SE462565B - Titankomposit med poroest ytskikt samt foerfarande foer framstaellning daerav - Google Patents

Description

462 565 a 2 specifika ytan kan erhållas endast vad beträffar ett grunt ytskikt och den förankringseffekt som uppnås är icke tillräck- ligt stark för att ge kraftig vidhäftning till beläggnings- materialet.

Porösa titanmaterial, som generellt är svampartade eller fib- rösa, är kända (se exempelvis japanska patentansökan (OPI) nr 8416/80 (uttrycket "OPI" avser en icke patenterbarhets- granskad publicerad ansökan)) men de är icke lämpade för användning vid tillämpningar varvid hög mekanisk styrka erfordras.

Det finns många metallföremål som kräver hög fysisk och kemisk styrka, stor specifik yta och hög kapacitet för förankring av beläggningsmaterialz Dessa innefattar, förutom det elektrod- substrat som beskrivits ovan, bärarunderlag för användning i kemiska reaktorer och metalliska material för biokompatibla implantat, såsom artificiella ben. Emellertid har hittills inga titanbaserade material utvecklats, som tillfredsställer alla kraven för användning vid dessa tillämpningar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att åstad- komma en titan- eller titanlegeringskomposit med förbättrad fysisk och kemisk styrka, som har stor specifik yta och upp- visar större kapacitet till förankring av ett beläggningsmate- rial.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma ett förfarande, som lätt kan ge en titan- eller titan- legeringskomposit med sådana överlägsna egenskaper.

För att uppnå dessa ändamål avser föreliggande uppfinning ett förfarande för framställning av en titan- eller titanlege- ringskomposit med ett poröst ytskikt innefattande: Åstadkom- mande av en beläggningskomposition innefattande ett bindemedel tillsatt till en blandning av ett titan- eller titanlegerings- 3 462 ses pulver och ett magnesiumpulver; därefter påföring av denna komposition på ytan av ett titan- eller titanlegeringssubst- rat; upphettning av substratet antingen i vakuum eller i en inert atmosfär för beredning av en sintrad produkt av titan- eller titanlegerings- och magnesiumpulver, som vidhäftar kraf- tigt till substratet, och därefter avlägsnande av magnesium från den sintrade produkten.

ALLMÄN BESKRIVNING AV RITNINGEN Ritningsfiguren är ett mikrofotografi, som visar en tvärsek- tion av ett titankompositprov framställt i enlighet med före- liggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt föreliggande uppfinning användes elementärt titan typiskt såsom ett substratmaterial men, om en speciell använd- ning kräver detta, kan titanlegeringar innehållande andra metaller, såsom Ta, Nb, platinagruppmetallerna, Al och V, användas. Substratet format till en plåt, stång eller någon annan lämplig form underkastas företrädesvis en ytrengörings- behandling genom tvättning med vatten, syror, ultraljudvågor eller vattenånga. Om så önskas kan den rena ytan hos substra- tet göras rå genom kombinationer av lämpliga kända metoder, såsom etsning och blästring.

Titansubstratet med en ren yta behandlas därefter så att det erhåller ett poröst titan- eller titanlegeringsskikt vidhäf- tande till dess yta med följande tillvägagångssätt: För.det första blandas ett pulver av titan eller legering därav inne- hållande en eller fler av de element som nämnts ovan med en lämplig mängd av magnesiumpulver; en lämplig mängd bindemedel tillsättes till blandningen för beredning av en beläggnings- komposition; beläggningskompositionen påföres på titansubstra- tet, följt av torkning om så önskas och upphettas antingen i vakuum eller i en inert atmosfär, exempelvis argon, så att en vidhäftande sintrad kropp av titan eller titanlegering och 462 565 4 magnesium bildas på substratytan. Upphettning av substratet genomföres företrädesvis till en temperatur, som icke är lägre än smältpunkten för magnesium (650°C). Vid denna temperatur smältes magnesium och en sintringsreaktion äger rum med titan eller en legering därav i en smältfas. Upphettningstemperatu- ren är företrädesvis icke högre än ca 800°C, eftersom magne- sium över denna temperatur förångas i en oönskat stor mängd.

Temperaturområdet från 650 till 800°C kan upprätthållas under en lämplig tidrymd, som typiskt är mellan l och 3 timmar.

Titanpulvret, av vilket en sintrad kropp skall beredas, fram- ställes vanligen av metalliskt titan men kan utgöras av ett pulver av hydrogenerat titan. Pulver av sådana titanföre- ningar, som lätt undergår termisk sönderdelning till metal- liskt titan, innefattas i kategorin "titanpulver", som skall sintras med magnesiumpulver. Pulver av titanlegeringar kan användas så länge som legeringskomponenterna icke selektivt smälter i magnesium och ett exempel på en lämplig titanlege- ring är Ti-Al-V. Partikelstorleken hos titanpulvret är icke begränsad till något speciellt värde och kan väljas från områ- det ett antal pm till flera millimetrar enligt den speciella användningen av produkten.

För framställning av ett poröst titanskikt med en önskad poro- sitet och porstorlek blandas titanpulvret med ett magnesium- pulver, som har en på lämpligt sätt vald partikelstorlek och som användes i ett lämpligt valt blandningsförhållande.

Typiskt användes ett magnesiumpulver med en partikelstorlek av från 100 till 2000 pm i ett volymförhållande av 5 till 75 % av pulverblandningen.

Det blandade pulvret blandas med ett bindemedel, såsom CMC (karboximetylcellulosa), kollodium eller polyvinylalkohol, eller vatten eller ett organiskt lösningsmedel, och den erhållna beläggningskompositionen i pastaform kan påföras på substratet genom sprutbeläggning eller pensling eller med en mångfald olika beläggningsanordningar, som är välkända för fackmän på området för bildning av en beläggning av en önskad 462 565 5 tjocklek. Mängden av bindemedlet som användes i beläggnings- kompositionen kan lätt bestämmas av fackmän på området.

Det sintrade skikt som är bundet till titansubstratet befrias därefter från magnesium, så att man erhåller den önskade titankompositen med en porös yta. Avlägsnande av magnesium- halten kan åstadkommas med ett flertal fysiska eller kemiska åtgärder, som lätt kan bedömas av fackmän på området. Enligt en metod användes skillnaden ifråga om smältpunkt för titan och magnesium genom upphettning av den sintrade kroppen antingen i vakuum eller i en inert atmosfär, såsom argon, till en temperatur, som icke är lägre än en temperatur som användes vid framställning av den sintrade kroppen. Tillfredsställande resultat erhålles typiskt genom upphettning av den sintrade kroppen till en temperatur av l000°C eller lägre. En annan lämplig metod är selektiv upplösning av magnesium, som åstad- kommes antingen genom att den sintrade kroppen bringas i kon- takt med en sur lösning, som upplöser metalliskt magnesium men knappast upplöser titan eller legeringar därav, eller genom neddoppning av den sintrade kroppen i denna sura lösning.

Exempel på lämpliga sura lösningar innefattar organiska syror och oorganiska syror, såsom svavelsyra, saltsyra, salpetersyra och fosforsyra.

Genom användning av den ovan skisserade metoden erhålles en porös titankropp med en tredimensionell skelettstruktur såsom ett skikt, som är starkt bundet på titansubstratet genom metallsammansmältning vid gränsytan, och den erhållna titan- kompositen med porös yta har en stor specifik yta och uppvisar tillfredsställande förankringseffekter. Figuren är ett mikro- fotografi (förstoringsgrad; ca 8,3x), som visar en tväzsektion genom ett titankompositprov framställt med förfarandet enligt föreliggande uppfinning.

Fördelarna med föreliggande uppfinning beskrives härunder med åskådliggörande utföringsexempel, till vilka omfånget av upp- finningen på intet sätt är begränsat. 462 565 6 Om icke annat anges, avser alla procentuppgifter, förhållan- den, etc. vikten.

EXEMPEL 1 Ett valsat band av Ti-6A1-4V-legering med måtten 25 mm x l5 mm x 3 mm rengjordes med ultraljudvågor i aceton och etsa- des i kokande 20 % HCl för beredning av ett substrat. I ett separat steg blandades ett titanpulver med en partikelstorlek av 44 pm eller mindre och ett magnesiumpulver med från 250 till 710 pm storlek i ett volymförhållande av 1/1. En ringa mängd av 1,5 % vattenlösning av CMC tillsattes till pulver- blandningen för beredning av en beläggningskomposition i pastaform.

Beläggningskompositionen påfördes på titanlegeringssubstratet till en tjocklek av ca 3 mm. Efter lufttorkning upphettades substratet till 700°C i en argonatmosfär under 2 timmar för bildning av en sintrad kropp av titan och magnesium, som var starkt bunden till substratet. Den sintrade kroppen upphetta- des till 950°C, vid vilken temperatur den hölls under 2 tim- mar, så att väsentligen hela mängden magnesium som närvarade förångades från den sintrade kroppen och gav en titankomposit med en porös yta.

Både ytan och tvärsektionen av den erhållna titankompositen undersöktes med ett stereomikroskop. Såsom visas på figuren innehöll det porösa titanskiktet 2, som var bundet till substratet l, många porer, som hade en storlek närmare parti- kelstorleken hos det använda magnesiumpulvret och som kommu- nicerade med varandra och bildade en tillfredsställande stark tredimensionell skelettstruktur likartad med denna hos titan- svamp. Detta skikt 2 bildade en kontinuerlig fas vid gräns- ytan med substratet l och uppvisade en extremt stark bindning (ahesion) till substratet. .m1 IL 462 565 EXEMPEL 2 En plåt av rent titan med måtten 25 mm x 15 mm x l mm bläst- rades med aluminiumoxidsand (medelpartikelstorlek = 0,7 mm) för att ge en rå yta. Ti-plåten betades därefter i kokande 20 % HCl. I ett separat steg maldes titansvamp till partiklar av 5 pm eller mindre i storlek i amylalkohol. Till det erhållna Ti-pulvret sattes en amylalkoholsuspension av magne- siumpulver (storlek 10 till 50 pm) och en ringa mängd kollo- diumbindemedel och blandningen omrördes omsorgsfullt för bild- ning av en uppslamning av beläggningskomposition innehållande amylalkohol såsom lösningsmedel.

Uppslamningen påfördes på titansubstratet till en tjocklek av ca l mm och torkades därefter i en argonatmosfär. Det torkade substratet sintrades genom upphettning i vattenfri argongas vid 660 till 680°C under 2 timmar. Efter kylning neddoppades substratet i en 15%-ig HZSO4-vattenlösning 2 timmar, så att magnesium upplöstes från den sintrade kroppen och man erhöll en titankomposit med ett poröst Ti-ytskikt med en tjocklek av ca 0,5 mm.

Elektroder för elektrolys framställdes genom pyrolytisk beläggning med ruteniumoxid på substrat framställda av Ti-kom- positen, som framställts enligt föreliggande uppfinning.

Anodpotentialen uppmätt i mättad vattenlösning av natriumklo- rid vid en strömtäthet av 30 A/dm' var 35 mV lägre än värdet för en elektrod, som tillverkats genom beläggning av en rute- niumoxidfilm på ett titansubstrat, som icke hade något poröst ytskikt. Detta visade att titankompositen med en porös yta enligt föreliggande uppfinning kan ge ett elektroésubstrat med en effektiv specifik yta, som är ca 10 gånger så stor som hos den konventionella titanplåten med slät yta. Dessutom hade det porösa ytskikt som framställts enligt föreliggande uppfin- ning tillfredsställande höga nivåer beträffande mekanisk styrka och vidhäftning till substratet, så att det kunde han- teras vid praktiska tillämpningar i stort sett såsom titanplå- tar. 462 565 8 Föreliggande uppfinning ger en titankomposit med en porös yta, som uppvisar förbättrad fysisk och kemisk styrka och som har stor specifik yta och uppvisar stor förmåga att förankra ett beläggningsmaterial. Denna komposit är i hög grad användbar såsom elektrodsubstrat, katalysatorunderlag eller såsom metal- liskt material för biokompatibla implantat. Enligt förelig- gande uppfinning sintras ett blandat pulver av titan och mag- nesium i smält fas och den sintrade produkten kan antingen upphettas till låga temperaturer som icke överstiger l000°C eller behandlas med en sur lösning för avlägsnande av even- tuellt kvarvarande magnesium från den sintrade produkten. I Detta ger ett enkelt sätt att åstadkomma ett titansubstrat, till vilket ett poröst titanskikt med en önskad tjocklek och porositet vidhäftar starkt.

Uppfinningen har beskrivits i detalj och under hänvisning till specifika utföringsformer därav, men det är uppenbart för en fackman på området att olika förändringar och modifikationer kan tillämpas härvid utan att man avviker från uppfinnings- tanken.

Claims (7)

462 565 PATENTKRAV

1. l. Titan- eller titanlegeringskomposit med poröst ytskikt, vilken innefattar ett titan- eller titanlegerings- substrat och ett poröst titan- eller titanlegeringsskikt, som är starkt bundet till substratet, k ä n n e t e c k n a d därav, att det porösa skiktet framställts genom att substratet först försetts med en starkt bunden sintrad produkt av en blandning av titan- eller titanlegeringspulver och ett magne- siumpulver genom att en beläggningskomposition innefattande en blandning av titan- eller titanlegeringspulver och ett magne- siumpulver samt bindemedel påförts på ytan av ett titan- eller titanlegeringssubstrat samt substratet upphettats till en temperatur av från 650 till 800°C i vakuum eller en inert atmosfär för bildning av en sintrad produkt av pulvren av titan eller titanlegering och magnesium, som är kraftigt bun- den till substratet, varefter magnesium avlägsnats från den sintrade produkten.

2. Förfarande för framställning av en titan- eller titanlegeringskomposit med poröst ytskikt enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att man: åstadkommer en beläggningskomposition innefattande ett bindemedel tillsatt till en blandning av titan- eller titanlegeringspulver och ett magnesiumpulver, påför kompositionen i pastaform på ytan av ett titan- eller titanlegeringssubstrat, upphettar substratet till en temperatur av från 650 till 800°C i vakuum eller en inert atmosfär för bildning av en sintrad produkt av pulvren av titan eller titanlegering och magnesium, som är kraftigt bunden till substratet, och avlägsnar magnesium från den sintrade produkten.

3. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att avlägsnandet av magnesium från den sintrade produkten åstadkommas genom förångning genom upphettning till en temperatur, som icke är lägre än sintringstemperaturen och 462 565 w icke högre än l0O0°C.

4. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att avlägsnandet av magnesium från den sintrade produkten åstadkommes genom att magnesium bringas att upplösas i en sur lösning.

5. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att magnesiumpulvret närvarar i en mängd av från 5 till 75 % av det blandade pulvrets volym.

6. Förfarande enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att magnesiumpulvret har en partikelstorlek av från 100 till zooo pm.

7. Användning av titan- eller titanlegeringskomposit enligt patentkrav l eller framställd enligt patentkraven 2-6 såsom elektrolyselektrodsubstrat, katalysatorunderlag eller biokompatibla implantat. -x