CN103659186B - 一种医用钛合金人工关节精密锻造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种医用钛合金人工关节精密锻造方法，该方法将Ti6Al7Nb合金棒材下料并制坯，在电阻炉内加热至840～880℃，保温30～60min，进行弯杆，然后吹砂，打磨表面缺陷并浸涂玻璃润滑剂；在电阻炉内加热至900～960℃，保温30～60min，模内锻压成型，在切边机上切边，吹砂除去表面氧化层，打磨表面缺陷；在电阻炉内加热至750～780℃，保温30～60min，模内校正，最后经过打磨、吹砂处理得到Ti6Al7Nb医用钛合金人工关节锻件成品。该方法在模锻前加入制坯+弯杆工序，从而使材料利用率提高，生产成本大大降低；在模锻后加入校正工序，提高锻件尺寸精度，减少锻造缺陷，使产品合格率提高。

Description

一种医用钛合金人工关节精密锻造方法
技术领域
本发明涉及一种医用钛合金人工关节精密锻造方法，属于金属锻造技术领域。
背景技术
钛及钛合金因密度低、强度高、弹性模量低、耐腐蚀性能优良以及生物相容性好等优点而被广泛应用于生物医疗领域，是生产复杂外科植入物的理想原材料。早期外科植入的钛合金主要为纯钛和Ti6Al4V合金，但随着应用的深入，纯钛和Ti6Al4V合金的不足亦被发现，纯钛强度过低，不宜做承重部分植入人体，Ti6Al4V合金虽然强度较高，但含有的V元素对人体有害。因此，以Nb替代V的医用钛合金Ti6Al7Nb被开发出来，并被用于生产人工关节。瑞士Sulzer医疗技术公司最早于1985年采用Ti6Al7Nb合金生产髋关节柄，并成功投放市场，2000年引入中国，销量数万。但是，目前国产Ti6Al7Nb医用钛合金人工关节的市场占有率较低，其原因在于Ti6Al7Nb医用钛合金人工关节生产工艺不成熟，产品尺寸精度较低，合格率较低，生产成本较高，从而失去市场竞争力。因此，开发一种精度好、合格率高且成本低的Ti6Al7Nb医用钛合金人工关节制造方法尤为重要。
目前，金属材料人工关节的制造工艺分为铸造和锻造两种。专利CN101128165B《由β-钛钼合金制成的医疗植入体的制备方法以及相应的植入体》阐述了一种通过精密铸造而制备钛合金医疗植入体的方法，专利CN1203818C《一种制备钴基合金人工关节锥柄的方法》提供了一种人工关节锥柄的定向凝固工艺。但是，上述方法有的需在真空条件下制造，其对设备条件要求较高，生产周期较长，难以满足快速批量化生产的要求，同时铸造工艺始终无法避免裂缝和气孔的产生，从而使人工关节产品质量有所降低。随着人们对自身医疗康复事业和医疗安全的逐步重视，人们对人工关节性能的要求也不断提高。因此，许多国内外的人工关节产商如Zimmer，Johnson&Johnson等公司纷纷推出了锻造人工关节，锻造工艺可保证金属流线分布与零件形状一致，从而使人工关节力学性能显著提高。专利CN1326724A《钛合金人工关节精密模锻制造方法》提供了一种人工关节的锻造工艺，该工艺通过精密模锻的方法获得Ti6Al4V合金人工关节锻件，该工艺无需在真空条件下操作，生产效率大大提高，通过控制模锻造次数、加热温度，获得高品质、高产量的Ti6Al4V合金人工关节锻件。但是，该工艺将切割后的Ti6Al4V合金棒材直接作为模锻原料，模锻原料较多，需要两次模锻成型，因此锻造所需载荷较大，模具损耗较高，且原材料利用率较低，从而使得生产成本较高。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种医用钛合金人工关节精密锻造方法，其目的是使原材料利用率提高，模具损耗减小，生产成本降低；同时，通过该方法，可以实现对人工关节尺寸精度和质量的精确控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种医用钛合金人工关节精密锻造方法，所述钛合金为Ti6Al7Nb，其特征在于：该方法的步骤是：
⑴选取Φ35mm棒材原料，用车床或带锯床下料，下料长度为162±2mm，通过机械加工方式制坯料，坯料从一端开始被加工成长度为105±5mm、直径为Φ25mm的短径段(1)，坯料从另一端开始为保持原始棒材直径、长度为30±2mm的长径段(2)，短径段(1)与长径段(2)之间用锥面(3)过渡；
⑵将电阻炉加热至840℃～880℃时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温30～60min，取出并在液压机上进行弯杆，弯杆位置在锥面(3)处，弯曲角度为40°，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折叠、裂纹缺陷，然后浸涂玻璃润滑剂，室温下晾干或置于电阻炉内烘干；
⑶将电阻炉加热至900℃～960℃时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温30～60min，将模具加热到200℃～350℃并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出坯料，放入模具模腔内锻压，然后将锻压后的预锻件在切边机上用切边模切边，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折叠、裂纹缺陷；
该步骤所述锻压的变形量为坯料至成品之间所需变形量的90～95%；
⑷将电阻炉加热至750℃～780℃时放入预锻件，待电阻炉再次到温后保温30～60min，将模具加热到200℃～350℃并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出预锻件，放入模具模腔内校正得到锻件，出炉空冷，然后打磨飞边，将锻件边缘修整圆滑，吹砂除去表面氧化层，该锻件即是Ti6Al7Nb钛合金人工关节锻件成品；
该步骤所述校正的变形量为坯料至成品之间所需变形量的5～10%。
相对于已有的人工关节制造工艺，本发明具有以下优点：
1.无需在真空条件下操作，设备要求条件低；
2.所生产的人工关节内部金属流线分布与零件形状一致，保证其具有良好的力学性能，同时本工艺可避免铸造产生的裂缝和气孔等缺陷；
3.通过模锻前制坯+弯杆工艺，使人工关节的原材料利用率提高；
4.采用一次模锻成形，锻造载荷低，模具损耗小，生产成本降低；
5.通过模锻后的校正工艺，实现对人工关节尺寸精度和质量的精确控制。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是弯杆工步前坯料的形状示意图
图2是弯杆工步后坯料的形状示意图
图3是锻件成品的形状示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1～3所示，下面以Ti6Al7Nb医用钛合金人工髋关节柄为例对本发明方法进行具体描述。该方法的步骤是：
⑴选取Φ35mm棒材原料，用车床或带锯床下料，下料长度为162±2mm，通过机械加工方式制坯料，坯料从一端开始被加工成长度为105±5mm、直径为Φ25mm的短径段1，坯料从另一端开始为保持原始棒材直径、长度为30±2mm的长径段2，短径段1与长径段2之间用锥面3过渡；
坯料要求表面粗糙度为1.6，检查坯料表面，如有裂纹、凹坑等缺陷，需用打磨的方法将缺陷除去，并应保证坯料表面无油污；
⑵将电阻炉加热至840℃～880℃时放入坯料，坯料用不锈钢托盘盛放，待电阻炉再次到温后保温30～60min，取出并在液压机上进行弯杆，弯杆位置在锥面3处，弯曲角度为40°，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折叠、裂纹缺陷，然后浸涂玻璃润滑剂，室温下晾干或置于电阻炉内烘干；
⑶将电阻炉加热至900℃～960℃时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温30～60min，将模具加热到200℃～350℃并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出坯料，放入模具模腔内锻压，设备采用1600T曲柄压力机，然后将锻压后的预锻件在切边机上用切边模切边，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折叠、裂纹缺陷；
该步骤所述锻压的变形量为坯料至成品之间所需变形量的90～95%；
⑷将电阻炉加热至750℃～780℃时放入预锻件，待电阻炉再次到温后保温30～60min，将模具加热到200℃～350℃并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出预锻件，放入模具模腔内校正得到锻件，出炉空冷，然后打磨飞边，将锻件边缘修整圆滑，吹砂除去表面氧化层，该锻件即是Ti6Al7Nb钛合金人工关节锻件成品；
该步骤所述校正的变形量为坯料至成品之间所需变形量的5～10%。
经检验，通过本发明所生产的Ti6Al7Nb医用钛合金人工髋关节锻件，材料利用率为70%，材料利用率比直接使用Ti6Al7Nb合金棒材进行锻造提高30%；经校正后，Ti6Al7Nb医用钛合金人工髋关节柄锻件柄身与颈部无错位，表面缺陷大大降低，产品合格率达到97%。通过本工艺生产的Ti6Al7Nb医用钛合金人工髋关节柄锻件力学性能与ISO5832-11标准要求力学性能如表1所示。
表1Ti6Al7Nb医用钛合金人工髋关节柄锻件力学性能与ISO5832-11标准要求力学性能
由上可知，本发明可以在降低生产成本的同时，实现对Ti6Al7Nb医用钛合金人工关节尺寸精度和质量的精确控制。
精密锻造Ti6Al7Nb医用钛合金人工关节锻件内部金属流线分布与零件形状一致，力学性能测试表明其强度与塑性均高于标准要求，适用于大批量生产。

Claims (1)

1.一种医用钛合金人工关节精密锻造方法，所述钛合金为Ti6Al7Nb，其特征在于：该方法的步骤是：
⑴选取Φ35mm原料棒材，用车床或带锯床下料，下料长度为162±2mm，通过机械加工方式制坯料，坯料从一端开始被加工成长度为105±5mm、直径为Φ25mm的短径段(1)，坯料从另一端开始为保持原料棒材直径、长度为30±2mm的长径段(2)，短径段(1)与长径段(2)之间用锥面(3)过渡；
⑵将电阻炉加热至840℃～880℃时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温30～60min，取出并在液压机上进行弯杆，弯杆位置在锥面(3)处，弯曲角度为40°，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折叠、裂纹缺陷，然后浸涂玻璃润滑剂，室温下晾干或置于电阻炉内烘干；
⑶将电阻炉加热至900℃～960℃时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温30～60min，将模具加热到200℃～350℃并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出坯料，放入模具模腔内锻压，然后将锻压后的预锻件在切边机上用切边模切边，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折叠、裂纹缺陷；
该步骤所述锻压的变形量为坯料至成品之间所需变形量的90～95％；
⑷将电阻炉加热至750℃～780℃时放入预锻件，待电阻炉再次到温后保温30～60min，将模具加热到200℃～350℃并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出预锻件，放入模具模腔内校正得到锻件，出炉空冷，然后打磨飞边，将锻件边缘修整圆滑，吹砂除去表面氧化层，该锻件即是Ti6Al7Nb钛合金人工关节锻件成品；
该步骤所述校正的变形量为坯料至成品之间所需变形量的5～10％。
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