CN117086131A - 一种高强度脊柱棒的制备方法及高强度脊柱棒 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及高强度脊柱棒制备技术领域，具体提供了一种高强度脊柱棒的制备方法及高强度脊柱棒，其中，方法包括：获取坯料，其中，坯料为细晶轧制盘卷；对所述坯料进行固溶处理，并对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料；对所述盘卷坯料进行光棒加工，制得光棒棒坯；对所述光棒棒坯进行真空热处理，以用于促使所述光棒棒坯进行相转变；对真空热处理后的光棒棒坯进行抛光，制得高强度脊柱棒。本发明采用了“辊模冷拉+真空热处理”的组合技术方式，制备具有超细晶、高强度特性的T i 6A l 4V钛合金Φ5.5mm脊柱棒，解决了骨科耗材关键原材料制备的技术瓶颈。
Description
技术领域
本发明涉及医用脊柱棒制备技术领域，尤其涉及一种高强度脊柱棒的制备方法及高强度脊柱棒。
背景技术
在医用脊柱钉棒系统中，拉弯和拉压多组合复杂受力作用，对四钉两棒系统的连接棒要求极高，须具备高强高韧的材料性能，才能获得在多组合受力环境下的长期服役的疲劳性能。而脊柱棒的强度水平决定着整个钉棒系统的疲劳寿命。
目前医用脊柱棒材料均为两相T i 6A l 4V钛合金，脊柱棒的规格为Φ5.5mm。传统制备方法为：轧棒热拉拔、精整及热处理加工。经过这一加工工艺获得的Φ5.5mm脊柱棒，其抗拉强度和屈服强度分别在1000MPa和900MPa水平，与进口材料的1100MPa和1000MPa量级水平的性能，尚有较为显著的差异。
因此，现有的传统制备方法制备的高强度脊柱棒的抗拉强度以及屈服强度较低，与进口的材料之间差距较大，无法满足医用需求。
发明内容
本发明提供了一种高强度脊柱棒的制备方法及高强度脊柱棒，用以解决现有技术中现有的传统制备方法制备的高强度脊柱棒的抗拉强度以及屈服强度较低，与进口的材料之间差距较大，无法满足医用需求的技术问题。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本申请提供了一种高强度脊柱棒的制备方法，包括：
获取坯料，其中，坯料为细晶轧制盘卷；
对所述坯料进行固溶处理，并对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料；
对所述盘卷坯料进行光棒加工，制得光棒棒坯；
对所述光棒棒坯进行真空热处理，以用于促使所述光棒棒坯进行相转变；对真空热处理后的光棒棒坯进行进行抛光，制得高强度脊柱棒。
可选的，步骤获取坯料中，坯料为950℃高温大变形连轧制备的Φ8mm细晶轧制盘卷。
可选的，步骤对所述坯料进行固溶处理中，固溶处理的工艺参数为：
温度：860-920℃/14min、风冷、冷却速度不低于30℃/min。
可选的，步骤并对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料之前，所述方法还包括：
采用无心车将盘卷表面氧化皮去除干净，获得光亮表面的Φ7.5mm盘卷。
可选的，步骤对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料包括：
将固溶处理后的坯料置于拉拔设备中；
利用拉拔设备对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，其中，每次辊模冷拉的道次变形率范围为：5-7％；
直至将固溶处理后的坯料辊模冷拉至直径为Φ6.0mm时，停止辊模冷拉。
可选的，步骤对所述盘卷坯料进行光棒加工，制得光棒棒坯中，
将盘卷坯料置于平立辊设备中进行平立辊矫直；
对平立辊矫直后的盘卷坯料进行定尺切断后，进行立式热张力矫直，再经无心研磨至Φ5.5mm光棒，制得光棒棒坯。
可选的，步骤对所述光棒棒坯进行真空热处理中，采用真空热处理炉对光棒棒坯进行真空热处理。
可选的，步骤对所述光棒棒坯进行真空热处理包括：
将光棒棒坯置于真空热处理炉的V型槽内；
真空热处理炉的炉腔内温度加热至550-650℃，保温2-4h；
保温结束后，光棒棒坯随炉冷却至100℃以下出炉，并静置至室温，以完成对光棒棒坯的真空热处理过程。
可选的，步骤对真空热处理后的光棒棒坯进行进行抛光，制得高强度脊柱棒中，高强度脊柱棒的直径为Φ5.5mm。
第二方面，本申请提供了一种高强度脊柱棒，采用上述的高强度脊柱棒的制备方法制得。
本申请提供了一种高强度脊柱棒的制备方法，包括：获取坯料，其中，坯料为细晶轧制盘卷；对所述坯料进行固溶处理，并对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料；对所述盘卷坯料进行光棒加工，制得光棒棒坯；对所述光棒棒坯进行真空热处理，以用于促使所述光棒棒坯进行相转变；对真空热处理后的光棒棒坯进行进行抛光，制得高强度脊柱棒。本发明采用了“辊模冷拉+真空热处理”的组合技术方式，制备具有超细晶、高强度特性的T i 6A l 4V钛合金Φ5.5mm脊柱棒，解决了骨科耗材关键原材料制备的技术瓶颈。
附图说明
图1为传统工艺制备的Φ5.5mm脊柱棒金相形貌(a)横截面(b)纵截面。
图2为本发明制备的Φ5.5mm脊柱棒金相形貌(a)横截面(b)纵截面。
图3为Φ5.5mm脊柱棒EBSD表征的丝织构极图及织构强度图，其中(a)为传统工艺制得的脊柱棒的EBSD表征的丝织构极图及织构强度图，(b)本发明制得的脊柱棒的EBSD表征的丝织构极图及织构强度图。
图4为本发明Φ5.5mm脊柱棒真空热处理前后a、β相分布图，真空热处理前(a),真空热处理后(b)。
具体实施方式
以下结合附图1-附图4对本发明作进一步详细介绍。
在医用脊柱钉棒系统中，拉弯和拉压多组合复杂受力作用，对四钉两棒系统的连接棒要求极高，须具备高强高韧的材料性能，才能获得在多组合受力环境下的长期服役疲劳性能。而脊柱棒的强度水平决定着整个钉棒系统的疲劳寿命。
目前医用脊柱棒材料均为两相T i 6A l 4V钛合金，脊柱棒的规格为Φ5.5mm。传统制备方法为：轧棒热拉拔、精整及热处理加工。经过这一加工工艺获得的Φ5.5mm脊柱棒，其抗拉强度和屈服强度分别在1000MPa和900MPa水平，与进口材料的1100MPa和1000MPa量级水平的性能，尚有较为显著的差异。
目前，国内的生产工艺通常采用前述的轧棒热拉拔、精整及热处理加工的工艺，但是采用现有工艺制备出的脊柱棒在抗拉强度和屈服强度上均较进口材料的抗拉强度和屈服强度低，无法满足医用要求，为了突破国外的技术封锁，为提高国产的脊柱棒的强度水平，申请人经过大量实验以及论证，提出了本申请的技术方案，用来制作一种具有良好抗拉强度和屈服强度的脊柱棒的制备工艺，用来实现脊柱棒国产化，且国产化的脊柱棒具有符合医用力学性能的抗拉强度和屈服强度的要求。
具体而言：本发明采用了“辊模冷拉+真空热处理”的组合技术方式，制备具有超细晶、高强度特性的T i 6A l4V钛合金Φ5.5mm脊柱棒，解决了骨科耗材关键原材料制备的技术瓶颈。
以下，结合附图1-4对本申请的技术方案做进一步详细描述：
本发明提供一种高强度脊柱棒的制备方法，包括：步骤S110-步骤S140：
步骤S110.获取坯料，其中，坯料为细晶轧制盘卷。
本实施例中，坯料的选择是本案的第一重点，本案中，坯料选择950℃高温大变形连轧制备的Φ8mm细晶轧制盘卷，即采用高温大变形轧制获得细晶盘卷坯料。
步骤S120.对所述坯料进行固溶处理，并对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料。
本实施例中，对Φ8mm盘卷进行在线固溶处理，加热工艺为860-920℃/14min，风冷，冷却速度不低于30℃/min。对Φ8mm盘卷进行较高温度的固溶处理，高温轧制和固溶后快速风冷，使得材料产生一定量的亚稳定相。
本实施例中，对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉之前，还包括步骤S120-1.采用无心车将盘卷表面氧化皮去除干净，获得光亮表面的Φ7.5mm盘卷，以确保在辊模冷拉之前，盘卷的表面光亮。
本实施例中，辊模冷拉具体的操作是：将Φ7.5mm盘卷置于拉拔机中进行辊模冷拉，单道次的变形率在5-7％，进行多道次冷拉直至Φ7.5mm盘卷辊模冷拉至Φ6.0mm。
具体的：盘卷经过辊模冷拉变形，较传统热拉工艺，室温下辊模在合金丝材横截面通过垂直压应力方式实现较大变形量的冷变形，材料内部聚集了大量变形位错缺陷，更有利于晶粒的细化、等轴化，而在丝材拉拔轴向(纵向)方向上晶粒被拉长的趋势较弱(图1、图2展现了本发明制备的Φ5.5mm脊柱棒晶粒显著细小、等轴，纵截面纤维拉长趋势较小。而传统工艺制备的Φ5.5mm脊柱棒晶粒较为粗大，纵向拉长晶较为明显)。因此，材料这一丝材辊拉冷加工变形削弱了传统拉拔产生较为显著的纵向丝织构现象(图3显示了本发明制备的Φ5.5mm脊柱棒丝织构类型与传统工艺一致，但织构强度被削弱了。)，这对于脊柱棒服役过程承受弯曲疲劳载荷是非常有利的。
步骤S130.对所述盘卷坯料进行光棒加工，制得光棒棒坯。
本实施例中，拉拔后的Φ6.0mm盘卷坯，进行平立辊预矫直、定尺切断，再进行立式热张力矫直，再经无心研磨至Φ5.5mm光棒。
步骤S140.对所述光棒棒坯进行真空热处理，以用于促使所述光棒棒坯进行相转变；对真空热处理后的光棒棒坯进行抛光，制得高强度脊柱棒。
本实施例中，将若干Φ5.5mm光棒置于真空热处理炉的V型槽内，加热至(550-650)℃，保温2-4h，随炉缓慢冷却至100℃以下出炉，静置一段时间至室温，并进行表面抛光，制备获得Φ5.5mm脊柱棒。
本实施例中，脊柱棒的轧制坯料在固溶处理后获得的亚稳定相，在后续的真空热处理过程中，低温下缓慢冷却，亚稳定相发生相变析出(图4所示，β相减少，α相含量增多，这是因为在真空热处理过程发生了相转变β→α+β。)，强化基体，材料强度将显著提高(表1所示，本发明制备的Φ5.5mm脊柱棒真空热处理前性能略高于传统工艺，真空热处理后，强度大幅提高。)。
以下，对本申请制得的Φ5.5mm脊柱棒进行力学性能检测：检测结果如表1所示：
表1Φ5.5mm脊柱棒力学性能
由表1可见：本申请采用本发明制备的Φ5.5mm脊柱棒真空热处理前性能略高于传统工艺，真空热处理后，强度大幅提高，经本申请工艺制备的脊柱棒具有进口脊柱棒的抗拉强度1100MPa和屈服强度1000MPa量级水平的性能。
本具体实施例仅仅是对发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，包括：
获取坯料，其中，坯料为细晶轧制盘卷；
对所述坯料进行固溶处理，并对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料；
对所述盘卷坯料进行光棒加工，制得光棒棒坯；
对所述光棒棒坯进行真空热处理，以用于促使所述光棒棒坯进行相转变；对真空热处理后的光棒棒坯进行进行抛光，制得高强度脊柱棒。
2.根据权利要求1所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤获取坯料中，坯料为950℃高温大变形连轧制备的Φ8mm细晶轧制盘卷。
3.根据权利要求1所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤对所述坯料进行固溶处理中，固溶处理的工艺参数为：
温度：860-920℃/14min、风冷、冷却速度不低于30℃/min。
4.根据权利要求1所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤并对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料之前，所述方法还包括：
采用无心车将盘卷表面氧化皮去除干净，获得光亮表面的Φ7.5mm盘卷。
5.根据权利要求1所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，制得盘卷坯料包括：
将固溶处理后的坯料置于拉拔设备中；
利用拉拔设备对固溶处理后的坯料进行辊模冷拉，其中，每次辊模冷拉的道次变形率范围为：5-7％；
直至将固溶处理后的坯料辊模冷拉至直径为Φ6.0mm时，停止辊模冷拉。
6.根据权利要求1所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤对所述盘卷坯料进行光棒加工，制得光棒棒坯中，
将盘卷坯料置于平立辊设备中进行平立辊矫直；
对平立辊矫直后的盘卷坯料进行定尺切断后，进行立式热张力矫直，再经无心研磨至Φ5.5mm光棒，制得光棒棒坯。
7.根据权利要求1所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤对所述光棒棒坯进行真空热处理中，采用真空热处理炉对光棒棒坯进行真空热处理。
8.根据权利要求7所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤对所述光棒棒坯进行真空热处理包括：
将光棒棒坯置于真空热处理炉的V型槽内；
真空热处理炉的炉腔内温度加热至550-650℃，保温2-4h；
保温结束后，光棒棒坯随炉冷却至100℃以下出炉，并静置至室温，以完成对光棒棒坯的真空热处理过程。
9.根据权利要求1所述的高强度脊柱棒的制备方法，其特征在于，步骤对真空热处理后的光棒棒坯进行进行抛光，制得高强度脊柱棒中，高强度脊柱棒的直径为Φ5.5mm。
10.一种高强度脊柱棒，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的高强度脊柱棒的制备方法制得。
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