CN103949853A - 一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法 - Google Patents

一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，包括以下步骤：原料准备、规方－加热－平轧－竖轧1－加热－压弯1－竖轧2－加热－压弯2－竖轧3－成品轧制、机械矫直、热处理与热张力矫直、表面处理。本发明一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，制得的钛合金弧形板性能优良、适合大批量生产加工，加工精度高且不开裂，加工效率高，有效改善纯钛弧形板强度不足的缺点，为人体植入物接骨板提供更广泛的材料选择条件。

Description

一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法。
背景技术
人体植入物纯钛弧形板经过几年的应用，得到了市场的认可和好评，但随着更深入研究，发现纯钛弧形板对于一些受力较大的损伤部位已满足不了所需的强度要求，需要更高强度的弧形板来满足。钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点被广泛用于各个领域，因此钛合金弧形板可以有效改善纯钛弧形板强度不足的缺点，为人体植入物接骨板提供更广泛的材料选择。然而现有加工纯钛弧形板的方法不适用于加工钛合金弧形板，目前还没有适合大批量生产加工人体植入物钛合金弧形板的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，制得的钛合金弧形板性能优良且加工精度高，适合大批量生产加工。
本发明所采用的技术方案是：一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，具体包括以下步骤：
步骤1，原料准备
选取TC4、TC20钛合金作为坯料；
步骤2，轧制
将步骤1的坯料依次进行规方－加热－平轧－竖轧1－加热－压弯1－竖轧2－加热－压弯2－竖轧3－成品轧制，得到轧制后的坯料；
步骤3，机械矫直
将步骤2得到的轧制后的坯料进行机械矫直处理，得到机械矫直后的坯料；
步骤4，热处理与热张力矫直
将步骤3得到的机械矫直后的坯料放在箱式炉中，采用大气退火，空气冷却，进行热张力矫直，得到成型坯料；
步骤5，表面处理
将步骤4得到的成型坯料采用碱爆、喷砂后酸洗的方式进行表面处理，即得。
本发明的特点还在于，
步骤1中钛合金符合国标GB/T13810-2007，粗糙度Ra≤3.2μm，表面无肉眼可见的缺陷，凹坑要光滑过渡，直径规格为Φ8mm-Φ20mm。
步骤2中规方采用冷加工方式，道次加工率为3%-8%，加工率控制在10%-30%；加热采用电接触加热，并采用红外线温控系统，加热温度为800℃-900℃；平轧道次加工率为10%-30%；竖轧1加工率为5%-30%；压弯1道次加工率为10%-20%；竖轧2道次加工率为3%-20%；压弯2道次加工率为10%-20%；竖轧3道次加工率为3%-20%；成品轧制道次加工率为2%-8%。
步骤3中机械矫直处理采用至少5辊矫直，辊径50mm-150mm，矫直辊硬度35-60HRC，弯曲度≤10mm/m。
步骤4中大气退火的温度为700℃-850℃，时间为0.5-3h。
步骤4中热张力矫直采用电接触液压矫直机矫直，压强为1.0MPa-4.0MPa，矫直温度为600℃-700℃，矫直长度为2.0m-4.0m。
步骤5中碱爆温度为450℃-600℃。
步骤5中喷砂为干喷或水喷，沙砾粒径为350μm-550μm，喷头与物料的距离为100mm-200mm。
步骤5中酸洗采用的酸液由HF、HNO3和H2O组成，体积比为HF:HNO3:H2O=1:3:5。
本发明的有益效果是：本发明一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，制得的钛合金弧形板性能优良、适合大批量生产加工，加工精度高且不开裂，加工效率高，有效改善纯钛弧形板强度不足的缺点，为人体植入物接骨板提供更广泛的材料选择条件。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的TC4弧形板的金相照片；
图2是本发明实施例2制得的TC20弧形板的金相照片；
图3是本发明实施例3制得的TC4弧形板的金相照片；
图4是本发明实施例4制得的TC20弧形板的金相照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，具体包括以下步骤：
步骤1，原料准备
选取直径规格为Φ8mm-Φ20mm的TC4、TC20钛合金作为坯料，符合国标GB/T13810-2007，粗糙度Ra≤3.2μm，表面无肉眼可见的裂纹、磨削纹、折叠等缺陷，凹坑要光滑过渡；直径根据产品的规格和加工率40%-70%确定；
步骤2，轧制
将步骤1得到的坯料依次进行规方－加热－平轧－竖轧1－加热－压弯1－竖轧2－加热－压弯2－竖轧3－成品轧制，得到轧制后的坯料；
其中，规方采用冷加工方式，道次加工率为3%-8%，加工率控制在10%-30%；加热采用电接触加热，并采用红外线温控系统，加热温度为800℃-900℃；平轧道次加工率为10%-30%；竖轧1加工率为5%-30%；压弯1道次加工率为10%-20%；竖轧2道次加工率为3%-20%；压弯2道次加工率为10%-20%；竖轧3道次加工率为3%-20%；成品轧制道次加工率为2%-8%；
步骤3，机械矫直
将步骤2得到的轧制后的坯料进行机械矫直处理，采用至少5辊矫直，辊径50mm-150mm，矫直辊硬度35-60HRC，弯曲度≤10mm/m，矫直辊的辊径、硬度选择主要是根据产品的规格选择，只要达到矫直不损伤料表面即可，得到机械矫直后的坯料；
步骤4，热处理与热张力矫直
将步骤3得到的机械矫直后的坯料放在箱式炉中，采用大气退火，退火温度为700℃-850℃、时间为0.5-3h，空气冷却，采用电接触液压矫直机进行热张力矫直，液压压强为1.0MPa-4.0MPa，矫直温度为600℃-700℃，矫直长度为2.0m-4.0m，得到成型坯料；
步骤5，表面处理
将步骤4得到的成型坯料采用碱爆、喷砂后酸洗的方式进行表面处理，即得，其中，碱爆温度为450℃-600℃；喷砂为干喷或水喷，沙砾粒径为350μm-550μm，喷头与物料的距离为100mm-200mm；酸洗采用的酸液由HF、HNO3和H2O组成，体积比为HF:HNO3:H2O=1:3:5。
本发明一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，制得的钛合金弧形板精度高、效率快，适合大批量生产加工，加工精度高且不开裂，而且性能稳定、组织均匀且表面无α污染层，有效改善纯钛弧形板强度不足的缺点，为人体植入物接骨板提供更广泛的材料选择条件。
实施例1
制备的TC4钛合金弧形板；
步骤1，原料准备
按照GB/T13810-2007标准选取Ф12mm的TC4钛合金棒材，抗拉强度≥860MPa，延伸率≥10%，粗糙度3.2μm，坯料表面无肉眼可见的裂纹、磨削纹、折叠等缺陷，凹坑要光滑过渡，得到TC4钛合金坯料；
步骤2，轧制
将步骤1得到的TC4钛合金坯料先采用冷规方工艺轧制至Ф10mm，道次加工率3%；再采用电接触加热，并采用红外线温控系统，加热温度为850℃，到温断电；采用两辊轧机迅速平轧至厚5.0mm-5.5mm×宽15mm-16mm，平轧道次加工率为10%；竖轧1至宽13.6mm-13.9mm×厚5.5mm-5.8mm，竖轧1加工率为15%；接着进行2火次轧制，采用电接触加热至850℃，到温断电；迅速压弯1轧制至厚4.7mm-4.8mm×宽14.1mm-14.5mm，道次加工率为10%；接着进行竖轧2轧制至13.7mm-13.8mm×厚4.7mm-4.8mm，道次加工率为10%，火次加工率20%；然后进行3火次轧制，电接触加热至850℃，到温断电；迅速压弯2轧制至4.2mm-4.4mm×宽13.7mm-14mm，道次加工率为10%；接着进行竖轧3至13.7mm-13.8mm×厚4.2mm-4.4mm，道次加工率为8%；最后进行成品轧制至宽13.5mm×厚4.2mm，道次加工率为4%，火次加工率20%，得到轧制后的坯料；
步骤3，机械矫直
将步骤2得到的轧制后的坯料进行机械矫直处理，采用5辊矫直，辊径100mm，矫直辊硬度35HRC，弯曲度≤10mm/m，得到机械矫直后的坯料；
步骤4，热处理与热张力矫直
将步骤3机械矫直后的坯料放在箱式炉中，采用大气退火，退火温度730℃、时间为1.5h，空气冷却，采用电接触液压矫直机进行热张力矫直，液压压强为2.5MPa，矫直温度为650℃，矫直长度为2.0m，得到成型坯料；
步骤5，表面处理
将步骤4得到的成型坯料采用碱爆、喷砂后酸洗的方式进行表面处理，即得，其中，碱爆温度为500℃；喷砂为干喷，沙砾粒径为450μm，喷头与物料的距离为100mm；酸洗采用的酸液由HF、HNO3和H2O组成，体积比为HF:HNO3:H2O=1:3:5。
实施例2
制备的TC20钛合金弧形板；
步骤1，原料准备
按照GB/T13810-2007标准选取Ф12mm的TC20钛合金棒材，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥10%，粗糙度3.2μm，坯料表面无肉眼可见的裂纹、磨削纹、折叠等缺陷，凹坑要光滑过渡，得到TC20钛合金坯料；
步骤2，轧制
将步骤1得到的TC20钛合金坯料先采用冷规方工艺轧制至Ф10mm，道次加工率5%；再采用电接触加热，并采用红外线温控系统，加热温度为800℃，到温断电；采用两辊轧机迅速平轧至厚5.0mm-5.5mm×宽15mm-16mm，平轧道次加工率为18%；竖轧1至宽13.6mm-13.9mm×厚5.5mm-5.8mm，竖轧1加工率为5%；接着进行2火次轧制，电接触加热至800℃，到温断电；迅速压弯1轧制至厚4.7mm-4.8mm×宽14.1mm-14.5mm，道次加工率为14%；接着进行竖轧2轧制至13.7mm-13.8mm×厚4.7mm-4.8mm，道次加工率为3%，火次加工率22%；然后进行3火次轧制，电接触加热至800℃，到温断电；迅速压弯2轧制至4.2mm-4.4mm×宽13.7mm-14mm，道次加工率为15%；接着进行竖轧3至13.7mm-13.8mm×厚4.2mm-4.4mm，道次加工率为3%；最后进行成品轧制至宽13.5mm×厚4.2mm，道次加工率为2%，火次加工率22%，得到轧制后的坯料；
步骤3，机械矫直
将步骤2得到的轧制后的坯料进行机械矫直处理，采用6辊矫直，辊径150mm，矫直辊硬度45HRC，弯曲度≤10mm/m，得到机械矫直后的坯料；
步骤4，热处理与热张力矫直
将步骤3机械矫直后的坯料放在箱式炉中，采用大气退火，退火温度700℃、时间为3h，空气冷却，采用电接触液压矫直机进行热张力矫直，液压压强为3MPa，矫直温度为700℃，矫直长度为3.0m，得到成型坯料；
步骤5，表面处理
将步骤4得到的成型坯料采用碱爆、喷砂后酸洗的方式进行表面处理，即得，其中，碱爆温度为450℃；喷砂为干喷，沙砾粒径为350μm，喷头与物料的距离为150mm；酸洗采用的酸液由HF、HNO3和H2O组成，体积比为HF:HNO3:H2O=1:3:5。
实施例3
制备的TC4钛合金弧形板；
步骤1，原料准备
按照GB/T13810-2007标准选取Ф15mm的TC4钛合金棒材，抗拉强度≥860MPa，延伸率≥10%，粗糙度3.2μm，坯料表面无肉眼可见的裂纹、磨削纹、折叠等缺陷，凹坑要光滑过渡，得到TC4钛合金坯料；
步骤2，轧制
将步骤1得到的TC4钛合金坯料先采用冷规方工艺轧制至Ф14mm，道次加工率8%；再采用电接触加热，并采用红外线温控系统，加热温度为900℃，到温断电；采用两辊轧机迅速平轧至厚7.0mm-7.5mm×宽20mm-21mm，平轧道次加工率为30%；竖轧1至宽18.0mm-18.2mm×厚7.5mm-8.0mm，竖轧1加工率为30%；接着进行2火次轧制，电接触加热至900℃，到温断电；迅速压弯1轧制至厚6.4mm-6.6mm×宽18.6mm-18.9mm，道次加工率为20%；接着进行竖轧2轧制至17.9mm-18.1mm×厚6.4mm-6.6mm，道次加工率为20%，火次加工率24%；接着进行3火次轧制，电接触加热至900℃，到温断电；迅速压弯2轧制至5.9mm-6.1mm×宽18.1mm-18.3mm，道次加工率为20%；接着进行竖轧3至17.3mm-17.6mm×厚5.9mm-6.0mm，道次加工率为20%；最后进行成品轧制至宽17.7mm×厚5.7mm，道次加工率为8%，火次加工率24%，得到轧制后的坯料；
步骤3，机械矫直
将步骤2得到的轧制后的坯料进行机械矫直处理，采用5辊矫直，辊径50mm，矫直辊硬度55HRC，弯曲度≤10mm/m，得到机械矫直后的坯料；
步骤4，热处理与热张力矫直
将步骤3机械矫直后的坯料放在箱式炉中，采用大气退火，退火温度800℃、时间为1h，空气冷却，采用电接触液压矫直机进行热张力矫直，液压压强为1.0MPa，矫直温度为600℃，矫直长度为4.0m，得到成型坯料；
步骤5，表面处理
将步骤4得到的成型坯料采用碱爆、喷砂后酸洗的方式进行表面处理，即得，其中，碱爆温度为550℃；喷砂为水喷，沙砾粒径为500μm，喷头与物料的距离为200mm；酸洗采用的酸液由HF、HNO3和H2O组成，体积比为HF:HNO3:H2O=1:3:5。
实施例4
制备的TC20钛合金弧形板；
步骤1，原料准备
按照GB/T13810-2007标准选取Ф15mm的TC20钛合金棒材，抗拉强度≥860MPa，延伸率≥10%，粗糙度3.2μm，坯料表面无肉眼可见的裂纹、磨削纹、折叠等缺陷，凹坑要光滑过渡，得到TC20钛合金坯料；
步骤2，轧制
将步骤1得到的TC20钛合金坯料先采用冷规方工艺轧制至Ф14mm，道次加工率6%；再采用电接触加热，并采用红外线温控系统，加热温度为880℃，到温断电；采用两辊轧机迅速平轧至厚7.0mm-7.5mm×宽20mm-21mm，平轧道次加工率为25%；竖轧1至宽18.0mm-18.2mm×厚7.5mm-8.0mm，竖轧1加工率为25%；接着进行2火次轧制，电接触加热至880℃，到温断电；迅速压弯1轧制至厚6.4mm-6.6mm×宽18.6mm-18.9mm，道次加工率为18%；接着进行竖轧2轧制至17.9mm-18.1mm×厚6.4mm-6.6mm，道次加工率为17%，火次加工率25%；然后进行3火次轧制，电接触加热至880℃，到温断电；迅速压弯2轧制至5.9mm-6.1mm×宽18.1mm-18.3mm，道次加工率为18%；接着进行竖轧3至17.3mm-17.6mm×厚5.9mm-6.0mm，道次加工率为18%；最后进行成品轧制至宽17.7mm×厚5.7mm，道次加工率为6%，火次加工率25%，得到轧制后的坯料；
步骤3，机械矫直
将步骤2得到的轧制后的坯料进行机械矫直处理，采用6辊矫直，辊径120mm，矫直辊硬度60HRC，弯曲度≤10mm/m，得到机械矫直后的坯料；
步骤4，热处理与热张力矫直
将步骤3机械矫直后的坯料放在箱式炉中，采用大气退火，退火温度850℃、时间为0.5h，空气冷却，采用电接触液压矫直机进行热张力矫直，液压压强为4.0MPa，矫直温度为680℃，矫直长度为2.0m，得到成型坯料；
步骤5，表面处理
将步骤4得到的成型坯料采用碱爆、喷砂后酸洗的方式进行表面处理，即得，其中，碱爆温度为600℃；喷砂为水喷，沙砾粒径为550μm，喷头与物料的距离为180mm；酸洗采用的酸液由HF、HNO3和H2O组成，体积比为HF:HNO3:H2O=1:3:5。
表1采用本发明的方法制得的产品实测力学性能表
在表1中，Rm表示抗拉强度、Rp0.2表示屈服强度、A表示延伸率，可以看出，本发明实施例1-4制得的人体植入物钛合金弧形板性能符合GB/T13810-2007标准要求，且强度比纯钛弧形板强度高出200MPa以上，大幅度提高了钛弧形板的强度；图1-图4是分别采用实施例1-4制备的钛合金弧形板的金相照片图，通过照片可以看出退火态横向显微组织为α+β两相组织，组织类型符合ETTC2《钛及钛合金的显微组织》标准要求中的A1～A3。

Claims (9)

1.一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，原料准备
选取TC4、TC20钛合金作为坯料；
步骤2，轧制
将所述步骤1的坯料依次进行规方－加热－平轧－竖轧1－加热－压弯1－竖轧2－加热－压弯2－竖轧3－成品轧制，得到轧制后的坯料；
步骤3，机械矫直
将所述步骤2得到的轧制后的坯料进行机械矫直处理，得到机械矫直后的坯料；
步骤4，热处理与热张力矫直
将所述步骤3得到的机械矫直后的坯料放在箱式炉中，采用大气退火，空气冷却，进行热张力矫直，得到成型坯料；
步骤5，表面处理
将所述步骤4得到的成型坯料采用碱爆、喷砂后酸洗的方式进行表面处理，即得。
2.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤1中钛合金符合国标GB/T13810-2007，粗糙度Ra≤3.2μm，表面无肉眼可见的缺陷，凹坑要光滑过渡，直径规格为Φ8mm-Φ20mm。
3.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤2中规方采用冷加工方式，道次加工率为3%-8%，加工率控制在10%-30%；加热采用电接触加热，并采用红外线温控系统，加热温度为800℃-900℃；平轧道次加工率为10%-30%；竖轧1加工率为5%-30%；压弯1道次加工率为10%-20%；竖轧2道次加工率为3%-20%；压弯2道次加工率为10%-20%；竖轧3道次加工率为3%-20%；成品轧制道次加工率为2%-8%。
4.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤3中机械矫直处理采用至少5辊矫直，辊径50mm-150mm，矫直辊硬度35-60HRC，弯曲度≤10mm/m。
5.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤4中大气退火的温度为700℃-850℃，时间为0.5-3h。
6.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤4中热张力矫直采用电接触液压矫直机矫直，压强为1.0MPa-4.0MPa，矫直温度为600℃-700℃，矫直长度为2.0m-4.0m。
7.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤5中碱爆温度为450℃-600℃。
8.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤5中喷砂为干喷或水喷，沙砾粒径为350μm-550μm，喷头与物料的距离为100mm-200mm。
9.如权利要求1所述的一种人体植入物钛合金弧形板的加工方法，其特征在于，所述步骤5中酸洗采用的酸液由HF、HNO3和H2O组成，体积比为HF:HNO3:H2O=1:3:5。
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