SE465717B - Foerfarande foer framstaellning av en titankomposit med lindningsformad skelettstruktur paa en yta av titan - Google Patents

Description

465 717 2 ytan hos titansubstratet råare genom antingen blästring eller etsning, men ökningen av specifik yta kan åstadkommas endast vad beträffar ett tunt ytskikt och den förankrande effekt som erhålles är tillräckligt stark för att ge kraftig vidhäftning av beläggningsmaterialet.

Porösa titanmaterial som generellt är svampartade eller fib- rösa är kända (se exempelvis japanska patentansökan (OPI) nr 8416/80 (här betecknar uttrycket “OPI" en icke patenterbar- hetsbedömd publicerad ansökan)) men de är icke lämpade för användning vid tillämpningar varvid den mekaniska styrkan erfordras.

Det finns många metallföremål, som kräver hög fysisk och kemisk styrka, stor specifik yta och en stor förmåga till för- ankring av beläggningsmaterialet, och dessa innefattar, för- utom det ovan beskrivna elektrodsubstratet, bärarunderlag för användning i kemiska reaktorer och metallmaterial för biokom- patibla implantat, såsom artificiella ben. Inga titanbaserade material har emellertid hittills utvecklats, som uppfyller alla kraven för användning för 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 en stor specifik yta och uppvisar en stor förmåga till förankring av ett beläggnings- material.

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.

Enligt föreliggande uppfinning uppfylles de förutnämnda ända- målen genom användning av en titankomposit med en lindnings- formad skelettstruktur på ytan, innefattande ett eller fler skikt av en lindningsformad skelettstruktur av titan eller en P1 65 7”s/ -I 3 legering därav, som är starkt bunden till ytan av ett substrat av titan eller titanlegering.

Föreliggande uppfinning avser även ett förfarande för fram- ställning av en titankomposit med en lindningsformad skelett- struktur på ytan av ett substrat av titan eller titanlegering, vilket innefattar: åstadkommande av en beläggningskomposi- tion, som utgöres av en blandning av titan- eller titanlege- ringspulver med ett bindemedel, påföring av kompositionen på sådant sätt, att titan- eller titanlegeringslindningarna, som skall bilda den lindningsformade skelettstrukturen, är kraf- tigt bundna eller vidhäftande till sig själva och till titan- eller titanlegeringssubstratet; varvid upphettningen av sam- mansättningen genomföres antingen i vakuum eller i en inert atmosfär, så att titan- eller titanlegeringspulvret i den påförda beläggningskompositionen sintras så att den lindnings- formade skelettkonstruktionen eller titanlegeringskonstruktio- nen bindes kraftigt till substratet av titan eller titanlege- ring.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGEN Föremålet är ett mikrofotografi, som visar en tvärsektion genom ett titankompositprov med en lindningsformad skelett- struktur på ytan i enlighet med föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt föreliggande uppfinning användes typiskt elementärt titan såsom substratmaterial, men, om en specifik användning kräver detta, kan man använda titanlegeringssubstrat innehål- lande andra metaller, såsom Ta, Nb, platinagruppmetallerna, Al och V. Substratet, som är format till en platta, stång eller någon annan lämplig form, underkastas företrädesvis en ytren- görande behandling genom tvättning, exempelvis med vatten, syror, ultraljudvågor eller vattenånga. Om så önskas kan den rena ytan hos substratet göras råare eller aktiveras genom kombinationer av lämpliga metoder som är välkända för fackmän 465 717 4 på området, såsom etsning och blästring. Spår som ansluter sig till den yttre formen hos ett lindningsformat föremål, som skall bringas att vidhäfta till titansubstratet, kan åstadkom- mas i ytan av den sistnämnda genom lämplig bearbetning, såsom räffling, för att möjliggöra att den lindningsformade delen förenas med substratet över en tillräckligt stor yta för att säkerställa starkare bindning av detta föremål till substra- tet.

Det ytbehandlade titansubstratet förses därefter med en starkt bunden lindningsformad skelettstruktur av titan eller en lege- ring därav med följande tillvägagångssätt: För det första lindas en tråd av titan eller titanlegering på en spole med cirkulär eller polygonal tvärsektion till bildning av en lind- ning, vars tvärsektion motsvarar tvärsektionen hos spolen.

För att förhindra att lindningsvarven hos lindningen trasslas ihop med lindningsvarven hos en intilliggande lindning, är det lämpligt att mellanrummet mellan intilliggande lindningsvarv hos varje lindning icke är större än diametern hos titantrå- den. Såsom material till lindningen kan en titantråd och en titanlegering av samma slag som användes till substratet användas. Lindningarna underkastas företrädesvis den ytrengö- rande behandling som beskrives i samband med substratet.

Därefter placeras ett skikt av titanlindningar som framställts på detta sätt på titansubstratet och en pasta av en blandning innehållande ett pulver av titan eller titanlegering och ett bindemedel påföres på de intill varandra belägna ytorna hos intill varandra belägna lindningar och de hos varje lindning och substratet, så att lindningarna bindes både inbördes till varandra och till substratet och bildar en lindningsformad skelettstruktur på ytan av titansubstratet. Sammansättningen upphettas därefter antingen i vakuum eller i en inert gas för torkning och sintring av blandningen av titan- eller titan- legeringspulver och bindemedel, varigenom en titankomposit med en starkt bunden lindningsformad skelettstruktur på ytan erhålles. 465 7^17 5 De bundna lindningarna kan anbringas på hela eller en del av substratets yta. Om så önskas kan två eller fler skikt av lindningar bindas till substratet. Den blandning, som påföres för att bringa intill varandra belägna lindningar att bli bundna eller vidhäfta både till varandra inbördes och till substratet, beredes genom tillsats av ett bindemedel, såsom CMC (karboximetylcellulosa) eller kollodium, eller vatten eller ett organiskt lösningsmedel till ett titan- eller titan- legeringspulver för bildning av en uppslamning. Den erhållna beläggningskompositionen i pastaform påföres därefter på de mot varandra angränsande ytorna med lämpliga medel, som är kända för fackmän på området, exempelvis pensling. Det titan- eller titanlegeringspulver som användes i blandningen har typiskt en partikelstorlek, som sträcker sig från ett flertal um till ca 300 pm. Användbart är även ett pulver av en titan- förening, såsom hydrogenerat titan, som lätt undergår termisk sönderdelning till metalliskt titan.

Upphettning av titansubstratet med en lindningsformad skelett- struktur på ytan genomföres företrädesvis till mellan 900 och l400°C för att möjliggöra att titanpulvret bindes kraftigt till lindningarna och substratet genom metallsammansmältning vid gränsytorna. En temperatur inom detta område kan upprätt- hållas under en tidrymd av från ca 30 minuter till ca 5 tim- mår .

Figuren är ett mikrofotografi (förstoringsgrad: ca 8x), som visar en tvärsektion genom en titankomposit som framställts i enlighet med föreliggande uppfinning.

Det finns andra metoder för att åstadkomma att titanlind- ningarna bindes starkt till titansubstratet och dessa innefat- tar olika svetsningsmetoder, såsom TIG-svetsning, MIG-svets- ning, elektronstrålesvetsning, motståndssvetsning, ultraljud- svetsning och diffusionssvetsning. Hårdlödning är en annan metod, som kan användas effektivt för uppfyllande av samma ändamål. 6 Fördelarna med föreliggande uppfinning beskrives i det föl- jande utförligare under hänvisning till följande exempel, som på intet sätt begränsar uppfinningens omfång.

Om icke annat anges är alla procent, förhållanden, etc. räk- nade på vikten.

EXEMPEL l Titanlindningar med en cirkulär tvärsektion framställdes genom lindning av trådar av titan (typ 2, definierad i Japanese Industrial Standard (JIS)) med en diameter av 0,5 mm på cylindriska spolar (diameter: 1,0 mm) med en stigning av 0,5 mm. En valsad plåt av titan (typ 2, JIS) med måtten 25 mm x l5 mm x 3 mm och lindningarna rengjordes med ultra- ljudvågor i aceton. Därefter aktiverades ytan av Ti-plåten genom att neddoppas i kokande 20 % HCl under 5 minuter.

Ett titanpulver med en partikelstorlek av 44 um eller mindre blandades med en ringa mängd av en 1,5 % vattenlösning av CMC till en pasta. Pastan påfördes på ytan av Ti-plåten och ett skikt av tätt anordnade Ti-lindningar fästes säkert till Ti- -plåten. Sammansättningen torkades vid 60°C i en argonström, från vilken syre och fukt hade avlägsnats fullständigt. Där- efter upphettades sammansättningen till l050°C 3 timmar för sintring av de mot varandra anliggande ytorna av lindningarna och Ti-plåten. Såsom resultat erhölls en Ti-komposit med en lindningsformad skelettstruktur på ytan. Såsom figuren visar är denna komposit försedd med lindningarna 2 starkt bundna till Ti-substratet l.

En anod tillverkades genom pyrolytisk beläggning av ett elekt- rodaktivt material (nämligen iridiumoxid) på substratet, som var framställt av Ti-kompositen som tillverkats enligt före- liggande uppfinning. Anoden användes vid elektrolytisk utveckling av syre i en vattenlösning av svavelsyra (150 g/l) vid 60°C och en strömtäthet av 150 A/dmz. Den uppmätta anod- potentialen var 40 mV lägre än det värde som erhölls vid en H / 65 71 7 konventionell anod, som såsom substrat använde en Ti-plåt med slät yta utan någon lindningsformad skelettstruktur på ytan.

Detta visade att titankompositen med en lindningsformad ske- lettstruktur på ytan enligt föreliggande uppfinning kan ge ett elektrodsubstrat med ett effektivt ytomfång, som är ca 4,5 gånger större än omfånget hos den konventionella titanplåten med slät yta.

EXEMPEL 2 Lindningar framställdes genom lindning av trådar av titan (typ 2, JIS) med en diameter av 0,3 mm på spolar (diameter: 0,5 mm) med en stigning av 0,2 mm. I ett separat steg försågs ett cylindriskt gjutstycke av 6Al-4V-Ti-legering (55 mm* x 50 mmL) på sidoväggen med spiralformade spår med halvcirkulär tvärsek- tion, som framställdes med ett räfflingsverktyg. Den spårför- sedda cylindern och lindningarna rengjordes med ultraljudvågor i aceton. Därefter aktiverades ytan av cylindern genom ned- doppning i l,5 % HZSO4 vid 80°C 30 minuter.

Ett hydrogenerat titanpulver med en partikelstorlek av 37 pm eller mindre blandades med en l,5 % vattenlösning av CMC till en pasta. En del av pastan påfördes på sidan av det cylind- riska substratet och ett skikt av lindningarna fästes tempo- rärt till substratet längs spiralspåren. Återstoden av pastan påfördes på både substratet och lindningarna och ett annat skikt av lindningar fästes säkert till det första skiktet av lindningar. Sammansättningen torkades vid 60°C i en argon- ström, från vilken syre och fukt hade avlägsnats fullständigt.

Därefter upphettades sammansättningen till llOO°C 2 timmar för sintring av de mot varandra anliggande ytorna mellan de stap- lade lindningsskikten och mellan lindningarna och substratet.

Såsom resultat erhölls en titankomposit, vari lindningarna var starkt bundna till ytan av substratet.

Den erhållna titankompositen med en lindningsformad skelett- struktur på ytan hade ett ytomfång, som var likvärdigt med en porös titankropp som hade porer varierande i storlek från 465 717 8 300 pm till 500 pm. Såsom är väl känt behöver en porös kropp för användning såsom ett biokompatibelt implantat ha en por- storlek av 150 pm eller mer, så att det tillåter inträngande av benceller. Den titankomposit som framställts enligt före- liggande uppfinning har tillräckliga porositetsnivåer och Ti- -trådseghet och uppvisar en stark förankringseffekt, så att den kan användas såsom mycket effektivt metallmaterial för biokompatibla implantat.

Den titankomposit som framställes i enlighet med föreliggande uppfinning har en lindningsformad titanskelettstruktur, som binder starkt till ett titansubstrat, och kompositen uppvisar förbättrad fysisk och kemisk styrka, har ett stort ytomfång och uppvisar stor förmåga att förankra ett beläggningsmate- rial. Denna komposit är i hög grad användbar såsom elektrod- substrat, katalysatorunderlag eller såsom metallmaterial för biokompatibla implantat. Enligt föreliggande uppfinning kan den lindningsformade skelettstrukturen bindas kraftigt till titansubstratet genom sintring, svetsning eller hårdlödning och detta ger ett enkelt sätt att åstadkomma en titankomposit med en önskad tjocklek och porositet.

Uppfinningen har beskrivits i detalj och under hänvisning till specifika utföringsformer av denna, men det är uppenbart för en fackman på området att olika förändringar och modifikatio- ner kan åstadkommas däri utan att man avviker från uppfin- ningstanken.

Claims (4)

PATENTKRAV

1. Förfarande för framställning av en titankomposit med en lindningsformad skelettstruktur på en yta av ett titan- eller titanlegeringssubstrat, k ä n n e t e c k n a t av stegen: åstadkommande av en beläggningskomposition, som är en blandning av ett titan- eller titanlegeringspulver och ett bindemedel, åstadkommande av titan- eller titanlegeringslind- ningar på ytan av titan- eller titanlegeringssubstrat, påföring av denna beläggningskomposition på sådant sätt, att titan eller titanlegeringslindningarna, som skall bilda den lindningsformade skelettstrukturen, säkert fästes till både sig själva och till titan- eller titanlegeringssub- stratet, och därefter upphettning av sammansättningen antingen i vakuum eller i en inert atmosfär, så att titan- eller titanlegerings- pulvret i den pålagda beläggningskompositionen sintras till den lindningsformade titan- eller titanlegeringsskelettstrukturen, som är kraftigt bunden till titan- eller titanlegeringssub- Stratet.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a t av att upphettningen av sammansättningen åstadkommes till en temperatur av mellan 900 och l400°C.

3. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a t av att titan- eller titanlegeringssubstratet är försett med spår på ytan.

4. Användning av en titankomposit med en lindningsformad skelettstruktur på en yta av ett titan- eller titanlegerings- substrat framställd med förfarandet enligt något av föregående patentkrav såsom elektrolyselektrod, katalysatorunderlag eller metallmaterial för biokompatibla implantat.