CZ305703B6 - Výroba nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu dvoustupňovým mechanickým legováním - Google Patents
Výroba nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu dvoustupňovým mechanickým legováním Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305703B6 CZ305703B6 CZ2014-766A CZ2014766A CZ305703B6 CZ 305703 B6 CZ305703 B6 CZ 305703B6 CZ 2014766 A CZ2014766 A CZ 2014766A CZ 305703 B6 CZ305703 B6 CZ 305703B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- production
- grinding
- mechanical alloying
- powders
- stage
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 20
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 5
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 3
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 2
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 2
- 229910017827 Cu—Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000012824 chemical production Methods 0.000 description 1
- UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N chromium carbide Chemical compound [Cr]#C[Cr]C#[Cr] UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 239000012611 container material Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000000546 pharmaceutical excipient Substances 0.000 description 1
- 239000013079 quasicrystal Substances 0.000 description 1
- 238000007712 rapid solidification Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000003856 thermoforming Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003470 tongbaite Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
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 (1)
- PATENTOVÉ NÁROKY5 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-766A CZ2014766A3 (cs) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | Výroba nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu dvoustupňovým mechanickým legováním |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-766A CZ2014766A3 (cs) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | Výroba nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu dvoustupňovým mechanickým legováním |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ305703B6 true CZ305703B6 (cs) | 2016-02-10 |
| CZ2014766A3 CZ2014766A3 (cs) | 2016-02-10 |
Family
ID=55311033
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2014-766A CZ2014766A3 (cs) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | Výroba nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu dvoustupňovým mechanickým legováním |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2014766A3 (cs) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ309706B6 (cs) * | 2021-09-24 | 2023-08-09 | Vysoká škola chemicko-technologická v Praze | Nanokrystalický kompozit slitin CoCrFeNiMn a CoCrFeNiNb s vysokou pevností a tvárností a jeho příprava |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE6943845U (de) * | 1968-11-22 | 1971-09-30 | Raytheon Co | Dauermagnet. |
| US4300947A (en) * | 1979-11-05 | 1981-11-17 | General Electric Company | Mechanically alloyed powder process |
| EP0203311A1 (de) * | 1985-05-24 | 1986-12-03 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit verbesserten, isotropen Eigenschaften |
| US5112388A (en) * | 1989-08-22 | 1992-05-12 | Hydro-Quebec | Process for making nanocrystalline metallic alloy powders by high energy mechanical alloying |
| US5395422A (en) * | 1989-08-22 | 1995-03-07 | Hydro-Quebec | Process of preparing nanocrystalline powders of an electroactive alloy |
| EP1032940A1 (de) * | 1997-11-20 | 2000-09-06 | Institut für Festkörper- und Werkstofforschung Dresden e.V. | Verfahren zur herstellung eines magnetlegierungspulvers |
| CZ304422B6 (cs) * | 2001-03-29 | 2014-04-30 | Plansee Tizit Aktiengesellschaft | Způsob výroby žáruvzdorné formulace na bázi tvrdého kovu |
-
2014
- 2014-11-07 CZ CZ2014-766A patent/CZ2014766A3/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE6943845U (de) * | 1968-11-22 | 1971-09-30 | Raytheon Co | Dauermagnet. |
| US4300947A (en) * | 1979-11-05 | 1981-11-17 | General Electric Company | Mechanically alloyed powder process |
| EP0203311A1 (de) * | 1985-05-24 | 1986-12-03 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit verbesserten, isotropen Eigenschaften |
| US5112388A (en) * | 1989-08-22 | 1992-05-12 | Hydro-Quebec | Process for making nanocrystalline metallic alloy powders by high energy mechanical alloying |
| US5395422A (en) * | 1989-08-22 | 1995-03-07 | Hydro-Quebec | Process of preparing nanocrystalline powders of an electroactive alloy |
| EP1032940A1 (de) * | 1997-11-20 | 2000-09-06 | Institut für Festkörper- und Werkstofforschung Dresden e.V. | Verfahren zur herstellung eines magnetlegierungspulvers |
| CZ304422B6 (cs) * | 2001-03-29 | 2014-04-30 | Plansee Tizit Aktiengesellschaft | Způsob výroby žáruvzdorné formulace na bázi tvrdého kovu |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| (Nanostructured WC/Co composite powder prepared by high energy ball milling; F. L. Zhang, C. Y. Wang, M. Zhu; Scripta Materialia; Vol 29, Issue 11; http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646203005153) prosinec 2003 * |
| (Parameters optimization in the planetary ball milling of nanostructured tungsten carbide/cobalt powder; F. L. Zhang, M. Zhu, C. Y. Wang; International Journal of Refractory Metals & Hard Materials; Vol. 26, Issue 4; http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263436807000674) cervenec 2008 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ309706B6 (cs) * | 2021-09-24 | 2023-08-09 | Vysoká škola chemicko-technologická v Praze | Nanokrystalický kompozit slitin CoCrFeNiMn a CoCrFeNiNb s vysokou pevností a tvárností a jeho příprava |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2014766A3 (cs) | 2016-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Amherd Hidalgo et al. | Powder metallurgy strategies to improve properties and processing of titanium alloys: A review | |
| JP5855565B2 (ja) | セラミックスを含有したチタン合金混合粉、これを用いた緻密化されたチタン合金材およびその製造方法 | |
| Nouri et al. | Effect of process control agent on the porous structure and mechanical properties of a biomedical Ti–Sn–Nb alloy produced by powder metallurgy | |
| WO2011152553A1 (ja) | 銅粉、クロム粉または鉄粉を配合したチタン合金複合粉、これを原料としたチタン合金材及びその製造方法 | |
| Robertson et al. | Review of densification of titanium based powder systems in press and sinter processing | |
| WO2015111361A1 (ja) | 窒素固溶チタン粉末材料、チタン素材及び窒素固溶チタン粉末材料の製造方法 | |
| WO2015105024A1 (ja) | チタン粉末材料、チタン素材及び酸素固溶チタン粉末材料の製造方法 | |
| Ota et al. | Harmonic structure design and mechanical properties of pure ni compact | |
| US20220080501A1 (en) | Oxygen solid solution titanium material sintered compact and method for producing same | |
| Božić et al. | Synthesis and properties of a Cu–Ti–TiB2 composite hardened by multiple mechanisms | |
| JP2014019945A (ja) | チタン合金及びその製造方法 | |
| Qian et al. | Sintering of titanium and its alloys | |
| Cai et al. | Optimized mechanical properties of titanium-oxygen alloys by powder metallurgy | |
| Butler et al. | Production of nitinol wire from elemental nickel and titanium powders through spark plasma sintering and extrusion | |
| Alshammari et al. | Behaviour of novel low-cost blended elemental Ti–5Fe-xAl alloys fabricated via powder metallurgy | |
| CZ305703B6 (cs) | Výroba nanostrukturovaných prášků slitin kobaltu dvoustupňovým mechanickým legováním | |
| RU2492256C9 (ru) | Наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана и способ его получения | |
| Bolzoni et al. | Modification of sintered titanium alloys by hot isostatic pressing | |
| JP2019516021A (ja) | チタンまたはチタン合金にて構成される部材の粉末冶金を用いた製造方法 | |
| Rudianto et al. | Mechanical properties of sintered of Al-5.5 Zn-2.5 Mg-0.5 Cu PM alloy | |
| WO2017077923A1 (ja) | 窒素固溶チタン焼結体およびその製造方法 | |
| JP6800482B2 (ja) | マグネシウム合金の製造方法 | |
| Gupta et al. | Consolidation of High-Energy Ball Milled Nanocrystalline Al Powders | |
| Nur Hawadah et al. | Formation of titanium carbide reinforced copper matrix composite by in situ processing | |
| Walker | Current-Activated Reactive Synthesis and Electro-Combustion Forging of Nickel-Based Intermetallic Composites |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20231107 |