CN107937836B - 一种具有形状记忆功能的不锈钢材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有形状记忆功能的不锈钢材料及其制备方法，所述不锈钢材料按质量百分比计算由以下组分组成：碳为0.09‑0.12%，镍为4.36‑5.23%，铬为3.86‑5.20%，锰为12.46‑13.33%，硅为2.51‑3.01%，铌为1.47‑1.89%，钛为4.23‑4.87%，钇为0.20‑0.40%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。本发明的主要解决了传统颅骨牵引器的不锈钢制牵引架存在的屈服强度过大、弯曲性能较低、恢复率低的问题，通过使用和改进现有的Fe‑Mn‑Si记忆合金，得到一种低成本的具有形状记忆功能的不锈钢材料，其屈服强度不超过375 N/mm2，韧性达到8.5 J/cm2，形状恢复率达到97.4%，克服了现有的不足。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢材料领域，特别涉及一种具有形状记忆功能的不锈钢材料及其制备方法。
背景技术
牵引是利用外加的牵引力和对抗牵引力的作用，对肢体或者躯干进行牵拉，以达到治疗和辅助治疗的目的。牵引既有复位又有固定作用，在骨科应用广泛，是一种简便有效的治疗方法，尤其是对于不宜手术的病人，也可以通过牵引达到治疗目的。各种骨牵引术是通过固定在特定部位的骨针、牵引弓、绳索、牵引架以及牵引砝码等器具对骨折、脱位进行缓慢的复位，它既是一种复位的方法，也可起到良好的固定作用。骨牵引必须根据骨折部位、年龄、骨折类型的不同调整牵引方向、重量。
当颈椎因内外原因造成损伤或慢性病变时，导致颈椎不稳定或者移位时，一般用颅骨牵引装置使颈椎固定及复位。然而传统的颅骨牵引装置结构相对较简单，其一般只有一个牵引弓，一个牵引弓只有两个固定点，导致其牵引力量有限，牵引效果较差，而且，牵引弓在长时间牵引过程中易弯曲变形，导致患者会承受额外的痛苦，牵引效果治疗差，颈椎的固定及复位较困难，治疗时间被延长，同时，变形后的牵引弓无法通过一般方法恢复至原状，因而一般归类于报废物，这显然对牵引弓造成了浪费，而且，颅骨牵引装置属于较贵的医疗器械，过早报废颅骨牵引装置无疑会增加医疗成本。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有形状记忆功能的不锈钢材料及其制备方法，主要解决传统颅骨牵引器的不锈钢制牵引架存在的屈服强度过大、弯曲性能较低、恢复率低的问题，通过使用和改进现有的Fe-Mn-Si记忆合金，得到一种低成本的具有形状记忆功能的不锈钢材料，以克服现有的不足。
本发明采用的技术方案如下：一种具有形状记忆功能的不锈钢材料，其特征在于，所述不锈钢材料按质量百分比计算由以下组分组成：碳为0.09-0.12%，镍为4.36-5.23%，铬为3.86-5.20%，锰为12.46-13.33%，硅为2.51-3.01%，铌为1.47-1.89%，钛为4.23-4.87%，钇为0.20-0.40%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。
作为优选，所述不锈钢材料按质量百分比计算由以下组分组成：碳为0.10%，镍为4.68%，铬为4.94%，锰为13.33%，硅为2.73%，铌为1.53%，钛为4.23%，钇为0.32%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。
本发明还包括一种具有形状记忆功能的不锈钢材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、金属原料熔炼浇铸后得到钢锭，清理钢锭表面渣滓，然后将钢锭进行热锻压，锻压温度控制在1000℃，在一次热锻压成板材，然后冷却板材至780-820℃，对板材再次进行热锻压形成所需规格的钢条，将钢条随炉冷却至室温，得到原坯钢条；
步骤2、将原坯钢条进行去应力退火，然后用机加工的方式将原坯钢条加工成所需形状，得到初始态产品，将初始态产品置于热处理炉中加热至620℃，保温20-30min，然后油淬至室温，得到半成品；
步骤3、在室温条件下，对半成品进行弯曲塑性变形，然后将变形后的半成品置于加热炉中加热至580℃，保温30min，然后再随炉冷却至室温，重复步骤3的操作，直至半成品的可恢复变形量为4%为止，得到成品。
进一步，在步骤1中，初始升温时的升温速率控制在80℃/h，待钢锭升温至600℃时，提高升温速率至200℃/h，直至钢锭达到1000℃。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的提供一种具有形状记忆功能的不锈钢材料及其制备方法，主要解决了传统颅骨牵引器的不锈钢制牵引架存在的屈服强度过大、弯曲性能较低、恢复率低的问题，通过使用和改进现有的Fe-Mn-Si记忆合金，得到一种低成本的具有形状记忆功能的不锈钢材料，其抗拉度很低，仅为383-485 N/mm2，屈服强度不超过375 N/mm2，韧性达到8.5 J/cm2，形状恢复率达到97.4%，克服了现有的不足。
附图说明
图1是本发明的颅骨牵引装置的三维结构示意图；
图2是本发明的刚性块部分剖视结构示意图；
图3是本发明的连接中心部主视结构示意图；
图4是本发明的连接中心部剖视结构示意图。
图中标记：1为固定环，2为刚性块，201为透气孔，3为弹性块，4为定位套管，5为牵引螺钉，6为推压部，7为牵引针头，8为牵引弓，9为连接中心部，901为连接壳体，902为螺杆，903为连接盖，904为套筒，905为凸台，10为扣环，11为海绵层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
如图1至图4所示，一种颅骨牵引装置，包括环状结构的固定环1，固定环1包括刚性块2和能够拉伸的弹性块3，刚性块2与弹性块3交错设置并固定连接形成固定环1，也即是说，固定环1所围成的环形圈的直径可以通过拉伸弹性块3来调整得到合适的尺寸。刚性块2的中部设置有定位套管4，定位套管4垂直并固定安装在刚性块2朝固定环1外的侧壁上，定位套管4内配合安装有牵引螺钉5，牵引螺钉5远离定位套管4的一端固定连接推压部6，牵引螺钉5的另一端穿过定位套管4和刚性块2并形成牵引针头7，牵引螺钉5能够在定位套管4和刚性块2之间沿牵引螺钉5的轴线方向移动，牵引螺钉5可以与定位套管4形成螺纹配合，进而通过转动推压部6实现牵引针头7在固定环1内的旋进和旋出操作。
为了更好地固定住固定环1，防止固定环1在头部上发生滑动，刚性块2的上部固定连接有呈弓形状的牵引弓8，牵引弓8的两端均固定连接在刚性块2上，且牵引弓8横跨整个固定环1，即牵引弓8的跨度尺寸不小于固定环1的环形圈直径尺寸。固定环1的上部设置多根牵引弓8，多根牵引弓8相交的中心设置连接中心部9，多根牵引弓8通过连接中心部9实现彼此之间角度的固定，连接中心部9上设置有扣环10，以用于连接绳索，便于放置牵引砝码。
进一步地，为了使连接中心部9更好地固定牵引弓8彼此之间的角度，连接中心部9包括具有中空结构的连接壳体901，连接壳体901的侧壁设有穿孔（图中未标出），以便于牵引弓8穿过，通过穿孔来限制牵引弓8的偏移，进而达到固定牵引弓8彼此之间的角度的技术效果，便于颅骨牵引装置更好地实现牵引作用。进一步地，为了使牵引弓8在安装过程中不会发生偏移和晃动，以使颅骨牵引装置更顺利和更稳定地安装在患者的头部，在连接壳体901内，连接壳体901的底部垂直并固定连接有螺杆902，螺杆902上设置有外螺纹，连接壳体901的上端面敞开并通过连接盖903封口，连接盖903的上部设置扣环10，连接盖903朝连接壳体901的内壁中部垂直固定并连接有套筒904，套筒904具有中空结构，套筒904的内壁设置有内螺纹，螺杆902穿过牵引弓8与套筒904螺纹配合，进而通过套筒904压紧牵引弓8。更进一步地，为了提高套筒904的压紧效果，螺杆902的底部向外扩径形成凸台905，通过凸台905的限位和套筒904的挤压使牵引弓8牢固的被固定在连接壳体901内。
进一步地，由于固定环1在扩径的过程中会改变牵引弓8的跨度，因此，要求牵引弓8在具备良好地屈服强度的同时，还必须具有良好地弯曲强度，而传统的不锈钢存在屈服强度过大，弯曲性能较低的问题，而且在使用过程中，不锈钢制牵引弓在多次塑性变形后而变得不规则，其不能通过手拉或敲打的方式使其恢复原状，形状不规则的牵引弓会使固定环上的各个刚性块受力不均，在用牵引砝码加重量牵引时，很难调节到所需牵引力，导致牵引效果变差，患者会承受更多不必要的痛苦，因此，牵引弓保持规则形状比较重要，为了克服不锈钢制牵引弓存在的这些缺陷，本发明提供一种低成本的具有形状记忆功能的不锈钢材料，具体地说，本发明所指的具有形状记忆功能的不锈钢材料按质量百分比计算由以下组分组成：碳为0.09-0.12%，镍为4.36-5.23%，铬为3.86-5.20%，锰为12.46-13.33%，硅为2.51-3.01%，铌为1.47-1.89%，钛为4.23-4.87%，钇为0.20-0.40%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。
进一步地，具有形状记忆功能的不锈钢牵引弓的制备方法包括以下步骤：
步骤1、金属原料熔炼浇铸后得到钢锭，清理钢锭表面渣滓，然后将钢锭进行热锻压，锻压温度控制在1000℃，初始升温时的升温速率控制在80℃/h，待钢锭升温至600℃时，提高升温速率至200℃/h，直至钢锭达到1000℃，在一次热锻压成板材，然后冷却板材至780-820℃，对板材再次进行热锻压形成所需规格的钢条，将钢条随炉冷却至室温，得到原坯钢条；
步骤2、将原坯钢条进行去应力退火，然后用机加工的方式将原坯钢条加工成牵引弓形状，得到初始态牵引弓，将初始态牵引弓置于热处理炉中加热至620℃，保温20-30min，然后油淬至室温，得到半成品牵引弓；
步骤3、在室温条件下，对半成品牵引弓进行弯曲塑性变形，然后将变形后的牵引弓置于加热炉中加热至580℃，保温30min，然后再随炉冷却至室温，重复步骤3的操作，直至牵引弓的可恢复变形量为4%为止，得到成品牵引弓。
上述中，制得的牵引弓在使用过程中若出现了明显的塑性变形，则可以取下牵引弓，将牵引弓进行加热即可恢复原形状，由此克服了传统不锈钢制牵引弓所存在的屈服强度大、弯曲性能低、可恢复能力差的问题，提高了颅骨牵引装置的牵引效果。进一步地，在本发明的不锈钢中，其虽然属于Fe-Mn-Si记忆合金体系，但是，仍须严格控制碳的含量，若碳的含量超过0.09-0.12%，则会使得到的不锈钢材料的屈服强度过大，导致需要消耗很大体力才能弯曲牵引弓，不利于颅骨牵引装置的使用，同时，屈服强度变大会使后期加热恢复变得困难，需要加热至很高温度才能达到形状恢复的效果，这无疑带来了不便。进一步地，上述中的钇虽然属于稀土元素，但是其不能被镧系元素和钪元素替代，当钇被钪替代后，牵引弓可恢复变形的能力明显下降，屈服强度明显升高，变形后的牵引弓在加热恢复时，其只能进行部分恢复，与原形状有明显差别，因此，钇在本发明的不锈钢中具有重要作用，不可随意进行替代。
为了更好地说明本发明的不锈钢材料，以下列举具体实施例，如表1所示。
表1 不锈钢材料实施例1-6（质量百分比：%）
上述实施例制得的不锈钢材料的主要性能如表2所示：
表2 实施例1-6成品合金材料的主要性能（室温25℃下）
由表2可以得到，本发明的不锈钢材料的抗拉强度很低，仅为383-485 N/mm2，屈服强度不超过375 N/mm2，韧性达到8.5 J/cm2，形状恢复率达到97.4%，同时随着钇含量的增加，形状回复率有所提高，由此表明，钇的加入能够提高Fe-Mn-Si记忆合金的形状恢复率。本发明的不锈钢材料解决了传统不锈钢材料存在的屈服强度过大，弯曲性能较低的问题，克服了牵引弓易变形报废的缺陷，延长了牵引弓的使用周期。
进一步地，考虑到颅骨牵引装置会长时间戴在患者的头部，本发明在刚性块2上设置有多个透气孔201，如图2所示，透气孔201均布在刚性块2上，透气孔201的设置一方面可以解决固定环1处不透气、易出汗出油的问题，另一方面可以通过透气孔201向固定环1处滴加消毒液，进而达到消毒清洗的目的，避免了在牵引过程中拆下颅骨牵引装置的麻烦，保证了牵引效果。
作为一种改进的实施方式，由于颅骨牵引装置主要以金属制零部件构成，其刚性较大，患者佩戴后，体验感和舒适感很差，特别是当颅骨牵引装置与患者头部匹配度较差时，患者会因此而承受较大痛苦，不利于对患者进行牵引治疗，为解决该问题，固定环1的内壁粘接一圈海绵层11，海绵层11可以沿固定环1的内壁形成一个环形圈结构，其也可以只在刚性块2上存在，进而形成段节状。在本发明中，由于固定环1的环形圈直径可变，而海绵材料本身的拉伸性能较差，因此，可以将海绵层11只设置在刚性块2的内壁上，弹性块3的内壁不设置，由此克服海绵材料拉伸性能差的问题。通过设置海绵层11可以缓冲颅骨牵引装置的刚度，增加固定环1的柔软性，使其与患者的头部接触时，提高患者的体验感和舒适感，同时可以使固定环1充分与头部贴合，提高了颅骨牵引装置与患者头部的匹配度，患者所承受的痛苦得到有效减少，利于牵引手术的治疗，同时，海绵层11还可以与透气孔201相配合设置，通过透气孔201向海绵层11内输送消毒液，通过海绵层11来浸润头部，使清洗效果更佳，也利于牵引过程中的排汗除油，有效防止该处细菌滋生。进一步地，海绵层11的厚度应不小于3mm，最好在5-10mm之间，更优选为7mm。
进一步地，为了防止牵引螺钉5钻孔过深，牵引螺钉5与推压部6之间设置有深度刻度标记（图中未画出），当牵引螺钉5的牵引针头7的尖端与刚性块2的内壁在竖直方向上齐平时，定位套管4悬臂端的端口边缘与深度刻度标记的起始刻度线在竖直方向上齐平，当牵引螺钉5旋进时，定位套管4悬臂端的端口边缘在竖直方向上对应于深度刻度标记的刻度线的位置所表示的刻度值，即为旋进的深入量，由此方便操作人员精确控制旋进量，避免超过颅骨内板而损伤脑组织。
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)
1.一种具有形状记忆功能的不锈钢材料，其特征在于，所述不锈钢材料按质量百分比计算由以下组分组成：碳为0.09-0.12%，镍为4.36-5.23%，铬为3.86-5.20%，锰为12.46-13.33%，硅为2.51-3.01%，铌为1.47-1.89%，钛为4.23-4.87%，钇为0.20-0.40%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质；所述不锈钢材料的制备方法包括以下步骤：
步骤1、金属原料熔炼浇铸后得到钢锭，清理钢锭表面渣滓，然后将钢锭进行热锻压，锻压温度控制在1000℃，在一次热锻压成板材，然后冷却板材至780-820℃，对板材再次进行热锻压形成所需规格的钢条，将钢条随炉冷却至室温，得到原坯钢条；
步骤2、将原坯钢条进行去应力退火，然后用机加工的方式将原坯钢条加工成所需形状，得到初始态产品，将初始态产品置于热处理炉中加热至620℃，保温20-30min，然后油淬至室温，得到半成品；
步骤3、在室温条件下，对半成品进行弯曲塑性变形，然后将变形后的半成品置于加热炉中加热至580℃，保温30min，然后再随炉冷却至室温，重复步骤3的操作，直至半成品的可恢复变形量为4%为止，得到成品。
2.如权利要求1所述的具有形状记忆功能的不锈钢材料，其特征在于，所述不锈钢材料按质量百分比计算由以下组分组成：碳为0.10%，镍为4.68%，铬为4.94%，锰为13.33%，硅为2.73%，铌为1.53%，钛为4.23%，钇为0.32%，磷和硫的总量不超过0.035%，余量为铁及其不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的具有形状记忆功能的不锈钢材料，其特征在于，在步骤1中，初始升温时的升温速率控制在80℃/h，待钢锭升温至600℃时，提高升温速率至200℃/h，直至钢锭达到1000℃。
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