于管状外层内，条状芯材的材质为TiNi合金或TiMoZrSn合金或304V不锈钢；

B、利用热压方法将内置芯材的管状外层加工成复合矫形丝粗坯；

C、将步骤B得到的矫形丝粗坯进行拉拔处理，得到复合矫形丝。

步骤A所述机械加工方法为沿TiNi合金棒轴向打孔。

步骤B所述热压方法为热旋锻法。

步骤C所述拉拔方法工艺参数为：温度720℃-850℃、拉拔速度小于等于20米/分钟、每道变形量在15％-25％。

所述制备复合矫形丝的方法还包括如下步骤D：对复合矫形丝进行超弹性处理，即将复合矫形丝加热至400℃-480℃，保温时间5-50分钟，采用水淬。

所述制备复合矫形丝的方法还包括如下步骤E：对经步骤D处理的复合矫形丝进行表面处理，即将复合矫形丝用硝酸与氢氟酸混合的水溶液进行清洗，HF∶HNO₃∶H₂O的重量比为1∶2∶10，清洗时间为1-30分钟。

本发明的技术效果：

采用本发明的技术方案，使得矫形丝在长度方向上具有相同的特性，真正“复合”各材质的优异特性。图1为本发明的复合矫形丝与现有矫形丝的性能对比。从图中可见，本发明的复合矫形丝与单一材质的不锈钢矫形丝、TMA矫形丝及NiTi丝相比具有更大的延伸率。复合矫形丝体现出复合优异特性的效果。

本发明制备复合矫形丝的方法可以实现构成矫形丝的不同材质在交界处形成接合界面，即不同材质可以形成较紧密的连接，甚至有部分元素发生界面扩散。

附图说明

图1为多种材质矫形丝在人体体温下应力/应变曲线。

图中标记列示如下：

1、不锈钢单体矫形丝曲线；2、TMA单体矫形丝曲线；3、NiTi单体矫形丝曲线；4、复合矫形丝曲线(外层NiTi材质，不锈钢芯材，外层最小壁厚与条状芯材横截面外接圆的半径尺寸比为2∶1)；5、复合矫形丝曲线(外层NiTi材质，TMA芯材，外层最小壁厚与条状芯材横截面外接圆的半径尺寸比为3∶1)；6、复合矫形丝曲线(外层NiTi材质，芯材为NiTi麻花丝，外层最小壁厚与条状芯材横截面外接圆的半径尺寸比为1∶1)。

具体实施方式

本发明的复合矫形丝分为管状外层和条状芯材两部分，条状芯材设置于管状外层内，条状芯材与管状外层经热压在两者交界处形成融合的接合界面，本发明所指的接合界面是指外层与芯材在热压作用下发生固态的良好的机械压合，并有部分元素发生界面扩散的可能，类似于将白面团与玉米面团压合在一起形成的连接。管状外层的材质为TiNi合金，条状芯材的材质为TiNi合金或TiMoZrSn合金或304V不锈钢，当条状芯材的材质与管状外层的材质同为TiNi合金时，芯材为麻花丝，即芯材的形状麻花形状。本发明中的TiNi合金、TiMoZrSn合金及304V不锈钢均为现有材料，其中钛镍(TiNi)合金的成分为：Ti：45％-55％、Ni：45％-55％；TiMoZrSn合金的成分为：钛、钼、锆、锡的质量分数分别是70-85％、5-15％、5-15％、0-10％，总和为100％；304V不锈钢的成分为18％铬和8％镍，其余为铁。TiNi合金、TiMoZrSn合金、304V不锈钢材质矫形丝及TiNi合金7股麻花丝矫形丝均可从市场上采购到。

TiNi合金具有良好的超弹性但矫治力较低，TiMoZrSn合金或304V不锈钢具有良好的矫治力但超弹性差，这样形成的复合矫形丝在受到外力作用时芯材与外层同步发生变形，能够复合各自材质的特性形成优势互补。TiNi合金麻花丝的矫治力也会强于管状TiNi合金，这样形成的复合矫形丝具有优于单体TiNi合金丝的性能。

下面通过3个实施例说明本发明制备复合矫形丝的方法。

实施例1

将φ12mm的TiNi合金圆棒，利用机械打孔方式，钻出内径为φ6mm的内孔，将外径为φ6mm的TiMoZrSn合金丝穿入TiNi合金圆管中，随后进行热旋锻，获得φ6mm圆丝。进一步采用圆模拉拨，温度控制在720℃，拉拨速度为15米/分钟，每道变形量控制在25％，最终获得φ0.30mm的复合矫形钛丝。

然后对复合矫形丝进行超弹性处理，加热复合矫形丝至400℃，保温50分钟，然后淬入水中冷却。

然后对复合矫形丝进行表面处理：采用硝酸与氢氟酸与水的混合溶液清洗复合矫形丝表面，HF∶HNO₃∶H₂O的重量比为1∶2∶10，清洗时间在1分钟。最终获得的丝材在37℃下拉伸，具有15％的超弹性完全可恢复应变量，而且弹性恢复下平台矫治力在200g左右。

实施例2

将φ12mm的TiNi合金圆棒，利用机械打孔方式，钻出内径为φ6mm的内孔，将外径为φ6mm的TiMoZrSn合金丝穿入TiNi合金圆管中，随后进行热旋锻，获得φ6mm圆丝。

进一步采用圆模拉拨，温度控制在720℃，拉拨速度为10米/分钟，每道变形量控制在20％，最终获得φ0.30mm的复合矫形钛丝。

然后对复合矫形丝进行超弹性处理，加热复合矫形丝至480℃，保温5分钟，然后淬入水中冷却。

然后对复合矫形丝进行表面处理：采用硝酸与氢氟酸与水的混合溶液清洗复合矫形丝表面，HF∶HNO₃∶H₂O的重量比为1∶2∶10，清洗时间在20分钟。

实施例3

与实施例2不同之处在于：

拉拔工艺参数为：温度780℃，拉拔速度10米/分钟，每道变形量控制在15％。超弹性处理加热复合矫形丝至440℃，保温30分钟，然后淬入水中冷却。

对复合矫形丝进行表面处理清洗时间30分钟。

Claims

1.复合矫形丝，包括管状外层和条状芯材，其特征在于所述条状芯材设置于管状外层内，条状芯材与管状外层经热压在两者交界处形成接合界面。

2.根据权利要求1所述复合矫形丝，其特征在于管状外层的材质为TiNi合金，条状芯材的材质为TiNi合金或TiMoZrSn合金或304V不锈钢。

3.根据权利要求2所述复合矫形丝，其特征在于所述芯材材质为TiNi合金时，芯材的形状为麻花状。

4.根据权利要求1至3之一所述复合矫形丝，其特征在于管状外层最小壁厚与条状芯材横截面外接圆的半径尺寸比为0.2-5。

5.制备复合矫形丝的方法，其特征在于包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述制备复合矫形丝的方法，其特征在于步骤A所述机械加工方法为沿TiNi合金棒轴向打孔。

7.根据权利要求5所述制备复合矫形丝的方法，其特征在于步骤B所述热压方法为热旋锻法。

8.根据权利要求5所述制备复合矫形丝的方法，其特征在于步骤C所述拉拔方法工艺参数为：温度720℃-850℃、拉拔速度小于等于20米/分钟、每道变形量在15％-25％。

9.根据权利要求5所述制备复合矫形丝的方法，其特征在于还包括如下步骤D：对复合矫形丝进行超弹性处理，即将复合矫形丝加热至400℃-480℃，保温时间5-50分钟，采用水淬。

10.根据权利要求5所述制备复合矫形丝的方法，其特征在于还包括如下步骤E：对经步骤D处理的复合矫形丝进行表面处理，即将复合矫形丝用硝酸与氢氟酸混合的水溶液进行清洗，HF∶HNO₃∶H₂O的重量比为1∶2∶10，清洗时间为1-30分钟。