CN106282671B - Co-Cr-Mo合金、微创手术刀的加工方法和微创手术刀 - Google Patents

Co-Cr-Mo合金、微创手术刀的加工方法和微创手术刀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Co‑Cr‑Mo合金、微创手术刀的加工方法和微创手术刀。该合金由质量百分含量如下的组分组成：Cr 22～26％；Mo 3～6％；C 0.1～0.2％；N 0.05～0.2％；Zr 0～0.06％的；余量为Co和不可避免的杂质；其中，所述Zr不取0值。由本发明实施例提供的Co‑Cr‑Mo合金制成的微创手术刀，刀口硬度达到700～900HV，强度为1200～1300MPa，极大提高了手术刀的弹性和切割性能。

Description

Co-Cr-Mo合金、微创手术刀的加工方法和微创手术刀
技术领域
本发明属于医疗器具钴基合金技术领域，特别涉及一种Co-Cr-Mo合金、微创手术刀的加工方法和微创手术刀。
背景技术
传统微创手术刀一般采用不锈钢、钛合金。然而无论是不锈钢还是钛合金，在手术过程中，容易发生由于硬度、弹性模量等方面性能的不足，发生刀口钝化或者断裂，而且由于刀口钝化，容易引发血管与手术刀缠结等问题。
发明内容
针对目前不锈钢、钛合金微创手术刀在硬度，弹性模量等方面的不足，容易在手术过程中发生断裂，刀口钝化及由于刀口钝化而引起的血管与手术刀缠结等问题，本发明实施例提供一种Co-Cr-Mo合金、微创手术刀的加工方法和微创手术刀。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种Co-Cr-Mo合金，由质量百分含量如下的组分组成：
Cr 22～26％；
Mo 3～6％；
C 0.1～0.2％；
N 0.05～0.2％；
Zr 0～0.06％；
余量为Co和不可避免的杂质，其中，所述Zr的含量不取0。
以及，一种微创手术刀的加工方法，至少包括以下步骤：
按照如上所述的Co-Cr-Mo合金的配方称取各组分；
将称取的所述各组分进行熔炼处理；
将所述熔炼后的合金进行均匀化处理；
将所述均匀化处理得到的合金进行热加工处理；
将所述热加工处理得到的合金进行板材处理；
将所述板材处理得到的刀具进行时效、氮化处理。
相应地，由上述方法制备的微创手术刀。
本发明上述实施例提供的Co-Cr-Mo合金，通过向Co-Cr-Mo中加入了碳元素，使得合金具有生物相容性的同时形成弥散碳化物，提高了合金γ相的稳定性并且细化了晶粒；更重要的是向合金中加入了Zr元素，Zr元素在合金表面的钝化膜中起到至关重要的修复作用，在极大的降低Cr、Mo元素含量的基础上，提高界面处的抗腐蚀性能和生物相容性，改善了材料的热加工性能，最终提高合金的弹性模量、拉伸强度及耐磨性。
本发明实施例提供的微创手术刀的加工方法，采用塑性加工的手段，将熔炼获得的合金进行均匀化处理，使得合金各个组分均匀，碳化物、氮化物弥散分布，使获得的合金性能均一稳定，加工得到的微创手术刀刀口硬度达到700～900HV，强度高达1200～1300MPa，极大提高手术刀的弹性和切割性能。
附图说明
图1a为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.15C合金固溶处理后EBSD的IQ(Imagequality)图。
图1b为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.1C合金固溶处理后经1100℃，相对速度1.0s-1，60％+900℃，60％变形后的EBSD的IQ图；
图1c为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.15C合金固溶处理后经过1100℃，相对速度1.0s-1，60％+900℃，60％变形后的EBSD的IQ图
图1d为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.2C合金固溶处理后经过1100℃，相对速度1.0s-1，60％+900℃，60％变形后的EBSD的IQ图；
图1e为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.2C-0.15N-0.05Zr合金固溶处理后经过1100℃，相对速度1.0s-1，60％+900℃，60％变形后的EBSD的IQ图；
图2a为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.2C-0.15N合金在700℃空气里氧化后的表面形貌图；
图2b为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.2C-0.15N-0.05Zr合金在700℃空气里氧化后的表面形貌图；
图3a为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.2C-0.15N合金在700℃空气里氧化后的断面形貌图；
图3b为本发明实施例Co-24Cr-4Mo-0.2C-0.15N-0.05Zr合金在700℃空气里氧化后的断面形貌图；
图4为为本发明实施例a：Co-29Cr-6Mo，b：Co-24Cr-4Mo，c：Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.1N，d：Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.1N-0.05Zr合金的片状样品(厚度1mm，长50mm，宽10mm)，在5％乳酸溶液中37℃，6个月浸渍后的合金组成元素的析出离子浓度比较图(ICP-EOS分析)。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例和说明书附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种Co-Cr-Mo合金。该Co-Cr-Mo合金，由质量百分含量如下的组分组成：
Cr 22～26％；
Mo 3～6％；
C 0.1～0.2％；
N 0.05～0.2％；
Zr 0～0.06％；
余量为Co和不可避免的杂质，其中，所述Zr的含量不取0。
在任一实施例中，Cr可以提高合金的抗腐蚀性能，生物相容性。当Cr含量低于22％时，Cr的存在对合金的抗腐蚀性能改善不大；添加Zr元素后，由于Zr在合金的表面可以快速形成致密的氧化膜，使Cr含量在26％以内可以保证合金的抗腐蚀性与生物相容性，而当Cr的含量超过26％时，在后续的时效热处理过程中容易出现引起合金脆性的δ相。
Mo可以提高合金晶界腐蚀性能，固溶强化。在添加Zr的情况下，由于Zr在合金的表面可以快速形成致密的氧化膜，相比现有技术，可以使得Mo含量在3～6％的条件下保证合金的抗腐蚀性能与生物相容性。
质量百分含量为0.1～0.2％的C元素，在合金中可以形成碳化物，提高合金强度、硬度，稳定γ相，晶粒细化。
质量百分含量为0.05～0.2％的N元素，在合金中可以提高合金加工性能，晶粒细化。
Zr元素在合金中能够修复合金表面的钝化膜，进一步提高合金在生体内的金属离子析出。Zr元素含量在0.06％以上时，合金内会产生脆性的s相，分布于晶界，使合金韧性下降。因此，Zr含量一般控制在0～0.06％，不取0值。
作为优选地，Zr的质量百分含量为0.03～0.06％。Zr含量在0.03～0.06％时，可以保证Cr和Mo在上述含量下在合金中能发挥相应的作用，并确保合金的抗腐蚀性能和生物相容性。
本发明上述实施例提供的Co-Cr-Mo合金，通过向Co-Cr-Mo中加入了碳元素，使得合金具有生物相容性的同时形成弥散碳化物，提高了合金γ相的稳定性，尤其是Zr元素修复合金表面的钝化膜、弥补了碳化物与合金基体界面处的Cr、Mo元素的不足，提高界面处的抗腐蚀性能和生物相容性，而且还提高合金的弹性模量、拉伸强度及耐磨性。
本发明在上述实施例提供的Co-Cr-Mo合金配方组分的基础上，进一步提供了一种微创手术刀的一种加工方法。
在一实施例中，所述微创手术刀的加工方法至少包括以下步骤，按照如上所述的Co-Cr-Mo合金的配方称取各组分；
按照如上所述的Co-Cr-Mo合金的配方称取各组分；
将称取的所述各组分进行熔炼处理；
将所述熔炼后的合金进行均匀化处理；
将所述均匀化处理得到的合金进行热加工处理；
将所述热加工处理得到的合金进行板材处理；
将所述板材处理得到的刀具进行时效、氮化处理。
上述加工处理方法中，在任何实施例，合金的熔炼温度为1500℃以及1500℃以上。优选1500～1800℃，在该温度范围内，可以实现全部金属组分的熔融。当温度超过1800℃，则会造成能源的浪费。
在一优选实施例中，合金熔炼过程中，应当在氩气(Ar)气氛下进行，以避免熔炼气氛中含有氧而可能导致熔炼后的合金出现麻点或者孔隙。
在优选实施例中，熔炼温度达到1450～1600℃后，保温30～60min，以确保各组分均熔化。保温结束对熔化的合金进行浇注成合金块。然后对合金进行均匀化处理。
优选地，合金进行均匀化处理时，应当在真空或者惰性气氛中，均匀化处理的温度为1250～1350℃，升温速率为10～20℃/min，保温10～24h。随后进行炉冷或快速高压气体快速冷却。其中，高压气体为高压氮气或高压惰性气体中的任一种。
进一步优选地，高压气体的气压为0.2～0.8MPa；高压氮气或高压惰性气体冷却的冷却速率为20～50℃/s，该冷却方式，合金成分无偏析现象。
优选地，对均匀化处理的合金进行热加工处理。热加工处理包括第一段热加工处理和第二段热加工处理。所述第一段热加工处理的温度为1100～1200℃，相对加工速率为1～10/s，加工率为60～70％，随后自然冷却至800～1000℃时进行所述第二段热加工处理，经过第一段热加工处理，使得合金达到组织均匀化，并且防止合金在随后的加工过程中开裂。所述第二段热加工处理指的是，在温度为800～1000℃，相对加工速率为1～10/s，加工率为50～70％。经过第二段热加工处理后，合金的晶粒急剧细化到微米或亚微米级别，实现合金硬度的提升。
在任一实施例中个，板材处理为两段热轧处理。
作为优选地，第一段热轧处理的热轧温度为1100～1200℃，相对加工速率为1～10/s，加工率为60～70％，随后自然冷却至800～1000℃时开始进行第二段的热轧处理；进一步优选地，第二段热轧处理的温度为800～1000℃，相对加工速率为1～10/s，加工率为50～70％。
进一步地，对刀具进行时效处理。时效处理的条件为在真空或保护气氛下于700～900℃保温3～10h。经过时效处理，使得合金基体内析出弥散分布碳化物与氮化物，最终提高合金的硬度、强度。
在一优选实施例中，氮化处理是指将时效处理后的刀具置于氨气气氛中，在400～600℃中保温1～5h。经过氮化处理，提高合金(也就是刀具)表面的硬度和切割性能。
本发明实施例提供的Co-Cr-Mo合金采用上述方法，也即塑性加工的手段制备了微创手术刀，刀口表面硬度达到700～900HV(维氏硬度)，强度为1200～1300MPa，0.2％屈服强度大于900MPa，极大的提高了手术刀的刀口硬度和切割性能。
为了更好的说明本发明实施例提供的Co-Cr-Mo合金及微创手术刀，下面通过多个实施例进一步解释说明。
实施例
为节约篇幅，将各个实施例的配方组分列于表1中。
表1各实施例配方表及不同热加工状态下合金的力学性能
实施例 成分，质量％ 0.2％屈服强度 硬度/HV 拉伸强度/MPa 延伸率/％ 备注
参照例1 Co-22Cr-4Mo 212 140 450 12.8 毛坯铸件
参照例2 Co-22Cr-4Mo 650 286 910 15.3 热加工60％，1100℃
参照例3 Co-29Cr-6Mo 223 151 500 15.3 毛坯铸件
1 Co-22Cr-4Mo-0.15C 920 382 1210 20.5 1100℃，60％+900℃，60％
2 Co-23Cr-4Mo-0.15C 960 385 1225 21.5 热加工60％，1100℃
3 Co-24Cr-4Mo-0.15C 975 386 1232 22.3 热加工60％，1100℃
4 Co-25Cr-4Mo-0.15C 986 391 1240 23.4 热加工60％，1100℃
5 Co-26Cr-4Mo-0.15C 992 400 1290 23.2 热加工60％，1100℃
6 Co-24Cr-4Mo-0.1C 890 368 1180 19.5 热加工60％，1100℃
7 Co-24Cr-4Mo-0.2C 990 394 1280 21.2 热加工60％，1100℃
8 Co-24Cr-3Mo-0.15C 955 381 1220 22.3 热加工60％，1100℃
9 Co-24Cr-5Mo-0.15C 1020 412 1320 22.1 热加工60％，1100℃
10 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.05N 964 392 1260 23.2 热加工60％，1100℃
11 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.1N 985 395 1275 25.2 热加工60％，1100℃
12 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N 990 398 1281 25.5 热加工60％，1100℃
13 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.2N 1005 403 1310 25.2 热加工60％，1100℃
14 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N-0.01Zr 991 394 1282 25.6 热加工60％，1100℃
15 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N-0.05Zr 992 395 1283 25.5 热加工60％，1100℃
16 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N-0.1Zr 994 397 1285 21.0 热加工60％，1100℃
表2合金经表1热加工且加工成手术刀并氮化处理后手术刀表面硬度
实施例 成分，质量％ 表面硬度/HV 氮化条件
3 Co-24Cr-4Mo-0.15C 623 氨气，600℃，0.5小时
3 Co-24Cr-4Mo-0.15C 725 氨气，600℃，1小时
3 Co-24Cr-4Mo-0.15C 678 氨气，700℃，0.5小时
4 Co-24Cr-4Mo-0.15C 823 氨气，700℃，1小时
3 Co-24Cr-4Mo-0.15C 920 氨气，700℃，2小时
3 Co-24Cr-4Mo-0.15C 1010 氨气，700℃，4小时
7 Co-24Cr-4Mo-0.2C 725 氨气，600℃，1小时
12 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N 758 氨气，600℃，1小时
13 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.2N 802 氨气，600℃，1小时
14 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N-0.01Zr 795 氨气，600℃，1小时
15 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N-0.05Zr 812 氨气，600℃，1小时
16 Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.15N-0.1Zr 822 氨气，600℃，1小时
从表1和表2可见，合金随碳含量与氮含量的增加，经热加工后合金的力学性能显著增强，硬度增加。
不同实施例合金在制备成手术刀，经氮化后的刀口硬度可在表1内合金硬度的基础上，更加得到提高，大大改善手术刀的切割性能。
从图1a～图1e可知，随着碳、氮含量的增加，由于限制了晶粒再结晶的长大，有利于形成更加细小的晶粒，从而可以提高合金的强度。
从图2a、2b可知，表面含有微量的Zr元素，有利于表面形成更加致密的氧化膜。
而从3a、3b可知，表面微量的Zr元素有利于合金表面形成更加致密的氧化膜，抑制合金元素在生物体环境中通过氧化膜析出，提高合金的生物相容性。
从图4可知，将a：Co-29Cr-6Mo、b：Co-24Cr-4Mo、c：Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.1N、d：Co-24Cr-4Mo-0.15C-0.1N-0.05Zr四种合金置于37℃的质量百分含量为5％的乳酸溶液中浸泡6个月后用ICP-EOS分析，添加了Zr元素的合金，Co、Cr、Mo离子析出的浓度均有较大幅度降低，也就是说Zr元素修复了合金表面的钝化膜，提高合金的抗腐蚀性能，避免合金形成的刀具在生物体内的金属离子析出，进一步提高了该微创手术刀的安全性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微创手术刀的加工方法，至少包括以下步骤：
称取质量百分含量如下的配方组分：
余量为Co和不可避免的杂质，其中，所述Zr的含量不取0；
将称取的所述各组分进行熔炼处理；
将所述熔炼后的合金进行均匀化处理；
将所述均匀化处理得到的合金进行热加工处理；
将所述热加工处理得到的合金进行板材处理；
将所述板材处理得到的刀具进行时效、氮化处理；所述热加工处理工艺包括第一段热加工处理和第二段热加工处理；所述第一段热加工处理的温度为1100～1200℃，相对加工速率为0.1～10/s，加工率为60～70％，随后自然冷却至800～1000℃时进行所述第二段热加工处理；所述第二段热加工处理的温度为800～1000℃，相对加工速率为0.1～10/s，加工率为50～70％；所述熔炼在氩气气氛中，温度为1450～1600℃，保温时间30～60min；所述均匀化温度为1250～1350℃，升温速率为10～20℃/min，且在真空或惰性气氛中保温时间为10～24h；
所述板材处理为两段热轧处理；其中第一段热轧处理的热轧温度为1100～1200℃，相对加工速率为1～10/s，加工率为60～70％，随后自然冷却至800～1000℃时进行第二段热轧处理；所述第二段热轧处理的温度为800～1000℃，相对加工速率为1～10/s，加工率为50～70％；
所述时效处理为在真空或保护气氛下700～900℃保温3～10h；所述氮化处理为在氨气气氛下，于400～700℃的环境中保温1～5h。
2.如权利要求1所述的微创手术刀的加工方法：其特征在于：所述均匀化处理后还包括炉冷或高压气体快速冷却；所述高压气体快速冷却速率为10～50℃/s，气压为0.2～0.8MPa；所述高压气体为氮气或惰性气体中的任一种。
3.一种如权利要求1～2任一项所述的微创手术刀。
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