PL236432B1 - Sposób wytwarzania kompozytów magnezowych z pianami węglowymi - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania kompozytów magnezowych z pianami węglowymi polega na tym, że otwartokomórkowe piany węglowe amorficzne zawierające pory o średnicy 250 - 1200 µm umieszcza się w formie, korzystnie grafitowej, a następnie wypełnia ziarnami proszku czystego technicznie magnezu lub jego stopów odlewniczych średnicy nie większej niż 300 µm i mniejszej niż 35% średnicy otworów komórki piany i zagęszcza na sucho, poddając drganiom pionowo - skrętnym o częstotliwości 50 Hz w kilku cyklach, korzystnie trzech uzupełniając proszek magnezu tak, aby po zakończeniu zagęszczania na górnej powierzchni kształtki pozostał naddatek, korzystnie warstwa proszku o grubości nie mniejszej niż 20% jej wysokości, po czym całość ogrzewa się w próżni lub atmosferze ochronnej do stopienia metalu, prasuje i chłodzi pod obciążeniem.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku sposób wytwarzania kompozytów magnezowych z pianami węglowymi jest nowy materiał na bazie magnezu o lepszym zespole parametrów użytkowych niż konwencjonalne konstrukcyjne stopy magnezu, w tym używane jako biomateriały.

Z polskich opisów patentowych PL226651 i PL222748 znane są rozwiązania poprawiające właściwości materiałów na bazie magnezu poprzez użycie ich, jako osnowy w kompozytach ze wzmocnieniem węglowym w postaci cząstek lub włókien krótkich, a z literatury w postaci preform włóknistych (W. Hufenbach, M. Andrich, A. Langkamp, A. Czulak “Fabrication technology and material characterization of carbon fibre reinforced magnesium” Journal of Materials Processing Technology 175 (2006) 218-224). Otrzymanie wyrobu z cząstkami lub włóknami krótkimi wymaga najpierw wytworzenia zawiesiny ciekły metal-węgiel, a następnie jej odlania grawitacyjnego lub ciśnieniowego, podczas których mogą wystąpić makrosegregacja i mikrosegregacja faz zbrojących, będące efektem oddziaływań fizykochemicznych, a udział objętościowy faz wzmacniających jest ograniczony. Użycie włóknistych preform węglowych wymaga poddania ich infiltracji ciekłym metalem, podczas której możliwe jest przemieszczanie się włókien i tylko częściowe ich zwilżenie.

Zgodnie z proponowanym rozwiązaniem materiałowym rozmieszczenie fazy węglowej w produkcie finalnym ustalone zostaje na wstępie, na podstawie doboru geometrii piany węglowej, tj. wielkości jej komórek i występujących w ich ściankach regularnych nieciągłości tzw. okien, przez które dostarczany jest metal. Piana z węgla szklistego-amorficznego charakteryzującego się mniejszą gęstością od magnezu zwiększy sztywność elementu magnezowego, zdolność do tłumienia drgań oraz zużycie w warunkach tarcia suchego, poprawiając jego właściwości w dotychczasowych aplikacjach. Korozja elektrochemiczna w takim materiale będzie przebiegać selektywnie - najpierw będzie ulegał jej mniej odporny magnez, a szkielet z węgla szklistego będzie stabilny. Oznacza to, że w przypadku kontaktu takiego kompozytu węglowo-magnezowego z tkankami i płynami fizjologicznymi magnez będzie resorbowany przez organizm, piana węglowa stanowić będzie stabilne rusztowanie dla namnażających się komórek, np. kości, wrastających w jej pory, by w dłuższym czasie również ulec wchłonięciu przez organizm. Taka koncepcja biomateriału na bazie magnezu zawierającego szkieletowy komponent o wysokiej odporności korozyjnej jest dotychczas znana z zastosowaniem tytanu, w odniesieniu do którego sterowanie geometrią ciągłego szkieletu jest zdecydowanie trudniejsze jak i możliwa jest negatywna reakcja organizmu nazywana metalozą.

Celem wynalazku jest poprawa parametrów użytkowych konwencjonalnych wyrobów z magnezu lub jego stopów poprzez zwiększenie ich sztywności, zmniejszenie zużycia ściernego i ustabilizowanie współczynnika tarcia suchego oraz/lub uzyskanie biomateriału na implanty selektywnie resorbowalne.

Cel ten osiągnięto wytwarzając kompozyt piana węglowa-magnez, w którym obecność szkieletu z węgla szklistego o geometrii zdefiniowanej przed konsolidacją z metalem zwiększa sztywność i poprawia właściwości tribologiczne dzięki powstawaniu lubrykantu węglowego w warunkach tarcia suchego. W przypadku kontaktu z płynami ustrojowymi najpierw ulega korozji magnez i proces ten dzięki jego otoczeniu przez ścianki komórek węgla szklistego jest spowolniony w porównaniu z litym stopem, a powstające po magnezie ubytki w kompozycie stanowią miejsce dla odbudowujących się komórek organizmu. Szkielet węglowy będąc materiałem biozgodnym ulegnie przerostowi tkanką, a po dłuższym czasie zostanie wchłonięty przez organizm.

Sposób według wynalazku polega na tym, że otwartokomórkowe piany węglowe amorficzne zawierające pory o średnicy 250-1200 pm umieszcza się w formie, korzystnie grafitowej, a następnie wypełnia ziarnami proszku czystego technicznie magnezu o średnicy nie większej niż 300 pm i mniejszej niż 35% średnicy otworów komórki piany i zagęszcza na sucho, poddając drganiom pionowo-skrętnym o częstotliwości 50Hz w kilku cyklach, korzystnie trzech uzupełniając proszek magnezu tak, aby po zakończeniu zagęszczania na górnej powierzchni kształtki pozostał naddatek, korzystnie warstwa proszku o grubości nie mniejszej niż 20% jej wysokości, po czym całość ogrzewa się w próżni lub atmosferze ochronnej do stopienia metalu, prasuje po osiągnięciu temperatury nie większej od 680°C dla czystego magnezu, a dla stopu magnezu w temperaturze do 30°C większej od jego temperatury likwidus, pod ciśnieniem nie większym niż 5 MPa i chłodzi pod obciążeniem.

Korzystnie ziarna proszku czystego magnezu lub jego stopów odlewniczych mają kształt graniasty lub kulisty.

Korzystnie w dolnej części otrzymanego wyrobu w komórkach węgla amorficznego wypełnionego magnezem powstaje wąska strefa wzbogacona w zdyspergowany MgO.

PL 236 432 B1

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość użycia surowca metalicznego w postaci proszku oraz zaprojektowania rozmieszczenia fazy węglowej w osnowie magnezowej na etapie wytwarzania pian węglowych, co wynika z możliwości doboru wielkości komórek, grubości ich ścianek i wielkości występujących w nich okien oraz stabilności termicznej węgla szklistego podczas konsolidacji z magnezem.

Sposób według wynalazku objaśniono w poniższym przykładzie wykonania.

W pojemniku o geometrii zbliżonej do wyrobu finalnego korzystnie grafitowym, umieszcza się kształtkę z otwartokomórkowej piany węglowej amorficznej w postaci porowatego szkieletu - piany o porowatości 80 ppi (liczba porów na cal długości), a następnie zasypuje się granulami proszku czystego technicznie magnezu o średnicy mniejszej, niż 150 μm. Pojemnik, poddaje się wibracji o częstotliwości 50 Hz w trzech cyklach 10 min, 5 min i 5 min z rosnącą amplitudą, dzięki drganiom pionowo-skrętnym proszek magnezu przemieszcza się wypełniając całą objętość piany, po każdym cyklu uzupełniając proszek magnezu tak, aby po zakończeniu zagęszczania na górnej powierzchni otwartokomórkowej kształtki węglowej pozostał naddatek, korzystnie warstwa proszku o grubości 20% jej wysokości. Pojemnik zawierający proszek magnezu zagęszczony w pianie węglowej, umieszcza się w prasie, ogrzewa w próżni do temperatury 680°C, poddaje osiowemu prasowaniu pod ciśnieniem 5 MPa i chłodzi pod obciążeniem. Otrzymuje się element kompozytowy o porowatości otwartej ok, 3% z osnową magnezową dobrze połączoną z komponentem węglowym w postaci sztywnego szkieletu. Podczas przemieszczania się proszku magnezu w wyniku tarcia pomiędzy jego ziarnami oraz o krawędzie okien piany następuje mikroskrawanie i tworzą się zdyspergowane płatkowe cząstki MgO, migrujące do dolnej części piany, których obecność w osnowie magnezowej przyspieszy reakcję z płynami ustrojowymi Strefa ta o grubości kilkudziesięciu mikrometrów w zależności od potrzeb może być zachowana, bądź usunięta.

Otrzymany wyrób lub materiał przeznaczony jest na selektywnie biodegradowalne wszczepy chirurgiczne lub lekkie elementy konstrukcyjne o podwyższonej sztywności, zdolności do tłumienia drgań i odporności na zużycie w warunkach tarcia suchego w porównaniu z konwencjonalnymi stopami magnezu.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania kompozytów magnezowych z pianami węglowymi znamienny tym, że otwartokomórkowe piany węglowe amorficzne zawierające pory o średnicy 250-1200 μm umieszcza się w formie, korzystnie grafitowej, a następnie wypełnia ziarnami proszku czystego technicznie magnezu o średnicy nie większej niż 300 μm i mniejszej niż 35% średnicy otworów komórki piany i zagęszcza na sucho, poddając drganiom pionowo-skrętnym o częstotliwości 50 Hz w kilku cyklach, korzystnie trzech uzupełniając proszek magnezu tak, aby po zakończeniu zagęszczania na górnej powierzchni kształtki pozostał naddatek, korzystnie warstwa proszku o grubości nie mniejszej niż 20% jej wysokości, po czym całość ogrzewa się w próżni łub atmosferze ochronnej do stopienia metalu, prasuje po osiągnięciu temperatury nie większej od 680°C dla czystego magnezu, a dla stopu magnezu w temperaturze do 30°C większej od jego temperatury likwidus, pod ciśnieniem nie większym niż 5 MPa i chłodzi pod obciążeniem.
2. 2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że ziarna proszku czystego magnezu lub jego stopów odlewniczych mają kształt graniasty lub kulisty.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że w dolnej części otrzymanego wyrobu w komórkach węgla amorficznego wypełnionego magnezem powstaje wąska strefa wzbogacona w dyspergowany MgO.