CN111716080B - 一种医疗产品用空心针材料的制备方法 - Google Patents

一种医疗产品用空心针材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗用钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种医疗产品用空心针材料的制备方法。该空心针材料外径尺寸为4.0～6.0mm，内孔尺寸为0.8～1.5mm。首先通过熔炼、锻造工序获得一定尺寸的圆棒坯料；然后采用机械钻孔方式加工通孔，选择合适芯棒填充后进行锻造、拉拔；最后矫直、去应力退火、磨抛制备出成品丝材。本发明方法可获得中心孔直径0.8～1.5mm的空心针丝材，为制造骨科医疗产品提供合格原材料。

Description

一种医疗产品用空心针材料的制备方法
技术领域
本发明属于医疗用钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种医疗产品用空心针材料的制备方法。
背景技术
钛合金具有优异的生物相容性、耐腐蚀性能、且无磁性、无毒，被广泛用于医用领域。在医疗领域中针对股骨头坏死达成一致的治疗方法为髓心减压术，但该术会造成股骨头内支撑结构薄弱，因此需要采用空心钛棒加工的空心钉进行支撑。目前，在钛合金空心棒丝材生产过程中存在芯棒选择、表面润滑、内孔加工等一系列的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种医疗产品用空心针材料的制备方法，为了解决厚壁、小孔径空心针材料加工困难的问题。
本发明采用的技术方案是：
一种医疗产品用空心针材料的制备方法，空心针材料外径尺寸为4.0～6.0mm，内孔尺寸为0.8～1.5mm；
该方法包括以下步骤：
步骤一、铸锭或者锻坯采用机械钻孔的方式加工通孔；
步骤二、选择填充芯棒；
步骤三、芯棒表面采用MoS2涂层进行润滑，填充于通孔内；
步骤四、采用锻造或旋锻工艺加工至φ20mm以下的棒坯；
步骤五、对φ20mm以下的棒坯进行拉拔；
步骤六、成品丝材矫直；
步骤七、去应力退火；
步骤八、芯棒抽取及内外表面磨抛；
步骤九、超声波清洗。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤一中，通孔的孔径尺寸与铸锭或者锻坯的外径尺寸比为1:3～1:5，通孔内壁光滑，表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤二中，选择不锈钢芯棒，其高温拉伸强度与基体拉伸强度的比值为2:1～1:2，芯棒表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤三中，MoS2涂层厚度不超过0.5mm，填充后两端头封死。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤四中，相邻两火次之间进行芯棒抽取及更换，芯棒抽取后清理内表面。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤五中，采用固定芯棒或者游动芯棒进行拉拔；或者，使用芯棒跟随变形的方式进行拉拔。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤六中，采用双曲线矫直，双曲线矫直过程中表面温度不超过45℃，矫直后的丝材弯曲度小于0.3mm/m。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤七中，去应力退火温度为650℃～750℃，保温1～3小时，随炉冷却至室温。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤八中，芯棒抽取后对内外表面进行磨抛，表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，步骤九中，成品空心针丝材超声波清洗10～30min。
本发明的设计思想是：
本发明采用特殊的加工工艺，采用不锈钢棒材作为芯棒材料，该不锈钢材料高温拉伸强度与基体拉伸强度比值为2:1～1:2，采用MoS2涂层进行润滑，采用内表面磨抛机对内表面进行修正，成功生产出内外表面均符合要求的小孔径空心棒丝材，丝材内径0.8～1.5mm，表面粗糙度Ra≤1.6μm，力学性能Rp0.2≥860MPa、Rm≥930MPa、A≥10％、Z≥25％，满足用于生产医疗产品的需求。上述加工工艺的设计思路是：采用强度合适的芯棒作为内孔支撑材料，保证内孔均匀变形，采用MoS2涂层进行润滑，有利于芯棒的取出与内表面处理，然后通过去应力退火，保证组织、性能达标。最后对内外表面进行抛光，保证生产出的空心针材料内外表面符合要求。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
1、本发明有效解决了厚壁空心针材料生产加工困难的问题。
2、本发明生产的空心针产品内外直径稳定。
3、本发明所需设备及加工工艺简单，可以满足批量生产。
附图说明
图1(a)-图1(b)为实施例1制备的内孔Φ0.95mm规格钛合金空心棒的金相组织照片结果。其中，图1(a)为高倍组织图，图1(b)为低倍组织图。
图2(a)-图2(b)为实施例2制备的内孔Φ1.2mm规格钛合金空心棒的金相组织照片结果。其中，图2(a)为高倍组织图，图2(b)为低倍组织图。
图3(a)-图3(b)为实施例3制备的内孔Φ1.3mm规格钛合金空心棒的金相组织照片结果。其中，图3(a)为高倍组织图，图3(b)为低倍组织图。
图4(a)-图4(b)为实施例4制备的内孔Φ1.35mm规格钛合金空心棒的金相组织照片结果。其中，图4(a)为高倍组织图，图4(b)为低倍组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例中，医疗产品用空心针材料的制备方法如下：
步骤一、选取φ30.0mm的棒坯，采用机械钻孔的方式加工φ8.0mm的内孔，通孔内壁光滑，表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤二、选择不锈钢芯棒，芯棒表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤三、芯棒表面采用MoS2涂层进行润滑，填充于通孔内；MoS2涂层厚度0.1～0.2mm，填充后两端头封死。
步骤四、采用旋锻工艺加工至φ20mm以下的棒坯，相邻两火次之间进行芯棒抽取及更换，芯棒抽取后清理内表面。
步骤五、对φ20mm以下的棒坯进行拉拔，采用固定芯棒或者游动芯棒进行拉拔，或者使用芯棒跟随变形的方式进行拉拔，拉拔至外径φ4.5mm。
步骤六、采用双曲线矫直，双曲线矫直过程中表面温度不超过45℃，矫直后的丝材弯曲度小于0.3mm/m。
步骤七、去应力退火，去应力退火温度为700℃，保温2小时，随炉冷却至室温。
步骤八、芯棒抽取后对内外表面进行磨抛，表面粗糙度不大于Ra1.6微米，磨抛至内外表面至外径φ4.0mm*内孔φ0.95mm成品空心丝材。
步骤九、超声波清洗，成品空心针丝材超声波清洗10～30min，成品力学性能如表1所示，其对应金相组织如图1所示。
表1为实施例1制备的内孔Φ0.95mm规格钛合金空心棒的测试结果
样品编号 屈服强度Rp<sub>0.2</sub>/MPa 抗拉强度Rm/MPa 延伸率A/％ 断面收缩率Z/％
试样1 892 982 16.5 37
试样2 887 964 17.0 42
从图1可以看出，经过该方案加工的外径φ4.0mm*内孔φ0.95mm的Ti-6Al-4V空心针材料显微组织比较均匀，晶粒尺寸在5μm以内，能够满足骨科医疗器材用棒丝材产品的a级组织要求。从表1中可以看出，室温拉伸抗拉强度大于930MPa、屈服强度大于860MPa、延伸率大于10％，完全满足空心针材料生产加工需求。
实施例2
本实施例中，医疗产品用空心针材料的制备方法如下：
步骤一、选取φ45.0mm的棒坯，采用机械钻孔的方式加工φ10.0mm的内孔，通孔内壁光滑，表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤二、选择不锈钢芯棒，芯棒表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤三、芯棒表面采用MoS2涂层进行润滑，填充于通孔内；MoS2涂层厚度0.2～0.3mm，填充后两端头封死。
步骤四、采用旋锻工艺加工至φ20mm以下的棒坯，相邻两火次之间进行芯棒抽取及更换，芯棒抽取后清理内表面。
步骤五、对φ20mm以下的棒坯进行拉拔，采用固定芯棒或者游动芯棒进行拉拔，或者使用芯棒跟随变形的方式进行拉拔，拉拔至外径φ5.0mm。
步骤六、采用双曲线矫直，双曲线矫直过程中表面温度不超过45℃，矫直后的丝材弯曲度小于0.3mm/m。
步骤七、去应力退火，去应力退火温度为680℃，保温2.5小时，随炉冷却至室温。
步骤八、芯棒抽取后对内外表面进行磨抛，表面粗糙度不大于Ra1.6微米，磨抛至内外表面至外径φ4.5mm*内孔φ1.2mm成品空心丝材。
步骤九、超声波清洗，成品空心针丝材超声波清洗10～30min，成品力学性能如表2所示，其对应金相组织如图2所示。
表2为实施例2制备的内孔Φ1.2mm规格钛合金空心棒的测试结果
样品编号 屈服强度Rp<sub>0.2</sub>/MPa 抗拉强度Rm/MPa 延伸率A/％ 断面收缩率Z/％
试样1 873 955 18.0 45
试样2 880 958 18.0 43
从图2可以看出，经过该方案加工的外径φ4.5mm*内孔φ1.2mm的Ti-6Al-4V空心针材料显微组织比较均匀，晶粒尺寸在5μm以内，能够满足骨科医疗器材用棒丝材产品的a级组织要求。从表2中可以看出，室温拉伸抗拉强度大于930MPa、屈服强度大于860MPa、延伸率大于10％，完全满足空心针材料生产加工需求。
实施例3
本实施例中，医疗产品用空心针材料的制备方法如下：
步骤一、选取φ60.0mm的棒坯，采用机械钻孔的方式加工φ15.0mm的内孔，通孔内壁光滑，表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤二、选择不锈钢芯棒，芯棒表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤三、芯棒表面采用MoS2涂层进行润滑，填充于通孔内；MoS2涂层厚度0.3～0.4mm，填充后两端头封死。
步骤四、采用旋锻工艺加工至φ20mm以下的棒坯，相邻两火次之间进行芯棒抽取及更换，芯棒抽取后清理内表面。
步骤五、对φ20mm以下的棒坯进行拉拔，采用固定芯棒或者游动芯棒进行拉拔，或者使用芯棒跟随变形的方式进行拉拔，拉拔至外径φ6.0mm。
步骤六、采用双曲线矫直，双曲线矫直过程中表面温度不超过45℃，矫直后的丝材弯曲度小于0.3mm/m。
步骤七、去应力退火，去应力退火温度为720℃，保温1.5小时，随炉冷却至室温。
步骤八、芯棒抽取后对内外表面进行磨抛，表面粗糙度不大于Ra1.6微米，磨抛至内外表面至外径φ5.5mm*内孔φ1.3mm成品空心丝材。
步骤九、超声波清洗，成品空心针丝材超声波清洗10～30min，成品力学性能如表3所示，其对应金相组织如图3所示。
表3为实施例3制备的内孔Φ1.3mm规格钛合金空心棒的测试结果
样品编号 屈服强度Rp<sub>0.2</sub>/MPa 抗拉强度Rm/MPa 延伸率A/％ 断面收缩率Z/％
试样1 896 988 18.0 38
试样2 892 983 17.0 40
从图3可以看出，经过该方案加工的外径φ5.5mm*内孔φ1.3mm的Ti-6Al-4V空心针材料显微组织比较均匀，晶粒尺寸在5μm以内，能够满足骨科医疗器材用棒丝材产品的a级组织要求。从表3中可以看出，室温拉伸抗拉强度大于930MPa、屈服强度大于860MPa、延伸率大于10％，完全满足空心针材料生产加工需求。
实施例4
本实施例中，医疗产品用空心针材料的制备方法如下：
步骤一、选取φ80.0mm的棒坯，采用机械钻孔的方式加工φ20.0mm的内孔，通孔内壁光滑，表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤二、选择不锈钢芯棒，芯棒表面粗糙度不大于Ra1.6微米。
步骤三、芯棒表面采用MoS2涂层进行润滑，填充于通孔内；MoS2涂层厚度0.3～0.4mm，填充后两端头封死。
步骤四、采用旋锻工艺加工至φ20mm以下的棒坯，相邻两火次之间进行芯棒抽取及更换，芯棒抽取后清理内表面。
步骤五、对φ20mm以下的棒坯进行拉拔，采用固定芯棒或者游动芯棒进行拉拔，或者使用芯棒跟随变形的方式进行拉拔，拉拔至外径φ6.5mm。
步骤六、采用双曲线矫直，双曲线矫直过程中表面温度不超过45℃，矫直后的丝材弯曲度小于0.3mm/m。
步骤七、去应力退火，去应力退火温度为650℃，保温3小时，随炉冷却至室温。
步骤八、芯棒抽取后对内外表面进行磨抛，表面粗糙度不大于Ra1.6微米，磨抛至内外表面至外径φ6.0mm*内孔φ1.35mm成品空心丝材。
步骤九、超声波清洗，成品空心针丝材超声波清洗10～30min，成品力学性能如表4所示，其对应金相组织如图4所示。
表4为实施例4制备的内孔Φ1.35mm规格钛合金空心棒的测试结果
样品编号 屈服强度Rp<sub>0.2</sub>/MPa 抗拉强度Rm/MPa 延伸率A/％ 断面收缩率Z/％
试样1 884 978 16.0 44
试样2 872 965 17.5 39
从图4可以看出，经过该方案加工的外径φ6.0mm*内孔φ1.35mm的Ti-6Al-4V空心针材料显微组织比较均匀，晶粒尺寸在5μm以内，能够满足骨科医疗器材用棒丝材产品的a级组织要求。从表4中可以看出，室温拉伸抗拉强度大于930MPa、屈服强度大于860MPa、延伸率大于10％，完全满足空心针材料生产加工需求。
实施例结果表明，本发明首先通过熔炼、锻造工序获得一定尺寸的圆棒坯料；然后采用机械钻孔方式加工通孔，选择合适芯棒填充后进行锻造、拉拔。最后矫直、去应力退火、磨抛制备出成品丝材。该方法可获得中心孔直径0.8～1.5mm的空心针丝材，为制造骨科医疗产品提供合格原材料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效变化，仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种医疗产品用空心针材料的制备方法，其体征在于，空心针材料外径尺寸为4.0～5.5mm，内孔尺寸为0.8～1.5mm；
该方法包括以下步骤：
步骤一、铸锭或者锻坯采用机械钻孔的方式加工通孔；通孔的孔径尺寸与铸锭或者锻坯的外径尺寸比为1:3.75～1:4.5，通孔内壁光滑，表面粗糙度不大于Ra1.6微米；
步骤二、选择填充芯棒；
步骤二中，选择不锈钢芯棒，其高温拉伸强度与基体拉伸强度的比值为2:1～1:2，芯棒表面粗糙度不大于Ra1.6微米；
步骤三、芯棒表面采用MoS2涂层进行润滑，填充于通孔内；
步骤三中，MoS2涂层厚度不超过0.5mm，填充后两端头封死；
步骤四、采用锻造或旋锻工艺加工至φ20mm以下的棒坯；
步骤五、对φ20mm以下的棒坯进行拉拔；
步骤六、成品丝材矫直；
步骤六中，采用双曲线矫直，双曲线矫直过程中表面温度不超过45℃，矫直后的丝材弯曲度小于0.3mm/m；
步骤七、去应力退火；去应力退火温度为650℃～720℃，保温1.5～3小时，随炉冷却至室温；
步骤八、芯棒抽取及内外表面磨抛，芯棒抽取后对内外表面进行磨抛，表面粗糙度不大于Ra1.6微米；采用内表面磨抛机对内表面进行修正，生产出内外表面均符合要求的小孔径空心棒丝材，丝材内径0.8～1.5mm，表面粗糙度Ra≤1.6μm，力学性能Rp0.2≥860MPa、Rm≥930MPa、A≥10％、Z≥25％，满足用于生产医疗产品的需求；
步骤九、超声波清洗。
2.按照权利要求1所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，其体征在于，步骤四中，相邻两火次之间进行芯棒抽取及更换，芯棒抽取后清理内表面。
3.按照权利要求1所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，其体征在于，步骤五中，采用固定芯棒或者游动芯棒进行拉拔；或者，使用芯棒跟随变形的方式进行拉拔。
4.按照权利要求1所述的医疗产品用空心针材料的制备方法，其体征在于，步骤九中，成品空心针丝材超声波清洗10～30min。
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