CN105984019A - 陶瓷摩擦副的压制成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷摩擦副的压制成型方法，包括：采用专用成型模具一次压制成型制成陶瓷摩擦副坯体，所述陶瓷摩擦副包括陶瓷球头和/或陶瓷髋臼。进一步的可以包括：至少取陶瓷粉料分别加入成型模具中，并一次压制成型，而后包套经冷等静压处理后，制得陶瓷摩擦副素坯。本发明通过采用将原料粉体以模具一次压制成型后，后续加工处理量小，原料粉体利用率高，同时还可避免常规方法中的精密机床加工过程中对素坯造成损伤，成品率高，成本低，适于规模化生产需求。

Description

陶瓷摩擦副的压制成型方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷摩擦副的制备方法，特别涉及一种通过一次压制成型制备陶瓷摩擦副的方法，属于材料科学领域。

背景技术

作为目前常见的生物相容材料之一，氧化铝陶瓷(α-Al₂O₃)因具有机械强度高，硬度高、耐磨性好，物理化学性能稳定，抗腐蚀能力强，能在体液环境中长期稳定存在，生物惰性和生物相容性优良等特性，而在临床上被广泛用作硬组织替换物，尤其是人工关节股骨头材料。

目前所用的陶瓷成型方法主要包括注浆成型、可塑成型、压制成型等几类，其中压制成型工艺尤为常用，其包括干压成型或冷等静压成型，但这些方法都不能用以制备复杂形状制品，尺寸精度不高，而且需要后续加工。

例如，对于应用为球头/髋臼杯的陶瓷摩擦副来说，目前主流的成型工艺一般包含如下过程：首先采用冷等静压成圆柱状素坯，再通过精密数控机床加工的方式得到摩擦副毛坯，而后经排胶热压等工序得到产品。此种工艺存在诸多缺点，例如：(1)原料粉体利用率低，加工设备要求精密，成本高；(2)由于陶瓷的脆性，在加工过程中工件内部可能会出现隐性裂纹，且只能到最终产品的检测环节才能发现，导致成品率低，并会造成不可挽回的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有工艺简单，易于操作，成本低等特点，且利于规模化生产的陶瓷摩擦副的压制成型方法，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种陶瓷摩擦副的压制成型方法，包括：采用专用成型模具一次压制形成陶瓷摩擦副，所述陶瓷摩擦副包括陶瓷球头和/或陶瓷髋臼。

在一较为优选的实施方案中，该压制成型方法可以进一步包括：至少取陶瓷粉料分别加入成型模具中，并一次压制形成初级坯体。

更进一步的，该压制成型方法还包括：将所述初级坯体再经包套冷等静压处理。

在一实施例中，所述陶瓷摩擦副包括球头，其中球头的坯体可按需要进行关键尺寸的机械加工处理，制成陶瓷素坯。

在一实施案例中，所述成型模具包括使带锥孔异形球体一次成型的球头模具和/或使带半球异形梯度杯体一次压制成型的髋臼模具。

与现有技术相比，本发明通过采用将原料粉体以成型模具一次压制成型，再经冷等静压处理得到摩擦副的陶瓷坯体，后续加工处理量小，原料粉体利用率高，同时还可避免常规方法中的精密机床加工过程中对素坯造成的隐性损伤，成品率高，成本低，适于规模化生产需求。

具体实施方式

现有陶瓷摩擦副制备工艺流程中，其包括依次进行的配料-球磨-造粒-冷等静压-机械加工-排胶-烧结-高温等静压等工序。更为具体的，该种工艺是先采用冷等静压工艺将陶瓷原料制成圆柱状素坯，再通过精密数控机床加工的方式得到摩擦副毛坯，而后经排胶热压等工序，得到产品。但在工艺中，首先，需要对素坯进行大量的切削处理，才能形成诸如球头、髋臼的初坯，不仅会导致大量原料的浪费，而且轻微的震动也往往会引起初坯内部结构受损，如出现隐性的裂纹等，而这些一般难以观察到，直至最终的产品检测方能检出，影响成品率，从而影响了产品的成本。其次，初坯在经烧结后，还往往需要较大幅度的后期加工，才能形成产品，但烧结后的陶瓷材料通常具有较高强度、硬度，若进行大幅度的切削等加工，一则需要借助复杂且高精度的设备，成本高，操作不便，工时长，二则还可能在加工过程对产品的外形和内部结构造成二次损伤。

鉴于现有技术的以上缺陷，本案发明人经大量研究和实践，提出了本发明的技术方案，如下具体解释说明。

概括的讲，本发明所提供的技术方案主要包括：采用特制成型模具一次压制形成陶瓷摩擦副。

在一较为优选的实施方案中，该压制成型方法可以进一步包括：至少取陶瓷粉料分别加入成型模具中，并一次压制形成初级坯体。

更进一步的，该压制成型方法还包括：将所述初级坯体包套经冷等静压处理后再进行机械加工处理，制得陶瓷素坯。

在一实施案例中，所述成型模具包括使带半球异形梯度杯体一次压制成型的髋臼模具和/或用以使带锥孔异形球体一次成型的球头模具。

进一步的，所述压制成型方法可以包括：将球头的初级坯体包套经冷等静压处理后再进行关键尺寸的机械加工，制得球头的陶瓷素坯。

更进一步的，所述压制成型方法包括：一次冷等静压成型，压制成具有大孔的异形球头初级坯体，再对球头的初级坯体进行关键尺寸的加工，得到摩擦副的陶瓷素坯。

优选的，在该压制成型方法中，一次压制形成初级坯体时的成型压力为2～20MPa。

优选的，在该压制成型方法中，冷等静压的操作压力为100～240MPa。

进一步的，所述一次成型模具至少选自钢制模具、其他金属模具、成型橡胶或橡胶与金属模具组合体中的任一种，但不限于此。

应当理解，前述的成型模具其结构和尺寸是本领域技术人员依据陶瓷摩擦副的原料粉体而调整特制而成。进一步的，前述成型模具的加工余量(或称精度余量)控制在2-3μm。

进一步的，所述陶瓷粉料包括但不限于高纯氧化铝陶瓷粉体或氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉体或氧化锆陶瓷粉体。

而在某些具体实施案例中，该陶瓷摩擦副的制备过程可以包括配料-球磨-造粒-一次模压成型-冷等静压-初加工-排胶-烧结-精加工等工序。其原理主要在于：利用模具将一次压制成型，而后冷等静压处理形成具备合适加工强度的、且与目标产品具有基本一致的形貌的陶瓷素坯，再以机械加工等方式对该陶瓷素坯进行修饰加工处理，然后经排胶、烧结、热等静压处理等后续加工，即可获得目标产品

本发明中，精确控制了摩擦副陶瓷坯体的尺寸，可减少后期加工的工作量及加工难度，提高效率，有利于规模化制备。

进一步的，在一较为典型的实施方案中，该方法还可包括：取陶瓷粉料与作为可选成分的有机粘结剂和/或无机添加剂和/或分散剂依次经球磨混合、喷雾造粒制成原料粉体，而后取所述原料粉体加入特制成型模具，并一次压制形成初级坯体。

在本发明中，前述的有机粘结剂、无机添加剂、分散剂等均可采用业界所知的材料，例如，粘结剂可选用聚乙烯醇、乙基纤维素、乙烯环氧乙烷、乙酸丁酸纤维素等，，分散剂可选用水、乙醇或其它有机、无机材料。

而前述的排胶、预烧结等工序亦可通过业界悉知的方式和工艺条件操作。

在本发明中，一次成型制备陶瓷摩擦副所用陶瓷粉料的材质可以选自但不限于高纯氧化铝陶瓷粉体、氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉体或氧化锆陶瓷粉体等等。

同时一次压制成型方法还可以应用到其他陶瓷异型工件的制备，所用陶瓷材料包括业界所知的任何具有合适机械性能的陶瓷材料。

在本发明中，模具至少应满足如下要求：便于粉料填充和移动，脱模方便，结构简单，装卸方便，便于机械操作。

相应的，为实现一次压制成型，可以借助业界所知的各类施压设备，例如，机械压机、油压机、水压机等，且不限于此。

在本发明中，前述初级坯体系压制成型，又可称为模压成型或者干压成型。具体而言，其中粉料含水量在8％～15％(wt％，下同)时为半干压成型；粉料含水量为3％～7％时为干压成型；而依据一些实际应用的需求，还可将坯料水分控制在3％以下。

进一步的，本发明中还对初级坯体进行了冷等静压处理，以及对经初加工、排胶、预烧结后的坯体进行了热等静压处理，如此可使装在封闭模具中的粉体在各个方向同时均匀受压成型，其主要是利用了液体或气体能够均匀地向各个方向传递压力的特性来实现的。

与传统的干压成型等方式相比，通过静压成型，可产生如下优点：

(1)与施压强度大致相同的其它压制成型相比，等静压成型可以得到较高的生坯密度，且密度在各个方向上都比较均匀。

(2)生坯内部的应力小(压强的方向性差别小于其它成型方法，颗粒间、颗粒与模型间的摩擦力减小)。

(3)成型的生坯强度高，内部结构均匀，不会像挤压成型那样使颗粒产生有规则的定向排列。

(4)可以采用较干的坯料成型，也不必或很少使用粘合剂或润滑剂，有利于减少干燥和烧成收缩。

(5)对制品的尺寸和尺寸之间的比例没有很大的限制。

在本发明中，经过前述的冷、热等静压处理，可使所获产品在最终烧结成型后，具有强度大，密度均匀，可加工性良好等特性。

较为优选的，本发明中热等静压可在高纯惰性气氛中进行，且操作压力为150MPa-200MPa。其中，高纯惰性气氛可以由纯度在99％以上的氩气、氦气、氙气或其组合形成。

作为较为优选的实施方案，本发明的从配料到模压成型及粗加工等工艺流程均可在净化房内完成，以避免外部环境对陶瓷摩擦副材质的影响。

以下较佳实施例对本发明的技术方案做更为具体的说明。

本实施例系涉及一种由球头和髋臼组成的陶瓷摩擦副的制备工艺，该陶瓷摩擦副主要应用为人工髋关节。

本案发明人经长期研究和大量实践发现，该球头在加工时的加工精度需满足如下要求：球度的形位公差≤0.005mm，球面粗糙度Ra≤0.02μm，而臼杯的加工精度要求与球头的球面相应，如此才可使之与球头完美地切合又能让体液进入到二者界面，产生润滑层，使氧化铝陶瓷晶体独有的性能发挥作用。进一步的，本案发明人还发现，球头上的异形孔与球体的同心度亦对最终产品性能有至关重要的影响，特别是其中球头的内锥形位公差需满足如下要求：直线度≤0.003mm，如此球头锥孔才能通过锥柄与金属关节柄的颈部良好联结，从而在人体运动过程中，避免因在球头中产生的局部应力集中而导致的球头破损。

针对陶瓷摩擦副(球头和髋臼)对加工的苛刻要求，若采用前述的现有工艺，一方面会产生前文所述的诸多缺陷，例如，原料利用率低，成本高，成品率低等，同时因此陶瓷材料的硬度、强度很大，其加工过程需借助特殊的高精度加工设备及耗费长时间、大量的工作量，根本无法满足前述精度需求和规模生产需要。

而在本实施例中，本案发明人提出了如下的制备工艺，其包括如下工序：

将陶瓷摩擦副成型坯体所用原料粉体加入无机添加剂及有机粘结剂、分散剂经球磨混合后喷雾造粒制成，该粉体具有良好的流动性和均匀性，是保证产品性能一致性的关键步骤；经独特设计成型组合钢模(简称“成型模具”，其加工余量控制在2-3μm)初压一次成型(压力2～20MPa)后包套冷等静压压制(压力150～200MPa)；坯体具备了初始加工强度，在精密小车床上采用定制刀具对球头坯体进行关键尺寸的加工；加工完成后的坯体经低温工艺排胶，去除坯体有机粘结剂，低温预烧完成高温热等静压烧结前材料的热处理；高温热等静压在压力150MPa-200MPa高纯氩气气氛下，促使坯体材料排除体内残余气孔，坯体达到材料的理论密度。从配料到模压成型及粗加工整个工艺流程均在净化房里完成，避免外部环境对陶瓷摩擦副材质的影响。

利用本实施例的前述方案，可以实现陶瓷摩擦副的快速、高效率、低成本制备，另外，其还具有原料利用率高、精密加工工作量小、成品率高等优点。特别是，其原料利用率比现有技术中的圆柱坯方法提高50～60％，精密加工磨削量一般可控制在0.1～1mm厚度；加工速度可以大大提高，10分钟左右完成，远远短于现有技术中长达数小时的加工时间，同时可以达到加工精度要求，特别是对于球头而言，能更有效的提供其加工效率和加工精度。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1. 一种陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于包括：采用专用成型特制模具一次压制成型制成陶瓷摩擦副，所述陶瓷摩擦副包括陶瓷球头和/或陶瓷髋臼。

2. 根据权利要求1所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于包括：至少取陶瓷粉料加入成型模具中并一次压制成型，再将形成的初级坯体包套冷等静压处理。

3. 根据权利要求2所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于包括：对经冷等静压处理后的初级坯体进行关键尺寸的机械加工处理，获得陶瓷素坯。

4. 根据权利要求3所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于包括：对球头的初级坯体按需要进行关键尺寸的机械加工处理，制成陶瓷素坯。

5. 根据权利要求1-4中任一项所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于所述成型模具包括以使带锥孔异形球体一次成型的球头模具和/或使带半球异形梯度杯体一次压制成型的髋臼模具。

6. 根据权利要求1-5中任一项所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于包括：在一次压制成型时的操作压力为2~20 MPa。

7. 根据权利要求2-5中任一项所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于所述冷等静压的操作压力为100~240MPa。

8. 根据权利要求1-5中任一项所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于所述成型模具至少选自金属、成型橡胶、或橡胶与金属模具组合体中的任一种。

9. 根据权利要求2-5中任一项所述的陶瓷摩擦副的压制成型方法，其特征在于所述陶瓷粉料包括高纯氧化铝陶瓷粉体或氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉体或氧化锆陶瓷粉体。