CZ305703B6

CZ305703B6 - Výroba nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu dvoustupňovým mechanickým legováním

Info

Publication number: CZ305703B6
Application number: CZ2014-766A
Authority: CZ
Inventors: Pavel Novák
Original assignee: Vysoká škola chemicko- technologická v Praze
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-02-10
Also published as: CZ2014766A3

Abstract

Způsob výroby prášků slitin kobaltu pro výrobu lékařských implantátů využívající dvoustupňového mechanického legování. Prášky je možné zkompaktizovat a produkt následně využít k výrobě lékařských implantátů.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká výroby nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu pro lékařské aplikace. Prášky je možné zkompaktizovat a produkt následně využít k výrobě lékařských implantátů. Tyto slitiny se vyznačují relativně dobrou biokompatibilitou, výbornou korozní odolností a vysokou pevností a otěruvzdomostí. Z těchto důvodů se využívají jako náhrady velkých kloubů nebo dentální implantáty.

Dosavadní stav techniky

Kobaltové slitiny pro lékařské aplikace jsou obvykle vyráběny klasickou tavnou metalurgií s využitím technologie přesného lití (patent US20140060707A1) nebo tvářením za tepla (US7520947B2). Na rozdíl od výše uvedených běžných technologií se v poslední době stále častěji uplatňují technologie práškové metalurgie. Z těchto postupů jsou dosud velmi detailně vyřešeny postupy výroby prášku čistého kobaltu chemickými postupy (např. US4233063, US4705559, US4710348, US4774052, US6258719, US4915903). Patentem je rovněž chráněno několik postupů výroby legovaných nebo kompozitních prášků na bázi titanu chemickými postupy (US4842641, US4684401, US3920410). Patentovány jsou rovněž postupy konvenční práškové metalurgie, kdy jsou smíchány prášky čistých kovů a následně jsou sintrovány, při čemž dojde ke spojení částic prášku a zároveň ke vzniku požadovaných fází. Mechanické vlastnosti takto získaných materiálů však zpravidla nebývají lepší než u produktů tavné metalurgie a zároveň vykazují významnou zbytkovou pórovitost.

Podstatně lepších mechanických vlastností je možné dosáhnout použitím prášků s velmi jemnou vnitřní strukturou. Takovéto prášky je možné vyrobit rychlým tuhnutím taveniny nebo vysoce energetickým mletím - tzv. mechanickým legováním. Třístupňové mechanické legování v attritorovém typu mlýna s použitím lubrikačního činidla a atmosféricky aktivního prvku (např. hliníku) je předmětem patentu US4300947. Lubrikační činidlo při nezbytných dlouhých dobách procesu (obvykle 10 až 30 h) omezuje kontaminaci prášku materiálem nádoby, protože snižuje tření. Zároveň však značně snižuje účinnost mletí, jak ukazují výsledky našeho výzkumu (P. Novák et al: Powder metallurgy preparation of Al-Cu-Fe quasicrystals using mechanical alloying and Spark Plasma Sintering, Intermetallics 52 (2014) 131-137). Jako proces zkracující nutnou dobu mechanického legování a dosahující vyšší homogenity produktu je uváděn postup využívající intenzivního válcování částic prášku (US5688303) namísto mletí v kulovém mlýně. Zařízení pro tento proces však nejsou komerčně dostupná a v literatuře nejsou žádná data o úspěšném využití této metody. V případě kobaltových slitin je mechanické legování zmiňováno u slitin CoCrlO (S. Louidi, F. Z. Bentayeb, W. Tebib, J. J. Suflol, L. Escoda, A. M. Mercier, Formation study of nanostructured Crl00-xCox (x=10, 90) alloy, Journal of Alloys and Compounds, 536 (2012) S365-S369) a CoCr20 (S. Louidi, F. Z. Bentayeb, J. J. Suňol, L. Escoda, Formation study of the ball-milled Cr20Co80 alloy, Journal of Alloys and Compounds, 493 (2010) 110-115). Bylo využito mletí v kulových mlýnech, přičemž doba mechanického legování se pohybovala v rozsahu 3 až 20 h. V těchto citovaných zdrojích z oblasti základního výzkumu nepadlo žádné doporučení na technologické parametry mechanického legování u kobaltových slitin.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je způsob výroby prášků slitin kobaltu. Výroba spočívá ve využití dvoustupňového mechanického legování v kulovém mlýnu, zahrnujícího homogenizační a legovací stu- I CZ 305703 B6 peň. V prvním homogenizačním stupni se mletím při nižší rychlosti otáčení mlecí nádoby (100 až 200 otáček/min) provede homogenizace práškové směsi. Následně v druhém legovacím stupni proběhne krátkodobé vysoce energetické mletí při 500 až 700 otáčkách/min, při kterém dojde ke vzniku homogenního nanostrukturovaného prášku slitiny kobaltu. Mletí probíhá v inertní atmosféře bez otevření nádoby mezi prvním a druhým stupněm procesu. Proces je podstatně méně energeticky i časově náročný a produkuje homogennější prášek než běžné postupy mechanického legování. Produktem je prášek o průměrné velikosti zrna cca 10 nm. Krátká doba druhého stupně přispěje ke snížení kontaminace prášku materiálem součástí mlecí nádoby oproti dosavadním postupům. Není nutné přidávat žádné pomocné látky ani upravovat složení připravovaného materiálu přídavkem aktivní složky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude v dalším textu blíže popsán s pomocí konkrétního příkladu, který je pouze ilustrativní a neomezuje nijak rozsah vynálezu.

Nanostrukturovaný prášek slitiny CoCr28Mo6C0,25 (v hmotnostních %) byl vyroben následujícím postupem dvoustupňového mechanického legování:

1. Homogenizační stupeň při rychlosti otáčení mlecí nádoby 200 otáček za minutu; doba trvání 60 min; poměr hmotnosti mlecích koulí k hmotnosti vsázky cca 70:1. Před procesem byla mlecí nádoba naplněna argonem o mírném přetlaku (1,5 bar).

2. Legovací stupeň při rychlosti otáčení mlecí nádoby 600 otáček za minutu, doba trvání 15 min, poměr hmotnosti mlecích koulí k hmotnosti vsázky cca 70:1. Mlecí nádoba nebyla mezi homogenizačním a legovacím stupněm otevírána.

Produktem jsou částice prášku nepravidelného tvaru o průměrné velikosti 80 pm. Podle výsledků RTG difrakční analýzy (XRD) jsou částice tvořeny směsí tuhého roztoku legujících prvků v kobaltu o krystalové struktuře kubické plošně centrované a karbidu chrómu. Fázové složení odpovídá komerčně používané lité slitině stejného chemického složení. Průměrná velikost zrna stanovená metodou XRD byla 15 nm.

Získaný prášek byl zkompaktizován metodou Spark Plasma Sintering (SPS). Průměrná velikost zrna stanovená pomocí XRD je 80 nm. Výsledná ultrajemnozmná struktura vedla k dosažení více než dvojnásobné meze kluzu (2026 MPa) oproti konvenční technologii zpracování odléváním (717 MPa).

Průmyslová využitelnost

Výrobu prášku lze realizovat v běžných kulových mlýnech. Výchozí suroviny (prášek kobaltu, prášky legujících prvků) jsou běžně komerčně dostupné. Výhodou je, že pro proces není zapotřebí zázemí pro chemickou výrobu ani použití vysokých teplot. Prášky je možné následně zkompaktizovat dostupnými technologiemi, např. lisováním a slinováním, lisováním za tepla, izostatickým lisováním za tepla, „Spark Plasma Sintering“, a kompaktní materiál použít při výrobě lékařských implantátů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

5 1. Způsob výroby prášků slitin kobaltu mechanickým legováním, vyznačující se tím, že probíhá v inertní atmosféře inertního plynu bez přídavku kapalného činidla ve dvou stupních, a to:

v 1. stupni: homogenizace směsi kovových prášků, kobaltu a legujících prvků, promícháváním io mletím ve vhodném mlecím zařízení při rychlosti otáčení mlecí nádoby 100 až 200 otáček/min po dobu 30 až 360 mm; a ve 2. stupni: intenzivní krátkodobé mechanické legování mletím při rychlosti otáčení mlecí nádoby 500 až 700 otáček/min po dobu 10 až 60 min, bez otevírání mlecí nádoby mezi dvěma stupni.