CN113351679A - 医用锌合金吻合钉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种医用锌合金吻合钉的制备方法,将各个合金组分进行熔炼,并经过浇注和冷却的过程得到锌合金铸锭;将锌合金铸锭切割后进行等通道转角挤压得到同尺寸的挤压锭;将锌合金挤压锭经均匀化处理后热挤压得到锌合金棒材;对该锌合金棒材进行冷拉拔处理和热拉拔处理,获得锌合金丝材;将所得锌合金丝材进行制钉获得医用吻合钉。本发明同时采用了等通道转角挤压和冷热拉拔交替的方法,通过等通道转角挤压来细化锌合金材料晶粒的尺寸,提高均匀性,从而增强力学强度和冷加工性能;再者通过合理调控拉拔过程中的环境温度,可以调控锌合金材料的延伸率和拉伸强度,同时减少了热处理成本和时间,从而能够获得符合应用条件的吻合钉。
Description
技术领域
本发明涉及医用吻合钉的制备,具体涉及一种医用锌合金吻合钉的制备方法。
背景技术
如今医疗器械领域中所应用到的吻合钉主要是由纯金属钛、金属钽以及镁合金制成,但是上述材料在应用过程当中还存在着部分问题尚未得到很好的解决,例如:由金属钛和钽制作而成的医用吻合钉成本较高,不可降解须二次手术将其取出,且耐磨性比较差,在表面氧化膜被破坏后磨损的颗粒产物会对人体造成一定的伤害;而由镁合金制成的医用吻合钉在生物体内的降解速度较快,通常并不能很好地与生物体内组织细胞的再生速度相适应,且镁合金材料的强度并不高,在很多时候并不能很好地胜任医用吻合钉的特殊应用环境。
基于此,技术人员经过研究发现用锌锂合金丝材制作而成的医用吻合钉具有着优异的力学性能、可降解性和生物组织相容性,能够很好地解决或避免以上问题,在一定程度上可以作为上述材料很好的替代品,成为未来生物医用材料领域中十分重要的一环,拥有着广泛的应用前景。除此以外,锌锂系合金丝材在进行冷拉拔过程中,积累过多变形量会导致内部产生微裂纹但并不发生断裂,仍可继续进行冷拉拔,从外观无法判断是否存在微裂纹。微裂纹的存在将导致最终丝材的断裂倾向提高,从而影响其力学性能。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种医用锌合金吻合钉的制备方法,解决现有制备方法存在微裂纹,影响力学性能的问题。
技术方案:本发明所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,包括以下步骤:
(1)称取Zn、Li、Cu各组分原料进行熔炼,并经过浇注和冷却的过程得到锌合金铸锭;
(2)将获得的锌合金铸锭切割后进行等通道转角挤压,获得锌合金挤压锭,将锌合金挤压锭经均匀化处理后热挤压得到锌合金棒材;
(3)先对锌合金棒材进行的冷拉拔处理,累积变形量达到20%~60%时,进行一道热拉拔处理,依次交替拉拔直至获得所需直径的锌合金丝材;
(4)将所得的锌合金丝材进行制钉,获得医用吻合钉。
最大程度地降低起火的可能性,从而减少其烧损程度,所述步骤(1)具体为:根据合金成分的质量百分数称取所需金属原材料,将纯锌加热至温度范围为400℃~450℃;纯锌完全熔化后,通入氩气作为保护气氛,再升温至500℃~550℃加入纯铜并搅拌均匀,静置20min~40min;待纯铜完全熔化且温度降至420℃~460℃时加入纯锂并搅拌均匀,静置20min~40min;在炉内纯锂完全熔化后,继续搅拌并静置5min~15min,在温度达到400℃~450℃时进行浇注,随后在空气中冷却到室温得到锌合金铸锭。
所述步骤(1)中0<Li含量≤1wt.%,0<Cu含量≤5wt.%,余量为Zn。
为在不改变样品形状大小的前提下细化其内部晶粒大小,有效提升合金强度,所述步骤(2)中等通道转角挤压具体为:用切割机将锌合金铸锭的横截面氧化皮及缩口去除;切割出若干个直径为10mm~20mm,高度为60mm~100mm的圆柱体铸锭;将圆柱体铸锭放入等通道转角挤压的模具中按照BC方式进行4~12道次挤压,挤压温度范围为25℃~100℃,挤压速度为1mm/s~4mm/s。
为稳定样品内部组织结构,所述步骤(2)中锌合金挤压锭均匀化处理后热挤压具体为:将锌合金挤压锭放置在烘箱中进行均匀化处理;将均匀化处理后的锌合金铸锭放在烘箱中进行保温处理;将保温完成后的锌合金挤压锭在挤压温度范围内进行热挤压处理,最后得到直径为2mm~4mm的锌合金棒材。
所述均匀化处理的温度范围为300℃~360℃,处理时间为24h~48h;保温处理的温度范围为240℃~260℃,保温时间为0.5h~1h;热挤压处理中挤压温度范围为230℃~250℃,挤压比为20,挤压速度范围为1mm/s~3mm/s。
让样品进行塑性变形的过程中受热,节约大量的热处理成本和时间,有效降低锌合金产生微裂纹的风险,同时也方便通过调控温度来提升锌合金丝材的力学性能,所述步骤(3)中锌合金棒材每道次冷拉拔处理的拉拔温度范围为15℃~30℃,材每道次热拉拔处理的拉拔温度范围为120℃~300℃。
所述步骤(3)中锌合金丝材的直径范围为0.1mm~0.5mm。
有益效果:本发明采用了冷热拉拔交替处理的方法,冷拉拔可以在室温下对材料进行塑性变形,方便操作,而热拉拔可以通过合理调控拉拔过程中的环境温度,使锌合金丝材在受热的同时进行着塑性变形,更有利于调控其材料内部组织让变形更加平顺均匀。同时,冷热拉拔交替处理可有效降低锌合金丝材在单一冷拉拔的过程中产生微裂纹的风险,便于后续弯曲变形制作吻合钉,且获得的丝材显著提升抗拉强度;冷热拉拔交替处理可以省略以往常见的退火过程,节约大量的热处理成本和时间,同时能够通过控制热拉拔温度来调控锌合金丝材的力学性能;本发明采用了等通道转角挤压技术对锌合金丝材进行强度上的改善,可以保证试样在横截面形状和尺寸不变的前提下获得较大的纯剪切变形,同时实现结构和性能均一,并且通过调控ECAP道次可控制内部晶粒细化程度,使其细化至一定尺寸,达到后续挤压和交替冷热拉拔的材料要求;本发明制备得到的医用锌合金吻合钉中采用了独特的成分设计,Li元素能够较大程度地提高锌合金强度,Cu元素可以增强锌合金丝材的塑性和抗菌性能,具有着良好的生物和细胞相容性,可以有效避免吻合钉在应用过程中受到细菌感染因而造成不必要的后果。
附图说明
图1为实施例1-3和对比例的锌合金丝材的拉伸应力应变曲线;
图2为对比例锌锂系合金丝材的微观金相图;
图3为实施例1的锌锂系丝材在显微镜下的微观金相图;
图4为等通道转角挤压常用的几种路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
首先制备锌合金铸锭:根据合金成分的质量百分数称取所需金属原材料(Zn、Li、Cu),首先将纯锌加热至450℃;在纯锌完全熔化后,通入氩气作为保护气氛,再升温至550℃加入纯铜粒并搅拌均匀,静置30min;待金属完全熔化后,降温至450℃快速加入纯锂粒并搅拌并静置10min,随后直接进行浇注,并再空气中冷却到室温得到锌合金铸锭。锌合金铸锭的成分包括0.8~1wt.%的Li和0.5~5wt.%的Cu,余量为Zn。原料的具体质量百分数如表1所示。
表1
其中,采用的降温方法为静置,可以有效地沉降材料中的杂质,提高合金材料的纯度,在铸锭浇筑完成后,需将其从模具中取出,利用切割机去除其横截面氧化皮及缩口,然后切割出若干个直径为16mm,高度为80mm的圆柱体铸锭样品作为挤压原料。
实施例1
本实施例采用的原料成分为Zn-1Li-2Cu的圆柱体锌合金铸锭,将圆柱体锌合金铸锭样品其放入等通道转角挤压模具中按照BC路径挤压8道次,最后得到尺寸大小与原圆柱体挤压锭相同的样品。再将样品切割成5个直径相同,高度为20mm的小圆柱体挤压锭,等通道转角挤压过程的挤压温度为25℃,挤压速度为3mm/s;将得到的若干个圆柱体锌合金挤压锭样品放在保温箱中进行均匀化处理;保温完成后立即将样品放入已经升温的挤压机模具中,并涂抹上适量的热压油,最后挤压得到直径为3.60mm的锌合金棒材,均匀化处理所用烘箱的温度为350℃,保温时间为24h;保温处理所用的烘箱温度为280℃,保温时间为0.5h;热挤压处理中挤压机温度为250℃,挤压比为20,挤压速度为2mm/s;将得到的锌合金棒材进行轧端处理后穿过拉拔机的模具,在室温下进行冷拉拔处理,累积变形量达到45%时,进行一道热拉拔处理,随后再继续冷拉拔,如此往复,直至将丝材的直径拉拔到0.23mm,锌合金丝材经检测,强度为412MPa,延伸率为43%。对锌合金丝材丝材进行弯曲和切削后制成医用吻合钉,吻合钉的弯曲角度为80°。
实施例2
本实施例中采用的成分为Zn-0.8Li-5Cu。具体熔炼、等通道转角挤压方式同上,完成后将得到的若干个圆柱体锌合金挤压锭样品放在350℃保温箱中进行均匀化处理24h;在挤压前放入280℃烘箱中保温30min,随后立即将样品放入250℃的挤压机模具中,最后挤压得到直径为3.60mm的锌合金棒材,热压处理中挤压比和挤压速度与实施例1相同;将得到的锌合金棒材进行轧端处理后穿过拉拔机的模具,在室温下进行冷拉拔处理,累积变形量达到45%时,进行一道热拉拔处理,随后再继续冷拉拔,如此往复,直至将丝材的直径拉拔到0.23mm,锌合金丝材经拉伸试验检测,强度为375MPa,延伸率为52%;
最后将该丝材制成医用吻合钉,吻合钉弯曲角度为80°。
实施例3
本实施例中采用的成分为Zn-0.8Li-0.5Cu。具体熔炼、等通道转角挤压方式同上,完成后将得到的若干个圆柱体锌合金挤压锭样品放在350℃保温箱中进行均匀化处理24h;在挤压前放入250℃烘箱中保温20min,随后立即将样品放入230℃的挤压机模具中,最后挤压得到直径为3.60mm的锌合金棒材,热压处理中挤压比和挤压速度与实施例1相同;将得到的锌合金棒材进行轧端处理后穿过拉拔机的模具,在室温下进行冷拉拔处理,累积变形量达到45%时,进行一道热拉拔处理,随后再继续冷拉拔,如此往复,直至将丝材的直径拉拔到0.23mm,该锌合金丝材经拉伸试验检测,强度为370MPa,延伸率为37%;最后将该丝材制成医用吻合钉,吻合钉弯曲角度为80°。
对比例
本对比例中采用的成分为Zn-1Li-2Cu,合金成分与实施例1相同,具体熔炼、等通道转角挤压和热挤压方式同实施例1;将得到的锌合金棒材进行轧端处理后穿过拉拔机的模具,在室温下进行冷拉拔处理,单道次变形量为20%,直至将丝材的直径拉拔到0.23mm;在拉丝过程中出现了多次断裂现象,该锌合金丝材经拉伸试验检测,强度为418MPa,延伸率为20%,发生了脆性断裂。
对对比例和实施例1的锌锂系合金丝材进行金相测试,金相图如图2和图3所示,从图2可以看出,对比例的锌锂系合金丝材其表面显微金相图显示有微裂纹的存在,从图3可以看出,实施例1样品内部组织晶粒经过拉拔后呈现有序的细长条状,晶粒被大幅细化,组织中存在着少量的第二相,没有出现明显的微裂纹;对实施例1-3和对比例锌合金丝材经拉伸试验检测,拉伸应力应变曲线如图1所示,根据图1可以看出随着合金元素Li含量的增大,锌合金丝材的强度有了一定的提升,而样品的塑性也随着Cu含量的增加而得到明显的优化;其中对比例因为组织内部存在着少量的微裂纹,从而导致丝材在拉伸过程中出现了脆性断裂的现象。图4是在等通道转交挤压方法中比较常用的四种挤压方式,本发明中应用的属于第二种BC路线。
根据金相测试和拉伸测试,可以看出冷热拉拔交替处理对于锌合金丝材的塑性和显微组织都有着较为优异的提升效果。
Claims (8)
1.一种医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)称取Zn、Li、Cu各组分原料进行熔炼,并经过浇注和冷却的过程得到锌合金铸锭;
(2)将获得的锌合金铸锭切割后进行等通道转角挤压,获得锌合金挤压锭,将锌合金挤压锭经均匀化处理后热挤压得到锌合金棒材;
(3)先对锌合金棒材进行的冷拉拔处理,累积变形量达到20%~60%时,进行一道热拉拔处理,依次交替拉拔直至获得所需直径的锌合金丝材;
(4)将所得的锌合金丝材进行制钉,获得医用吻合钉。
2.根据权利要求1所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)具体为:根据合金成分的质量百分数称取所需金属原材料,将纯锌加热至温度范围为400℃~450℃;纯锌完全熔化后,通入氩气作为保护气氛,再升温至500℃~550℃加入纯铜并搅拌均匀,静置20min~40min;待纯铜完全熔化且温度降至420℃~460℃时加入纯锂并搅拌均匀,静置20min~40min;在纯锂完全熔化后,继续搅拌并静置5min~15min,在温度达到400℃~450℃时进行浇注,随后在空气中冷却到室温得到锌合金铸锭。
3.根据权利要求1所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中0<Li含量≤1wt.%,0<Cu含量≤5wt.%,余量为Zn。
4.根据权利要求1所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中等通道转角挤压具体为:用切割机将锌合金铸锭的横截面氧化皮及缩口去除;切割出若干个直径为10mm~20mm,高度为60mm~100mm的圆柱体铸锭;将圆柱体铸锭放入等通道转角挤压的模具中按照BC方式进行4~12道次挤压,挤压温度范围为25℃~100℃,挤压速度为1mm/s~4mm/s。
5.根据权利要求1所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中锌合金挤压锭均匀化处理后热挤压具体为:将锌合金挤压锭放置在烘箱中进行均匀化处理;将均匀化处理后的锌合金铸锭放在烘箱中进行保温处理;将保温完成后的锌合金挤压锭在挤压温度范围内进行热挤压处理,最后得到直径为2mm~4mm的锌合金棒材。
6.根据权利要求5所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,所述均匀化处理的温度范围为300℃~360℃,处理时间为24h~48h;保温处理的温度范围为240℃~260℃,保温时间为0.5h~1h;热挤压处理中挤压温度范围为230℃~250℃,挤压比为20,挤压速度范围为1mm/s~3mm/s。
7.根据权利要求1所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中锌合金棒材每道次冷拉拔处理的拉拔温度范围为15℃~30℃,每道次热拉拔处理的拉拔温度范围为120℃~300℃。
8.根据权利要求1所述的医用锌合金吻合钉的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中锌合金丝材的直径范围为0.1mm~0.5mm。
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