CN106282672B - 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 27～31％；Mo 4～7％；C 0.2～0.3％；N 0.1～0.22％；Zr 0～0.07％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合金通过注射成型制成的微创手术刀，刀口硬度达到500～850HV，弹性模量为210～220GPa，极大提高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：
余量为Co和不可避免的杂质，其中，所述Zr的含量不取0值。
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、雾化制粉处理；
将雾化制粉得到的粉末注射成型处理，获得刀坯；
将所述刀坯进行烧结、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，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，最终提高了合金的弹性模量、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，采用折射成型的方式，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500～850HV，弹性模量为210～220GPa，极大提高手术刀的弹性和切割性能。
附图说明
图1为本发明实施例Co-30Cr-6Mo、Co-30Cr-6Mo-0.25C、Co-30Cr-6Mo-0.25C-0.15N、Co-30Cr-6Mo-0.25C-0.15N-0.04Zr合金的片状样品(厚度1mm、长50mm、宽10mm)在5％乳酸溶液中37℃、6个月浸泡后的合金组成元素的析出离子浓度比较图。
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。该用Co-Cr-Mo合金，由质量百分含量如下的组分组成：
余量为Co和不可避免的杂质，其中，所述Zr的含量不取0值。
在任一实施例中，Cr能提高合金的抗腐蚀性能、生物相容性。当Cr的质量百分含量低于27％时，由于大量碳化物的生成降低了基体内Cr含量，对合金的抗腐蚀性能改善不大，高于27％时，可在大量碳化物形成的同时保证基体内的Cr含量；在Cr含量高于31％时，Cr含量过高，容易形成脆性的δ相，降低材料力学性能。在添加Zr(0～0.07％)的情况下，由于Zr可以快速在合金的表面形成致密的氧化膜，使Cr含量在27～31％范围内可以保证合金的抗腐蚀性与生物相容性。
Mo提高合金晶界腐蚀性能，固溶强化，一部分Mo可固溶于碳化物中起稳定碳化物的作用。当Mo含量高于7％时，容易形成脆性的δ相，降低材料力学性能；低于4％时，合金晶界抗腐蚀性能下降。
C用以形成碳化物，碳化物可提高合金强度，硬度，稳定γ相。碳含量低于0.2％时，碳化物形成量太少，合金硬度不足；碳含量高于0.3％时，碳化物含量太高，会大消耗大量的Cr，降低合金基体中Cr的含量，导致合金抗腐蚀性与生物相容性降低，同时，合金粉末的烧结性能会降低，难以致密化。此外，碳化物的形成可防止晶粒在高温烧结过程中的长大，提高合金硬度与强度。
合金中N元素的一部分可固溶于合金基体内起稳定γ相，提高合金塑性与加工性能的作用。另一部分N可与合金内多余的Cr形成氮化物，强化合金，预防合金粉末在烧结过程中的晶粒长大，起晶粒细化作用。氮元素在含量低于0.2％，合金强度改善不明显；当含量高于0.3％时，氮化物形成量大，容易生成粗大晶粒，致使合金延伸率下降。
Zr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0.07％以上时，会导致合金内产生较多脆性的δ相，分布于晶界，使合金韧性下降。
作为优选地，Zr的质量百分含量为0.01～0.05％。Zr含量>0.05％时，会导致合金内产生大量的脆性δ相，降低合金的韧性，故Zr含量一般控制在0.05％及以下；而当Zr的含量小于0.01％，则对弥补碳化物与合金基体界面处的Cr，Mo元素的不足，提高该界面处的抗腐蚀性能的效果不明显。
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，并且由于合金中包含了N、Zr不仅能够提高Co基合金的生物相容性，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；
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、雾化制粉处理；
将雾化制粉得到的粉末注射成型处理，获得刀坯；
将所述刀坯进行烧结、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得到的合金出现麻点或者孔隙。
在一优选实施例中，N元素是以CrN3的方式添加，CrN3在合金基体内分解且N元素会均匀固溶于合金基体中。由于CrN3中的包含了一部分Cr，因此，在添加Cr元素时，应当减去CrN3中所添加的Cr量。
在优选实施例中，熔炼温度达到1500℃后，保温30～60min，以确保各组分均熔化。保温结束时，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℃，保温10～24h。随后进行快速冷却。
进一步优选地，快速冷却为高压氮气或高压氩气冷却。高压氮气或高压氩气冷却速率为20～50℃/s，在该冷却方式和冷却速率下，合金成分无偏析现象。
优选地，对均匀化处理的合金进行雾化制粉处理，使制备的粉末粒度达到2～20mm，以便于注射成型。这里的注射成型是指将合金粉末注射成微创手术刀刀坯。
待合金粉末注射成刀坯后，对刀坯进行烧结处理，以提高刀口硬度，改善切割性能。优选地，烧结的温度为1300～1350℃，且应保持在真空或者惰性气氛或者还原气氛中烧结1～2h。进一步优选地，惰性气氛为氩气气氛或者还原气氛为氢气气氛。
烧结处理后，采用氩气或氮气冷却，冷却速度太慢，容易导致碳化物粗化，不利于材料的精密加工。
进一步地，待烧结冷却至室温后，对烧结部件进行时效处理。时效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坯置于氨气气氛中，在400～600℃中保温1～5h。经过氮化处理，提高合金(也说刀具)表面的硬度和切割性能。
本发明实施例提供的Co-Cr-Mo合金采用上述注射成型的方法制备的微创手术刀，刀口硬度达到500～850HV，弹性模量为210～220GPa，极大的提高了手术刀的弹性和切割性能。
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各实施例配方表及格状态下材料力学性能
从表1中可见，实施例1～17，合金在Cr、Mo含量保持一定范围的前提下，随着C、N的添加，合金的硬度逐渐上升，经过时效处理、氮化处理后，硬度增加的幅度更加明显，硬度高于现有技术100～200HRV(洛氏硬度)，强度高于现有技术200～1000MPa。实施例18～20则添加了Zr元素，添加Zr元素可以降低合金的Co、Cr、Mo离子析出的浓度。具体从图1可知，将添加Zr元素和未添加Zr元素的合金置于37℃的质量百分含量为5％的乳酸溶液中浸泡6个月后，采用ICP-EOS分析，发现添加了Zr的合金相对于未添加Zr元素的合金的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 (8)

1.一种Co-Cr-Mo合金，其特征在于：由质量百分含量如下的组分组成：
余量为Co和不可避免的杂质，其中，所述Zr的含量不取0值；
所述Co-Cr-Mo合金由所述组分依次经过熔炼、均匀化、雾化制粉、注射成型、烧结及氮化处理得到；
所述烧结温度为1300～1350℃；所述烧结处理的环境为真空或惰性气氛或还原气氛；所述烧结处理后还包括氩气或氮气冷却处理以及在真空或保护气氛下700～900℃时效保温3～10h；所述氮化处理为在氨气气氛下，于400～600℃保温1～5h。
2.如权利要求1所述的Co-Cr-Mo合金，其特征在于：所述Zr的质量百分含量为0.01～0.05％。
3.一种微创手术刀的加工方法，至少包括以下步骤：
按照权利要求1～2任一所述的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、雾化制粉处理；
将雾化制粉得到的粉末注射成型处理，获得刀坯；
将所述刀坯进行烧结、氮化处理；
所述烧结温度为1300～1350℃；所述烧结处理的环境为真空或惰性气氛或还原气氛；所述烧结处理后还包括氩气或氮气冷却处理以及在真空或保护气氛下700～900℃时效保温3～10h；所述氮化处理为在氨气气氛下，于400～600℃保温1～5h。
4.如权利要求3所述的微创手术刀的加工方法，其特征在于：所述熔炼在氩气气氛中，温度为1500℃及以上，保温时间30～60min。
5.如权利要求3所述的微创手术刀的加工方法，其特征在于：所述均匀化温度为1250～1350℃，在真空或惰性气氛中保温10～24h。
6.如权利要求3所述的微创手术刀的加工方法，其特征在于：所述均匀化处理还包括高压氮气或氩气冷却；所述高压氮气或氩气冷却速率为10～20℃/s。
7.如权利要求3所述的微创手术刀的加工方法，其特征在于：所述雾化制粉处理得到的粉末粒度为2～20μm。
8.一种如权利要求3所述的微创手术刀。
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