CN104862526B - 一种人工股骨头及其热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工股骨头的热处理方法及其得到的产品，其材质为钛合金，包括原料准备及熔炼、精密铸造、退火处理、人工时效、深冷处理、固溶处理、第二次人工时效等步骤得到人工股骨头成品，同时通过调整钛合金组分与上述热处理步骤配合，使得该人工股骨头的强度、弹性模量和耐腐蚀性等性能得到大幅度提高。
Description
技术领域
本发明属于热处理及人造关节、人造骨头领域，特别是涉及一种人工股骨头的热处理方法及由其制备得到的人工股骨头。
背景技术
医学领域中的生物医用材料常规是用于植入人体内的人工器官，目前人造股骨头的需求量大幅度增加，人工股骨头给无数股骨头坏死患者带来了正常走路生活的希望，但是目前人工股骨头的强度和弹性模量不是很高，使得人工股骨头的使用年限得到了一定的限制。目前常规采用钛合金制作人工股骨头，现有一些技术在钛合金中添加Pb等元素，通过促进钛的阳极钝化，从而提高医用钛合金的耐腐蚀性，避免缝隙腐蚀，但是Pb是一种重金属元素，在欧洲、美国和日本是完全禁止使用的，由于其长期在人体内容易使得人体的Pb元素超标，从而使得人体Pb中毒。因此急需要开发出一种高强度、高弹性模量和耐腐性极佳的人工股骨头。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种人工股骨头的热处理方法。
本发明的目的之二在于提出一种人工股骨头。
具体通过如下技术手段实现：
一种人工股骨头的热处理方法，所述人工股骨头的材质为钛合金，包括如下步骤：
（1）原料准备及熔炼：选用海绵钛作为电极，在真空度≤8Pa的等离子真空焊箱中焊接电极，采用真空自耗电弧炉进行两次熔炼为钛铸锭；将该钛铸锭与Ga、Al和V的中间合金共同加入到真空熔炼炉中熔炼成所需成分的钛合金熔体。
（2）精密铸造：将步骤（1）得到的熔体进行保温后采用精密铸造的方法得到人工股骨头半成品。
（3）退火处理：将步骤（2）得到的人工股骨头半成品装入到真空感应热处理炉中加热到520~590℃，保温40~50min，再加热到620~690℃，保温20~30min，再加热到750~780℃，保温55~65min后空冷至室温。
（4）人工时效：将步骤（3）处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至310~360℃，保温4~6小时后水冷到室温。
（5）深冷处理：人工时效后的人工股骨头半成品置入深冷箱，降温到-120~-180℃，深冷处理25~35min后恢复到室温。
（6）固溶处理：将深冷处理后的人工股骨头半成品置入固溶处理炉中，加热至820~860℃，保温0.8~1.2小时后水淬。
（7）第二次人工时效：将固溶处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至320~360℃，保温4~6小时后水冷到室温，即得到人工股骨头成品。
作为优选，所述钛合金的成分按重量百分比含量为：Al：4.5~5.2%，Ga：2.5~6.8%，V：3.8~4.8%，余量为钛及不可避免的杂质。
作为优选，所述Ga、Al和V的中间合金为Ti-Ga、Ti-Al和Ti-V中间合金。
作为优选，步骤（1）中，选用海绵钛作为电极，在真空度1~6Pa的等离子真空焊箱中焊接电极。
作为优选，所述深冷处理中，人工时效后的人工股骨头半成品置入深冷箱，先降温到-69~-88℃后，维持温度10~22min后，继续冷却到-140~-180℃，维持温度26~30min后恢复到室温。
一种人工股骨头，所述人工股骨头采用前述人工股骨头的热处理方法得到，所述人工股骨头的材质为钛合金，所述钛合金的成分按重量百分比含量为：Al：4.5~5.2%，Ga：2.5~6.8%，V：3.8~4.8%，余量为钛及不可避免的杂质，且杂质中Fe≤0.20%，C≤0.05%，N≤0.01%。
作为优选，所述人工股骨头的抗拉强度≥980MPa，锻后伸长率≥20%，断面收缩率≥45%。
作为优选，所述人工股骨头的弹性模量为58~72GPa。
作为优选，所述人工股骨头的抗拉强度：990~1200MPa，锻后伸长率：20~28%，断面收缩率：45~52%，弹性模量为59~71GPa。
本发明的效果在于：
1，通过合理热处理制度处理特定的钛合金，使得人工股骨头的强度、弹性模量等性能都得到的大幅度提高。
2，热处理过程中，通过设置深冷处理，以及在深冷处理之前、退火处理之后设置人工时效处理，使得组织均匀，通过在深冷处理之后设置固溶处理和再一次的人工时效处理，使得微观结构晶粒细化且组织均匀后，对强度进行强化，强化之后又进一步的使得弹性模量得到提高，从而使得人工股骨头的各项性能指标均好于现有人工股骨头。
3，通过对人工股骨头材质钛合金的组分进行合理调整，通过在Ti-Al合金中添加Ga来提高强度，通过Ga和V的配合使用来达到耐腐蚀性，并且通过设置各元素的含量而达到合理与热处理配合而提高各项性能。
具体实施方式
实施例
1
一种人工股骨头的热处理方法，所述人工股骨头的材质为钛合金，所述钛合金的成分按重量百分比含量为：Al：4.9%，Ga：4.1%，V：4.1%，余量为钛及不可避免的杂质。包括如下步骤：
（1）原料准备及熔炼：选用海绵钛作为电极，在真空度为3Pa的等离子真空焊箱中焊接电极，采用真空自耗电弧炉进行两次熔炼为钛铸锭；将该钛铸锭与Ti-Ga、Ti-Al和Ti-V中间合金共同加入到真空熔炼炉中熔炼成所需成分的钛合金熔体。
（2）精密铸造：将步骤（1）得到的熔体进行保温后采用精密铸造的方法得到人工股骨头半成品。
（3）退火处理：将步骤（2）得到的人工股骨头半成品装入到真空感应热处理炉中加热到560℃，保温45min，再加热到660℃，保温26min，再加热到770℃，保温59min后空冷至室温。
（4）人工时效：将步骤（3）处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至331℃，保温5小时后水冷到室温。
（5）深冷处理：人工时效后的人工股骨头半成品置入深冷箱，降温到-160℃，深冷处理29min后恢复到室温。
（6）固溶处理：将深冷处理后的人工股骨头半成品置入固溶处理炉中，加热至850℃，保温1小时后水淬。
（7）第二次人工时效：将固溶处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至350℃，保温5小时后水冷到室温，即得到人工股骨头成品。
实施例
2
一种人工股骨头的热处理方法，所述人工股骨头的材质为钛合金，所述钛合金的成分按重量百分比含量为：Al：5.0%，Ga：2.9%，V：4.0%，余量为钛及不可避免的杂质。
包括如下步骤。
（1）原料准备及熔炼：选用海绵钛作为电极，在真空度0.8Pa的等离子真空焊箱中焊接电极，采用真空自耗电弧炉进行两次熔炼为钛铸锭；将该钛铸锭与Ti-Ga、Ti-Al和Ti-V中间合金共同加入到真空熔炼炉中熔炼成所需成分的钛合金熔体。
（2）精密铸造：将步骤（1）得到的熔体进行保温后采用精密铸造的方法得到人工股骨头半成品。
（3）退火处理：将步骤（2）得到的人工股骨头半成品装入到真空感应热处理炉中加热到569℃，保温43min，再加热到681℃，保温22min，再加热到769℃，保温58min后空冷至室温。
（4）人工时效：将步骤（3）处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至345℃，保温4.8小时后水冷到室温。
（5）深冷处理：人工时效后的人工股骨头半成品置入深冷箱，先降温到-81℃后，维持温度19min后，继续降温到-160℃，深冷处理28min后恢复到室温。
（6）固溶处理：将深冷处理后的人工股骨头半成品置入固溶处理炉中，加热至840℃，保温0.9小时后水淬。
（7）第二次人工时效：将固溶处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至351℃，保温5小时后水冷到室温，即得到人工股骨头成品。
实施例
3
一种人工股骨头，所述人工股骨头采用实施例1人工股骨头的热处理方法得到，所述人工股骨头的材质为钛合金，所述钛合金杂质中Fe≤0.10%，C≤0.008%，N≤0.005%。
所述人工股骨头的抗拉强度992MPa，锻后伸长率22%，断面收缩率46%，弹性模量为68GPa。
实施例
4
一种人工股骨头，所述人工股骨头采用实施例2人工股骨头的热处理方法得到，所述人工股骨头的材质为钛合金，经过测定所述钛合金杂质中Fe：0.08%，C：0.00:6%，N：0.006%。
所述人工股骨头的抗拉强度1012MPa，锻后伸长率21%，断面收缩率48%，弹性模量为72GPa。
Claims (9)
1.一种人工股骨头的热处理方法，所述人工股骨头的材质为钛合金，其特征在于，包括如下步骤：
（1）原料准备及熔炼：选用海绵钛作为电极，在真空度≤8Pa的等离子真空焊箱中焊接电极，采用真空自耗电弧炉进行两次熔炼为钛铸锭；将该钛铸锭与Ga、Al和V的中间合金共同加入到真空熔炼炉中熔炼成所需成分的钛合金熔体；
（2）精密铸造：将步骤（1）得到的熔体进行保温后采用精密铸造的方法得到人工股骨头半成品；
（3）退火处理：将步骤（2）得到的人工股骨头半成品装入到真空感应热处理炉中加热到520~590℃，保温40~50min，再加热到620~690℃，保温20~30min，再加热到750~780℃，保温55~65min后空冷至室温；
（4）人工时效：将步骤（3）处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至310~360℃，保温4~6小时后水冷到室温；
（5）深冷处理：人工时效后的人工股骨头半成品置入深冷箱，降温到-120~-180℃，深冷处理25~35min后恢复到室温；
（6）固溶处理：将深冷处理后的人工股骨头半成品置入固溶处理炉中，加热至820~860℃，保温0.8~1.2小时后水淬；
（7）第二次人工时效：将固溶处理后的人工股骨头半成品置入时效炉中加热至320~360℃，保温4~6小时后水冷到室温，即得到人工股骨头成品。
2.根据权利要求1所述的人工股骨头的热处理方法，其特征在于，所述钛合金的成分按重量百分比含量为：Al：4.5~5.2%，Ga：2.5~6.8%，V：3.8~4.8%，余量为钛及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的人工股骨头的热处理方法，其特征在于，所述Ga、Al和V的中间合金为Ti-Ga、Ti-Al和Ti-V中间合金。
4.根据权利要求1或2所述的人工股骨头的热处理方法，其特征在于，步骤（1）中，选用海绵钛作为电极，在真空度1~6Pa的等离子真空焊箱中焊接电极。
5.根据权利要求3所述的人工股骨头的热处理方法，其特征在于，所述深冷处理中，人工时效后的人工股骨头半成品置入深冷箱，先降温到-69~-88℃后，维持温度10~22min后，继续冷却到-140~-180℃，维持温度26~30min后恢复到室温。
6.一种人工股骨头，其特征在于，所述人工股骨头采用权利要求1~5任一项所述人工股骨头的热处理方法得到，所述人工股骨头的材质为钛合金，所述钛合金的成分按重量百分比含量为：Al：4.5~5.2%，Ga：2.5~6.8%，V：3.8~4.8%，余量为钛及不可避免的杂质，且杂质中Fe≤0.20%，C≤0.05%，N≤0.01%。
7.根据权利要求6所述的人工股骨头，其特征在于，所述人工股骨头的抗拉强度≥980MPa，断后伸长率≥20%，断面收缩率≥45%。
8.根据权利要求6或7所述的人工股骨头，其特征在于，所述人工股骨头的弹性模量为58~72GPa。
9.根据权利要求6或7所述的人工股骨头，其特征在于，所述人工股骨头的抗拉强度：990~1200MPa，断后伸长率：20~28%，断面收缩率：45~52%，弹性模量为59~71GPa。
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