RU2562591C1 - Method of manufacture of long-length metal bars with nanocrystal structure for medical products (versions) - Google Patents
Method of manufacture of long-length metal bars with nanocrystal structure for medical products (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2562591C1 RU2562591C1 RU2014116586/02A RU2014116586A RU2562591C1 RU 2562591 C1 RU2562591 C1 RU 2562591C1 RU 2014116586/02 A RU2014116586/02 A RU 2014116586/02A RU 2014116586 A RU2014116586 A RU 2014116586A RU 2562591 C1 RU2562591 C1 RU 2562591C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- workpiece
- ecap
- fracture
- stage
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Группа изобретений (вариантов) относится к технологии интенсивного пластического деформирования заготовок, выполненных из наноструктурных цветных металлов или сплавов с улучшенными механическими свойствами и биомедицинскими свойствами, в частности титана и цирконий-ниобиевого сплава на основе циркония, при получении из них длинномерных прутков для медицинских имплантатов, применяемых в хирургии, ортопедии, травматологии и стоматологии.The group of inventions (options) relates to the technology of intensive plastic deformation of workpieces made of nanostructured non-ferrous metals or alloys with improved mechanical properties and biomedical properties, in particular titanium and zirconium-niobium alloys based on zirconium, upon receipt of long bars for medical implants from them, used in surgery, orthopedics, traumatology and dentistry.
Титан, цирконий и ниобий по характеру взаимодействия продуктов коррозии с биологическими тканями входят в группу биосовместимых (инертных) металлов, включающую титан, цирконий, ниобий, тантал, платина и другие (см. описание изобретения «Сплав на основе титана» по патенту РФ №2479657, С22С 14/00, 2013). Цирконий обладает несколько большей, чем у титана, коррозионной стойкостью (почти во всех активных средах). Технологические способы получения циркония обеспечивают чистоту материала выше, чем у титана, но у титана - более высокие прочностные и пластические характеристики, чем у циркония, твердость которого увеличивается в цирконий-ниобиевом сплаве на основе циркония в результате введения ниобия.According to the nature of the interaction of corrosion products with biological tissues, titanium, zirconium and niobium are included in the group of biocompatible (inert) metals, including titanium, zirconium, niobium, tantalum, platinum and others (see the description of the invention “Alloy based on titanium” according to RF patent No. 2479657 , C22C 14/00, 2013). Zirconium has a slightly higher corrosion resistance than titanium (in almost all active media). Technological methods for producing zirconium ensure a higher purity of material than titanium, but titanium has higher strength and plastic characteristics than zirconium, whose hardness increases in zirconium-niobium alloy based on zirconium as a result of the introduction of niobium.
Биосовместимость титана, циркония и ниобия, а также требование обеспечения сочетания высоких прочности и пластичности материала протеза без задачи увеличения прочности до большой величины за счет целевого легирования и интенсивной пластической деформации, как, например до величины σВ=1510 МПа (при δ=10%) в предварительно закаленном сплаве Ti15Mo5Zr3Al для машиностроения в результате равноканального углового прессования (РКУП) при 600°C по патенту РФ №2478130, C22C 14/00, C22F 1/18, B82B 3/00, 2013 (т.к. несоответствие прочности и упругости материала протеза и кости приводит к изменению напряжения скелета, резорбции имплантата и выходу его из строя) обосновывают выбор в качестве перспективного материала трансплантатов титана повышенной чистоты и цирконий-ниобиевого сплава Э125 (по мнению заявителя, а также авторов Безгиной Е.В. и др. статьи «Цирконий и титан» в журнале Институт стоматологии, 2001, №3(12), с. 50-54 - сайт в Интернет: http://www.divadent.ru/docs/Zr Ti%202002-7.pdf).The biocompatibility of titanium, zirconium and niobium, as well as the requirement to provide a combination of high strength and ductility of the prosthesis material without the task of increasing strength to a large value due to targeted alloying and intense plastic deformation, such as up to σ B = 1510 MPa (at δ = 10% ) in a pre-hardened Ti15Mo5Zr3Al alloy for mechanical engineering as a result of equal-channel angular pressing (ECAP) at 600 ° C according to RF patent No. 2478130, C22C 14/00, C22F 1/18, B82B 3/00, 2013 (since the strength and the elasticity of the material of the prosthesis and bone n leads to a change in the voltage of the skeleton, the resorption of the implant and its failure) justify the choice of promising material for transplants of high purity titanium and zirconium-niobium alloy E125 (according to the applicant, as well as the authors Bezginoy E.V. and other articles “Zirconium and titanium ”in the journal Institute of Dentistry, 2001, No. 3 (12), pp. 50-54 - Internet site: http://www.divadent.ru/docs/Zr Ti% 202002-7.pdf).
Патентная информация и публикации подтверждают указанную выше тенденцию, отраженную в таблице 1, характеризующей уровень техники в рамках настоящей заявки без выхода на менее эффективные с точки зрения биосовместимости легированные титановые сплавы (например, на сплав Ti6Al4V для медицины с σВ=940 МПа и δ=16% после деформирования в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах и экструдирования с закалкой и высокотемпературным старением заготовки перед ее деформированием в указанных каналах по патенту РФ №2285740, C22F 1/1, B21J 5/00, 2006), т.к. хром, кобальт, никель, ванадий - биологически несовместимые (токсичные); железо, молибден, алюминий - условно биосовместимые: через капсулу из соединительной ткани (см. описание изобретения к указанному патенту РФ №2479657), и получившую осуществление в интенсивной пластической деформации - РКУП и/или иной термомеханической обработки для повышения прочности технически чистого титана ВТ1-0 и сплава Э125.Patent information and publications confirm the above trend, reflected in Table 1, which characterizes the state of the art in the framework of this application without reaching less biologically compatible alloyed titanium alloys (for example, Ti6Al4V alloy for medicine with σ B = 940 MPa and δ = 16% after deformation in intersecting vertical and horizontal channels and extrusion with quenching and high-temperature aging of the workpiece before deformation in these channels according to RF patent No. 2285740, C22F 1/1, B21J 5/00, 2006), because chromium, cobalt, nickel, vanadium - biologically incompatible (toxic); iron, molybdenum, aluminum are conditionally biocompatible: through a capsule of connective tissue (see the description of the invention to the indicated RF patent No. 2479657), which has been subjected to intense plastic deformation - ECAP and / or other thermomechanical treatment to increase the strength of technically pure VT1- titanium 0 and alloy E125.
Основная практическая задача имплантатного материаловедения в отношении биосовместимых технически чистого титана и сплава Э125 (а также Э110) - достижение высокой прочности и высокой пластичности, а также требуемой формуемости, влияющей на стабильность качества выхода годного и его продольно-поперечные размеры.The main practical task of implant materials science in relation to biocompatible technically pure titanium and alloy E125 (as well as E110) is to achieve high strength and high ductility, as well as the required formability, which affects the stability of the yield quality and its longitudinal-transverse dimensions.
Важнейшим фактором решения указанной задачи является эффективность его технологического ресурса.The most important factor in solving this problem is the effectiveness of its technological resource.
При относительно большом количестве аналогов, относящихся к титану, в сравнении с аналогами по сплаву Э125 аналоги в таблице 1 в целом, демонстрируя преимущества комбинированных обработок, характеризуются несоответствующим уровню оптимальности и свидетельствующим о наличии резерва улучшения сочетанием достигаемых механических свойств на выходе (и проявляемой при этом формуемости) и эффективности видов этапных обработок, что обосновывает новизну изложенного ниже технического результата заявляемых изобретений-вариантов.With a relatively large number of analogues related to titanium, in comparison with analogs for alloy E125, the analogues in table 1 as a whole, demonstrating the advantages of combined treatments, are characterized by an inappropriate level of optimality and evidence of an improvement reserve by a combination of the achieved mechanical properties at the output (and manifested in this formability) and the effectiveness of the types of step treatments, which justifies the novelty of the technical result of the claimed invention variants set forth below.
По совпадаемым признакам заявителем выбраны четыре следующих близких заявляемому способу по первому варианту.By coincident signs, the applicant has selected the following four close to the claimed method according to the first embodiment.
Аналог по патенту РФ №2383654 является наиболее близким и представляет собой способ изготовления прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий, представляющий собой интенсивную пластическую деформацию (РКУП) заготовок, выполненных из титана (технически чистого титана Grade-4), при температуре, не превышающей температуру рекристаллизации титана (400°C), и их последующую обработку давлением (прокатку при постепенном понижении температуры от 450°C до 350°C).The analogue according to RF patent No. 2383654 is the closest and represents a method for manufacturing rods with a nanocrystalline structure for medical devices, which is an intensive plastic deformation (ECAP) of workpieces made of titanium (technically pure Grade-4 titanium) at a temperature not exceeding the temperature recrystallization of titanium (400 ° C), and their subsequent pressure treatment (rolling with a gradual decrease in temperature from 450 ° C to 350 ° C).
Недостатками этого способа являются, не смотря на большую длину получаемых прутков (3000 мм), сочетание их завышенной прочности (σВ=1330 МПа) и низкой пластичности (δ=12%) и снижающая технологичность обработки давлением на втором этапе необходимость поддерживать постепенное понижение температуры прокатки от 450°C до 350°C, а также явное ухудшение биосовместимости материала прутков из-за использования технически чистого титана типа CP Grade-4, уступающего по чистоте титану ВТ1-0, который в свою очередь является не самым чистым в группе технически чистых титанов, т.к. к более чистым относится титан ВТ1-00).The disadvantages of this method are, despite the large length of the obtained rods (3000 mm), the combination of their increased strength (σ B = 1330 MPa) and low ductility (δ = 12%) and the need to maintain a gradual decrease in temperature, which reduces the manufacturability of pressure treatment at the second stage rolling from 450 ° C to 350 ° C, as well as a clear deterioration in the biocompatibility of the bar material due to the use of technically pure titanium such as CP Grade-4, inferior in purity to titanium VT1-0, which in turn is not the cleanest in the group are technically pure Titans, because Titanium VT1-00 refers to cleaner ones).
Аналог по патенту РФ №2175685 является более отдаленным в связи с усложненным температурным режимом РКУП (понижении температуры от 450 до 400°C за 8 проходов РКУП) и иной обработкой давлением (прокаткой), хоть и холодной, усложненной двумя отжигами - промежуточным при 350°C и окончательным при 300°C, а также из-за низкой пластичности (δ=10%) и ограниченной длины заготовок (200 мм) на выходе.The analogue according to RF patent No. 2175685 is more distant due to the complicated temperature regime of ECAP (lowering the temperature from 450 to 400 ° C in 8 passes ECAP) and other pressure treatment (rolling), albeit cold, complicated by two anneals - intermediate at 350 ° C and final at 300 ° C, and also because of the low ductility (δ = 10%) and the limited length of the workpieces (200 mm) at the outlet.
Аналог по патенту РФ №2285737 - тоже более отдаленный в связи с иным порядком РКУП при 450°C (на втором этапе) с резким ограничением длины заготовок и недостаточно высокими прочностью (σВ=740 мПа) и пластичностью (δ=15%) на выходе, а также усложненной температурным режимом иной обработкой давлением (изотермической ковкой при температуре 680, 570 и 450°C) на первом этапе и отжигом при 680°C перед указанной ковкой.The analogue according to RF patent No. 2285737 is also more distant due to a different order of ECAP at 450 ° C (in the second stage) with a sharp restriction on the length of the workpieces and insufficiently high strength (σ B = 740 MPa) and ductility (δ = 15%) by output, as well as complicated by the temperature regime by other pressure treatment (isothermal forging at a temperature of 680, 570 and 450 ° C) at the first stage and annealing at 680 ° C before the specified forging.
Аналог по патенту US №4686700 - также отдаленный в связи с усложнением РКУП (ЕСАР) режимом экструзии через суженный выходной канал (ЕСАЕ) и температурным режимом ЕСАЕ (с понижением температуры за 8 проходов от 450 до 400°C), а также из-за иной, хоть и холодной, обработки давлением (прокатки или экструзии) с последующим отжигом при 300°C и низкой пластичностью (δ=12,5%) на выходе.The analogue according to US patent No. 4686700 is also remote due to the complication of ECAP (ECAP) by the extrusion mode through the narrowed output channel (ECAE) and the ECAE temperature regime (with temperature reduction in 8 passes from 450 to 400 ° C), as well as due to another, albeit cold, pressure treatment (rolling or extrusion) followed by annealing at 300 ° C and low ductility (δ = 12.5%) at the outlet.
Аналог второго варианта предлагаемого способа, относящийся к сплаву Э125 (см. в таблице 1 приведенную статью), имеет отдаленный характер в связи с одноэтапностью обработки в виде РКУП, недостаточной как для обеспечения высоких механических свойств (прочности и пластичности), так и для изготовления длинномерных прутков.An analogue of the second variant of the proposed method related to alloy E125 (see table 1 in the cited article) is of a distant nature due to the one-stage processing in the form of ECAP, insufficient to ensure high mechanical properties (strength and ductility), and to manufacture lengthy bars.
В качестве прототипа обоих вариантов предлагаемого способа выбран способ изготовления длинномерных металлических прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий, раскрытый в патенте РФ №2038175, В21В 1/02, 1995.As a prototype of both variants of the proposed method, a method of manufacturing long metal bars with a nanocrystalline structure for medical devices, disclosed in the patent of the Russian Federation No. 2038175, B21B 1/02, 1995, was selected.
Технический результат (одинаковый для обоих предлагаемых способов изготовления прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий) заключается в повышении качества изготавливаемых длинномерных прутков в результате улучшения сочетания прочности и пластичности (обеспечения высокой прочности и повышенной пластичности) материала прутков и его биосовместимости (более высокой в результате снижения содержания нежелательных с точки зрения биосовместимости примесей) за счет повышения эффективности технологии изготовления длинномерных прутков на основе повышения чистоты титана, не менее его 99,5 вес. % содержания, или суммарного процентного содержания циркония и ниобия при содержании ниобия в цирконий-ниобиевом сплаве в интервале 0,9-2,7 вес. % и проведения РКУП и ротационной ковки в соответствии с предлагаемым температурно-скоростным режимом обработки, а также в обеспечении высокостабильного выхода годного после холодной ротационной ковки (без температурных колебаний обработок давлением с нагревом) и актуальном расширении технологического ассортимента интенсивной термомеханической обработки титанового и цирконий-ниобиевого материала заготовок при изготовлении медицинских имплантатов.The technical result (the same for both of the proposed methods for the manufacture of rods with a nanocrystalline structure for medical devices) is to improve the quality of manufactured long rods by improving the combination of strength and ductility (providing high strength and increased ductility) of the material of the rods and its biocompatibility (higher as a result of lowering content of impurities undesirable from the point of view of biocompatibility) by increasing the efficiency of manufacturing technology long rods based on increasing the purity of titanium, not less than its 99.5 weight. % content, or the total percentage of zirconium and niobium when the niobium content in the zirconium-niobium alloy in the range of 0.9-2.7 weight. % and ECAP and rotational forging in accordance with the proposed temperature and speed treatment, as well as ensuring a highly stable yield after cold rotational forging (without temperature fluctuations of pressure treatments with heating) and the actual expansion of the technological range of intensive thermomechanical processing of titanium and zirconium-niobium blank material in the manufacture of medical implants.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе изготовления длинномерных металлических прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий по первому варианту, включающем интенсивную пластическую деформацию заготовки при температуре, не превышающей температуру рекристаллизации материала заготовки, используют заготовки из титана, имеющего чистоту не менее 99,5 вес. %, а интенсивную пластическую деформацию осуществляют в два этапа, причем на первом этапе проводят равноканальное угловое прессование (РКУП) заготовки при общем числе циклов, не менее четырех, и температуре прессования 400-440°C, со скоростью прессования 0,4-1,0 мм/с, с обеспечением формирования в них нанокристаллической структуры со средним размером зерна не более 0,15 мкм, а на втором этапе проводят ротационную ковку заготовки со ступенчатым изменением диаметра и длины при комнатной температуре и скоростью подачи заготовки 10-30 мм/с.To achieve the technical result in the proposed method for the manufacture of long metal bars with a nanocrystalline structure for medical devices according to the first embodiment, including intensive plastic deformation of the workpiece at a temperature not exceeding the temperature of recrystallization of the workpiece material, use workpieces made of titanium having a purity of at least 99.5 weight . %, and intensive plastic deformation is carried out in two stages, and at the first stage equal channel angular pressing (ECAP) of the workpiece is carried out with a total number of cycles of at least four and a pressing temperature of 400-440 ° C, with a pressing speed of 0.4-1, 0 mm / s, ensuring the formation of a nanocrystalline structure in them with an average grain size of not more than 0.15 μm, and at the second stage, the workpiece is rotational forged with a stepwise change in diameter and length at room temperature and a workpiece feed speed of 10-30 mm / s .
В частном случае заготовку выполняют из титана ВТ1-00, который имеет структуру со средним размером зерна 30 мкм, микротвердость 1590 МПа и относительное удлинение до разрушения не менее 100%, измеряемое при 420°C, РКУП заготовки длиной 200 мм проводят при общем числе циклов, равном 4, температуре прессования 420°C и скорости прессования 0,8 мм/с до получения после РКУП микроструктуры заготовки со средним размером зерна 0,15 мкм, микротвердостью 2350 МПа и относительным удлинением до разрушения 15%, измеренным при комнатной температуре, а на втором этапе осуществляют одиннадцатиступенчатую ротационную ковку заготовки при температуре 20°C со скоростью подачи заготовки 20 мм/с до получения прутка длиной 1000 мм с микротвердостью 2750 МПа и относительным удлинением до разрушения 18%, измеренным при комнатной температуре.In the particular case, the preform is made of VT1-00 titanium, which has a structure with an average grain size of 30 μm, a microhardness of 1590 MPa and a relative elongation to fracture of at least 100%, measured at 420 ° C, ECAP of the preform 200 mm long is carried out with a total number of cycles equal to 4, a pressing temperature of 420 ° C and a pressing speed of 0.8 mm / s until the microstructure of the workpiece with an average grain size of 0.15 μm, a microhardness of 2350 MPa and a relative elongation to failure of 15%, measured at room temperature, was obtained after ECAP in the second stage 11-stage rotational forging of the billet is carried out at a temperature of 20 ° C with a billet feed rate of 20 mm / s to obtain a bar 1000 mm long with a microhardness of 2750 MPa and an elongation to fracture of 18%, measured at room temperature.
При этом интенсивной пластической деформации могут подвергать заготовку, полученную литьем с ее последующей термомеханической обработкой и предварительным отжигом в течение 2-4 часов при температуре не ниже температуры рекристаллизации титана, с получением относительного удлинения до разрушения не менее 100%, измеренного при температуре РКУП.In this case, the preform obtained by casting with its subsequent thermomechanical processing and preliminary annealing for 2-4 hours at a temperature not lower than the temperature of recrystallization of titanium can be subjected to intense plastic deformation, with obtaining a relative elongation to fracture of at least 100% measured at the ECAP temperature.
Для достижения технического результата, одинакового с техническим результатом от использования способа по первому варианту, в предлагаемом способе изготовления длинномерных металлических прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий по второму варианту, включающем интенсивную пластическую деформацию заготовки при температуре, не превышающей температуру рекристаллизации материала заготовки, используют заготовку из цирконий-ниобиевого сплава, содержащего ниобий 0,9-2,7 вес. %, а интенсивную пластическую деформацию осуществляют в два этапа, причем на первом этапе проводят РКУП при общем числе циклов, не менее четырех, и температуре прессования 360-400°C, со скоростью прессования 0,4-1,0 мм/с, с обеспечением формирования в них нанокристаллической структуры со средним размером зерна не более 0,15 мкм, а на втором этапе проводят ротационную ковку заготовки со ступенчатым изменением диаметра и длины при комнатной температуре и скоростью подачи заготовки 10-30 мм/с.To achieve a technical result that is the same as the technical result from using the method according to the first embodiment, in the proposed method for manufacturing long metal bars with a nanocrystalline structure for medical devices according to the second embodiment, including intensive plastic deformation of the workpiece at a temperature not exceeding the temperature of recrystallization of the workpiece material, use the workpiece from zirconium-niobium alloy containing niobium 0.9-2.7 weight. %, and intensive plastic deformation is carried out in two stages, and at the first stage ECAP is carried out with a total number of cycles of at least four and a pressing temperature of 360-400 ° C, with a pressing speed of 0.4-1.0 mm / s, s ensuring the formation of a nanocrystalline structure in them with an average grain size of not more than 0.15 μm, and at the second stage, the workpiece is rotationally forged with a stepwise change in diameter and length at room temperature and a workpiece feed rate of 10-30 mm / s.
В частном случае заготовку выполняют из циркониевого сплава Э125, который имеет структуру со средним размером зерна 25 мкм, микротвердость 1380 МПа и относительное удлинение до разрушения не менее 100%, измеряемое при 380°C, РКУП заготовки длиной 200 мм проводят при общем числе циклов, равном 4, температуре прессования 380°C и скорости прессования 0,6 мм/с до получения после РКУП микроструктуры заговки со средним размером зерна 0,12 мкм, микротвердостью 2670 МПа и относительным удлинением до разрушения 8%, измеренного при комнатной температуре, а на втором этапе осуществляют одиннадцатиступенчатую ротационную ковку заготовки при температуре 20°C со скоростью подачи заготовки 20 мм/с до получения прутка длиной 1000 мм с микротвердостью 3300 МПа и относительным удлинением до разрушения 12%, измеренным при комнатной температуре.In a particular case, the workpiece is made of zirconium alloy E125, which has a structure with an average grain size of 25 μm, a microhardness of 1380 MPa and an elongation to fracture of at least 100%, measured at 380 ° C, ECAP of the workpiece 200 mm long is carried out with a total number of cycles, equal to 4, the pressing temperature of 380 ° C and the pressing speed of 0.6 mm / s until the microstructure of the blank is obtained after ECAP with an average grain size of 0.12 μm, a microhardness of 2670 MPa and an elongation to fracture of 8%, measured at room temperature, and second e the tapes carry out eleven-step rotational forging of the workpiece at a temperature of 20 ° C with a feed speed of the workpiece of 20 mm / s to obtain a bar 1000 mm long with a microhardness of 3300 MPa and an elongation to failure of 12%, measured at room temperature.
При этом интенсивной пластической деформации могут подвергать заготовку, полученную литьем с последующей термомеханической обработкой и предварительным отжигом в течение 2-4 часов при температуре не ниже температуры рекристаллизации цирконий-ниобиевого сплава, с получением относительного удлинения до разрушения не менее 100%, измеренного при температуре РКУП.In this case, the workpiece obtained by casting, followed by thermomechanical treatment and preliminary annealing for 2-4 hours at a temperature not lower than the recrystallization temperature of zirconium-niobium alloy can be subjected to intense plastic deformation, with obtaining a relative elongation to fracture of at least 100%, measured at an ECAP temperature .
На фиг. 1 представлены микрокристаллическая структура образца технически чистого титана ВТ1-00 (оптическая металлография) исходной заготовки после отжига перед РКУП (фиг. 1а) в соответствии с заявляемым способом по первому варианту и микрокристаллическая структура образца технически чистого титана ВТ1-00 (растровая электронная микроскопия) длинномерного прутка после равноканального углового прессования отожженной исходной заготовки при общем числе циклов прессования, равном 4, и температуре прессования 420°C со скоростью прессования 0,8 мм/с и одиннадцатиступенчатой ротационной ковки заготовки при температуре 20°C со скоростью подачи 20 мм/с заготовок (фиг. 1б) в соответствии с заявляемым способом по первому варианту; на фиг. 2 - микрокристаллическая структура образца сплава Э125 (растровая электронная микроскопия) исходной заготовки перед отжигом и РКУП (фиг. 2а) в соответствии с заявляемым способом по второму варианту и микрокристаллическая структура образца сплава Э125 (растровая электронная микроскопия) длинномерного прутка после равноканального углового прессования отожженной исходной заготовки при общем числе циклов прессования, равном 4, со скоростью прессования 0,8 мм/с при температуре деформации TРКУП=420°C и одиннадцатиступенчатой ротационной ковки заготовки со скоростью подачи 20 мм/с заготовок при температуре 20°C (фиг. 2б) в соответствии с заявляемым способом по второму варианту.In FIG. 1 shows the microcrystalline structure of a sample of technically pure titanium VT1-00 (optical metallography) of the initial billet after annealing before ECAP (Fig. 1a) in accordance with the inventive method according to the first embodiment and the microcrystalline structure of a sample of technically pure titanium VT1-00 (scanning electron microscopy) long bar after equal-channel angular pressing of the annealed initial billet with a total number of pressing cycles of 4 and a pressing temperature of 420 ° C with a pressing speed of 0.8 mm / s and one overstage rotational forging of the workpiece at a temperature of 20 ° C with a feed speed of 20 mm / s workpieces (Fig. 1b) in accordance with the inventive method according to the first embodiment; in FIG. 2 - microcrystalline structure of a sample of alloy E125 (scanning electron microscopy) of the initial billet before annealing and ECAP (Fig. 2a) in accordance with the inventive method according to the second embodiment and microcrystalline structure of a sample of alloy E125 (scanning electron microscopy) of a long bar after equal-channel angular pressing of the annealed initial workpiece when the total number of pressing cycles, equal to 4, with compression rate of 0.8 mm / s at the deformation temperature T ECAP = 420 ° C and for rotary forging odinnadtsatistupenchatoy otovki at a feed rate of 20 mm / s at a temperature of
Предлагаемый способ изготовления прутков с нанокристаллической структурой для медицинских изделий по обоим вариантам осуществляют следующим образом.The proposed method for the manufacture of rods with a nanocrystalline structure for medical devices according to both options is as follows.
В описываемом примере исходные крупнокристаллические заготовки из титана ВТ1-00 с исходным размером зерна 30 мкм или сплава Э125 с исходным размером зерна 25 мкм (см. фиг. 1а и 2а) длиной 200 мм и поперечными размерами 14×14 мм (указанные размеры одинаковы для обоих вариантов способа изготовления) подвергают отжигу, соответственно при 560 или 520°C, в течение 2 ч, затем четырем циклам РКУП в инструменте с углом пересечения рабочего и выходного каналов 90° на установке для РКУП по маршруту Bс (заготовку перед каждым повторным циклом поворачивают на угол 90° вокруг своей продольной оси) со скоростью деформации, соответственно 0,8 или 0,6 мм/с, и при температуре прессования, соответственно 420 или 380°C, и затем одиннадцатиступенчатой (в бойках с внутренним диаметром: 17,9, 16,0, 14,3, 12,8, 11,5, 10,0, 9,2, 8,2, 7,3, 6,6 и 6,0 мм) ротационной ковке со скоростью подачи заготовки 20 мм/с при комнатной температуре до получения прутков длиной 1000 мм и диаметром 6 мм.In the described example, the initial coarse-grained billets of VT1-00 titanium with an initial grain size of 30 μm or an E125 alloy with an initial grain size of 25 μm (see Figs. 1a and 2a) are 200 mm long and have transverse dimensions of 14 × 14 mm (these dimensions are the same for both variants of the manufacturing method) are subjected to annealing, respectively, at 560 or 520 ° C, for 2 h, then four ECAP cycles in the tool with a working angle and the outlet channels intersection angle of 90 ° in the ECAP installation along route B s (the workpiece before each repeated cycle rotate 90 ° to the circumference of its longitudinal axis) with a strain rate of 0.8 or 0.6 mm / s, respectively, and at a pressing temperature of 420 or 380 ° C, respectively, and then eleven-step (in strikers with an inner diameter of 17.9, 16.0 , 14.3, 12.8, 11.5, 10.0, 9.2, 8.2, 7.3, 6.6 and 6.0 mm) forging with a feed rate of 20 mm / s at room temperature to obtain bars with a length of 1000 mm and a diameter of 6 mm.
При этом в качестве оборудования для проведения РКУП можно использовать гидравлический пресс для объемной штамповки FICEP HF 400L, обеспечивающий высокоскоростную деформацию металлов и сплавов (не менее 60 мм/с при усилии 4000 кН) с использованием принципа гидравлической передачи давления на заготовку, и для проведения ротационной ковки - ротационно-ковочный станок НМР R5-4, обеспечивающий получение заданной скорости вращения вала не менее 300 оборотов в минуту и заданной частоты ковки не менее 2100 ударов в минуту, изготовление осесимметричных изделий, внешний диаметр которых составляет от 5 до 30 мм, и контроль и управление нагревом заготовки в термокамере, интегрированной с установкой, размерами не менее 200×1000×150 мм в диапазоне температур от 100 до 1250°C с точностью ±5°C предварительно и в процессе изготовления изделия.At the same time, FICEP HF 400L hydraulic press for die forging can be used as equipment for ECAP, providing high-speed deformation of metals and alloys (at least 60 mm / s with a force of 4000 kN) using the principle of hydraulic pressure transfer to the workpiece, and for carrying out rotational forging - НМР R5-4 rotary forging machine, providing a given shaft rotation speed of at least 300 revolutions per minute and a given forging frequency of at least 2100 beats per minute, manufacture of axisymmetric products those with an external diameter of 5 to 30 mm and monitoring and controlling the heating of the workpiece in a heat chamber integrated with the unit, with dimensions of at least 200 × 1000 × 150 mm in the temperature range from 100 to 1250 ° C with an accuracy of ± 5 ° C previously and in the manufacturing process.
Причем, длинномерные прутки из титана ВТ1-00 или сплава Э125 на выходе имеют нанокристаллическую микроструктуру со средним размером зерна, соответственно 0,15 и 0,12 мкм (см. фиг. 1б и 2б).Moreover, long rods of VT1-00 titanium or E125 alloy at the outlet have a nanocrystalline microstructure with an average grain size of 0.15 and 0.12 μm, respectively (see Fig. 1b and 2b).
Механические свойства, достигаемые при осуществлении предлагаемых способов (вариантов) представлены в таблицах 2-4.The mechanical properties achieved by the implementation of the proposed methods (options) are presented in tables 2-4.
Данные о механических свойствах получены с использованием стандартных методов механических испытаний с использованием универсальной разрывной машины «Tinus Olsen H25K-S».Data on mechanical properties were obtained using standard mechanical testing methods using the Tinus Olsen H25K-S universal tensile testing machine.
Оптимальные механические свойства титана ВТ1-00 и сплава Э125 после РКУП указаны в таблице 2.The optimal mechanical properties of titanium VT1-00 and alloy E125 after ECAP are shown in table 2.
В таблице 3 приведены примеры осуществления РКУП и ротационной ковки для титана ВТ1-00 и сплава Э125 в пределах предлагаемых температурно-скоростных интервалов ротационной ковки, механические свойства в которых обосновывают выбор этих интервалов.Table 3 shows examples of ECAP and rotational forging for VT1-00 titanium and E125 alloy within the proposed temperature and speed ranges of rotational forging, the mechanical properties of which justify the choice of these intervals.
Микротвердость материала заготовок после РКУП, приведенная в таблице 4 для заявляемых способов по обоим вариантам, подтверждает получение высокой прочности в пределах предлагаемых температурно-скоростных интервалов РКУП.The microhardness of the workpiece material after ECAP, shown in table 4 for the inventive methods for both options, confirms the receipt of high strength within the proposed temperature-speed intervals ECAP.
Выход из них на 10-15% по температурному параметру РКУП в сторону понижения приводил к разрушению материала заготовок (заготовки крошились), а сторону повышения - к увеличению зерна до 1 мкм и выше, а также к преждевременному и нежелательному в производстве износу штампа. Отклонения в обе стороны по скоростному параметру РКУП приводил к уменьшению прочности титана ВТ1-00 и сплава Э125.Exit from them by 10-15% in the ECAP temperature parameter downward led to the destruction of the workpiece material (the workpieces crumbled), and the upward side led to an increase in grain to 1 μm and higher, as well as to premature and undesirable stamp wear. Deviations in both directions by the ECAP speed parameter led to a decrease in the strength of titanium VT1-00 and alloy E125.
По скоростным режимам ротационной ковки ситуация подобна изложенной выше с ограничением верхней скоростной границы возможностями оборудования.Regarding high-speed modes of rotational forging, the situation is similar to that described above with the limitation of the upper speed limit by the capabilities of the equipment.
Предлагаемое процентно-весовое содержание титана и цирконий-ниобиевого сплава определилось технологически достижимыми возможностями отечественной и зарубежной промышленности, располагающей группой технически чистого титана и цирконий-ниобиевого сплава с уменьшенным в соответствии с указанными в самостоятельных пунктах формулы группы заявляемых изобретений (вариантов) содержанием отрицательно влияющих на биосовместимость и пластичность примесей, например титан ВТ1-00 или Grade 1 и сплавы Э110 и Э125, с исключением из допустимых материалов титана ВТ1-0 и Grade 2-4, а также сплавов Э635 и 3ирло (США).The proposed percentage by weight of titanium and zirconium-niobium alloy was determined by the technologically achievable capabilities of domestic and foreign industry, which has a group of technically pure titanium and zirconium-niobium alloy with a reduced content in accordance with the claims specified in the independent clauses of the group of claimed inventions (options) that negatively affect biocompatibility and plasticity of impurities, for example, titanium VT1-00 or Grade 1 and alloys E110 and E125, with the exception of admissible materials in titanium VT1-0 and Grade 2-4, as well as alloys E635 and 3irlo (USA).
Использование сплава Э110 наряду с Э125 соответствует требованиям высоких прочности и пластичности после РКУП и ротационной ковки.The use of alloy E110 along with E125 meets the requirements of high strength and ductility after ECAP and rotational forging.
В результате изложенного создана возможность обеспечения оптимального сочетания механических свойств (высоких прочности и пластичности) титана и цирконий-ниобиевого сплава и эффективной технологии получения из них длинномерных прутков для медицинских имплантатов и одновременного повышения их биосовместимости, позволяющих повысить качество получаемых прутков в соответствии с потребностями медицины.As a result of the above, it was possible to ensure the optimal combination of the mechanical properties (high strength and ductility) of titanium and zirconium-niobium alloy and an effective technology for producing long rods from them for medical implants and at the same time increasing their biocompatibility, which allows improving the quality of the obtained rods in accordance with the needs of medicine.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014116586/02A RU2562591C1 (en) | 2014-04-25 | 2014-04-25 | Method of manufacture of long-length metal bars with nanocrystal structure for medical products (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014116586/02A RU2562591C1 (en) | 2014-04-25 | 2014-04-25 | Method of manufacture of long-length metal bars with nanocrystal structure for medical products (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2562591C1 true RU2562591C1 (en) | 2015-09-10 |
Family
ID=54073721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014116586/02A RU2562591C1 (en) | 2014-04-25 | 2014-04-25 | Method of manufacture of long-length metal bars with nanocrystal structure for medical products (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2562591C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107974567A (en) * | 2018-01-30 | 2018-05-01 | 山东建筑大学 | A kind of preparation process and method of controllable medical degraded magnesium alloy |
| RU2692003C1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-06-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method of producing rods from superplastic alloys of titanium-zirconium-niobium system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2038175C1 (en) * | 1993-04-16 | 1995-06-27 | Сергей Павлович Галкин | Alloyed metals and alloys rods production method |
| RU2159162C2 (en) * | 1998-10-01 | 2000-11-20 | Институт проблем сверхпластичности металлов РАН | Method for working blanks of metals and alloys |
| US6399215B1 (en) * | 2000-03-28 | 2002-06-04 | The Regents Of The University Of California | Ultrafine-grained titanium for medical implants |
| RU2383654C1 (en) * | 2008-10-22 | 2010-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Nano-structural technically pure titanium for bio-medicine and method of producing wire out of it |
| CN103343303A (en) * | 2013-07-09 | 2013-10-09 | 东北大学 | Method for preparing fine crystal metal materials through equal-channel angular pressing |
-
2014
- 2014-04-25 RU RU2014116586/02A patent/RU2562591C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2038175C1 (en) * | 1993-04-16 | 1995-06-27 | Сергей Павлович Галкин | Alloyed metals and alloys rods production method |
| RU2159162C2 (en) * | 1998-10-01 | 2000-11-20 | Институт проблем сверхпластичности металлов РАН | Method for working blanks of metals and alloys |
| US6399215B1 (en) * | 2000-03-28 | 2002-06-04 | The Regents Of The University Of California | Ultrafine-grained titanium for medical implants |
| RU2383654C1 (en) * | 2008-10-22 | 2010-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Nano-structural technically pure titanium for bio-medicine and method of producing wire out of it |
| CN103343303A (en) * | 2013-07-09 | 2013-10-09 | 东北大学 | Method for preparing fine crystal metal materials through equal-channel angular pressing |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107974567A (en) * | 2018-01-30 | 2018-05-01 | 山东建筑大学 | A kind of preparation process and method of controllable medical degraded magnesium alloy |
| RU2692003C1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-06-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method of producing rods from superplastic alloys of titanium-zirconium-niobium system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2019222883B2 (en) | Thermo-mechanical processing of nickel-titanium alloys | |
| JP5536789B2 (en) | Nano-organized pure titanium for biomedical medicine and rod production method using it | |
| US6399215B1 (en) | Ultrafine-grained titanium for medical implants | |
| CA2907174C (en) | Nanostructured titanium alloy and method for thermomechanically processing the same | |
| Sharkeev et al. | Microstructure and mechanical properties of nanostructured and ultrafine-grained titanium and the zirconium formed by the method of severe plastic deformation | |
| Polyakov et al. | Recent advances in processing and application of nanostructured titanium for dental implants | |
| RU2562591C1 (en) | Method of manufacture of long-length metal bars with nanocrystal structure for medical products (versions) | |
| EP3117016A2 (en) | Nanostructured titanium alloy and method for thermomechanically processing the same | |
| Estrin et al. | Mechanical performance and cell response of pure titanium with ultrafine-grained structure produced by severe plastic deformation | |
| US20200061689A1 (en) | Method for machining a workpiece made of a metallic material | |
| Bryła et al. | Magnesium alloys processed by severe plastic deformation (SPD) for biomedical applications: An overview | |
| Rogachev et al. | Rotary forging to improve the strength properties of the Zr–2.5% Nb alloy | |
| JP2016059951A (en) | Method for production of titanium alloy processed article for organism, and titanium alloy processed article for organism | |
| Yi et al. | Effect of forming conditions on microstructure and room-temperature mechanical characterization of Zn–22Al superplastic microtubes fabricated by direct extrusion | |
| Ory et al. | Titanium and titanium alloys: Materials, review of processes for orthopedics and a focus on a proprietary approach to producing cannulated bars for screws and nails for trauma | |
| JP7368798B2 (en) | Processing method of pure titanium metal material | |
| Salimgareeva et al. | Combined SPD techniques to fabricate nanostructured Ti rods for medical applications | |
| RU2367713C2 (en) | Processing method of ultra-fine-grained alloys with effect of shape memory | |
| EP2788519B1 (en) | Method for increasing mechanical strength of titanium alloys having " phase by cold working | |
| Zhu et al. | Ultrafine-grained titanium for medical implants | |
| US20130139933A1 (en) | Method for enhancing mechanical strength of a titanium alloy by aging | |
| Illarionov et al. | Microstructure and Physico-Mechanical Properties of Biocompatible Titanium Alloy Ti-39Nb-7Zr after Rotary Forging | |
| JP6735169B2 (en) | Bone fixing member, manufacturing method thereof, and intermediate molded body for manufacturing bone fixing member | |
| Raab et al. | Development of SPD Technologies and Establishment of a Production Line for Rod-Shaped Semiproducts out of Nanostructured Titanium for Medical Application | |
| CN116770205A (en) | Preparation method of high-performance titanium-zirconium alloy small-size bar for dentistry |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210426 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220203 |