专利名称：耐火合金外科手术针的热成形以及夹具和设备的制作方法
技术领域：
本发明所属的技术领域是外科手术针，具体地讲是耐火合金缝合针的 热成形方法。
背景技术：
外科手术针在外科手术领域是公知的。通常，将外科手术针安装到缝 合线，用于多种外科手术程序中以将组织接合。重要的是，外科手术针在外 科医生对患者进行手术时遇到的多种条件下都能发挥作用。外科手术针可用 于在较为柔软和脆性的组织上进行的精致外科手术程序，如肝脏或肺脏外科 手术，和用于涉及硬度和韧度较高的组织的较为用劲的手术程序，如眼科手 术、整形手术(plastic surgery)或冠状动脉搭桥手术。外科手术针也用于 多种整开j夕卜牙牛手术考呈序(orthopaedic surgical procedure)中。夕卜牙斗手术4十
必须是外科医生用极小的力插入就能够快速和有效地穿透组织，并且造成的 组织创伤极小。特别重要的是，外科手术针在外科医生用其接合组织的过程 中经多次穿针也能保持其结构完整性。
外科手术针可从多种具有所需的强度和可制造性特性的材料制成。这 些材料的实例包括不同等级的不锈钢，包括420、 455、 4310在内，以及不 同等级的特种马氏体时效钢，包括ETHALL0Y (Ethicon， Inc. ， Somerville N. J.)在内。尽管从这种常规材料制成的针其性能足敷所需，但人们还是不 断探索具有让外科医生和患者均能受益的改进特性的外科手术针。某些耐火 金属具有独特的特性如异常的劲度(stiffness)和强度，这些性能给缝合针 赋予期望的操纵特征。但是，许多耐火合金的室温可成形性有限，往往远低
6于其他通常用于制造缝合针的金属的可成形性。因此，在耐火合金外科手术 针的制造中可能会出现困难，因为常规的制造工艺中的多个步骤都要求充分
的材料韧性(ductility)。常常将缝合针体进行压制成形(press-form)或模 压(coin)来呈现扁平侧面，以利于在缝合针持针器(driver)中进行针的抓持 和定向。针体成形为呈现扁平侧面，还可给缝合针赋予强度和劲度上的适度 改进。还可将针尖模压产生适宜于穿透某些组织的刀刃。此外，常将针弯曲 成多种弓形构造，例如1/4、 3/8或1/2圓周设计，以利于某些外科手术程 序。外科手术针必须在制造过程中进行加工，以使外科手术缝合线得以安 装。将缝合线安装到外科手术针的一种方式，是在针的近端钻出盲钻孔 (blind bore hole),以接纳外科手术缝合线的线端。对于槽式安装的缝合 线而言，与在针近端钻出的钻孔中装上的缝合线不同的是，通常是在缝合针 的近端模压或冲压(stamp)出针槽。在任一类型的安装构造中，针的近端通 常都是陷型的(swaged)，以将缝合线端保持在槽或钻孔中。
将耐火合金成形为缝合针材料，这未曾有广泛的研究。常规的针成形 方法通常不能用于耐火合金。例如，已知使用到这么一种方法在针材料被 加热到接近位于合金的热成形温度和浇注温度之间的熔化温度Tm的温度 时，将穿孔工具压入缝合针的底部，从而在钢针中形成缝合线接纳孔。这个 方法不足以用在耐火金属上，其原因有几个。如果合金^L加热到接近其熔化 温度的温度，它很有可能发生再结晶。实际上再结晶常常在低得多的温度下 发生，对于许多合金来说在0.4 Tm左右。如果耐火金属被加热到接近它们 的熔点，会发生功致硬化(work hardened)微结构的再结晶，可预期由于微 结构变化对韧-脆转变温度DBTT的影响，合金在室温下会失去本质特性，甚 至显示脆性特征。其次，这种方法适用于抗氧化合金，但是对于耐火合金 (尤其是W-Re 二元系合金)却并非如此，因为这些合金在远低于它们的熔点 的温度下也会容易氧化。
此前描述的针成形方法会给针材料赋予很大的应力，且如果材料显示 不足的韧性，则缝合针会发生破裂(cracking)和/或劈裂(splitting)。许多 耐火合金显示出高于室温的韧-脆转变温度(DBTT),因此要能够在各种外科 手术针成形操作中使这些耐火合金塑性变形，其可能性是^[艮有限的。不过， 一旦超过DBTT，耐火合成的塑性变形性大大增加。然而，过高的温度会导致合金的颗粒结构的再结晶和生长，从而导致特性上的很大变化，而这一变 化可能对缝合针的性能有害。
因此，本领城需要新型的耐火合金缝合针制造和成形方法。
发明内容
因此，公开了新型的耐火合金缝合针热成形方法。按这个方法，提供 合金金属针坯料。该针坯料由耐火金属合金制成。将针坯料的至少一段加热 到高于合金的韧-脆转变温度但低于再结晶温度的温度。将受热的针坯料机 械成形为外科手术针。
本发明的另一方面是可用于实施上述的在成形过程中加热耐火金属合 金的本发明工艺的夹具。该夹具具有上部绝缘构件，该构件具有顶面、底面 和从底面向上延伸的腔体。该构件具有延伸穿过它的模具通道，以接纳模 具。有下部绝缘构件，该构件具有顶面、底面和从底面向下延伸的腔体。该 下部绝缘构件具有延伸穿过它的模具通道，以接纳模具。该夹具具有绝缘 块，该绝缘块具有腔体和和一对相对的针狭缝。该绝缘块具有延伸穿过它的 通道，以接納至少一个模具。有加热元件块安装在绝缘块的腔体中。该加热 元件块具有基本上对齐相对的绝缘块狹缝的纵向针狭缝，且该加热元件块具 有延伸穿过它并与纵向针狭缝相交的模具通道，以接纳至少一个模具。而
且，该夹具具有射频(RF)电^f兹感应源构件。容纳着加热元件和射频源构件的 绝缘块安装在上下绝缘构件之间的腔体中，以形成感应加热夹具，使得上下 绝缘构件之间的狭缝对齐相对的绝缘块狭缝和加热元件块狹缝。另外，下部 绝缘构件的模具通道、绝缘块、加热元件和上部绝缘构件基本上是对齐的。
本发明的又一方面是用以成形耐火合金外科手术针的设备。该设备具 有机架。安装到机架的是具有至少一个模具的模具压机和可滑动的移位夹具 (indexing fixture)。上述感应加热夹具安装到才几架，与才莫具压^/L的( 一个
或多个)模具对齐。
由以下说明和附图可更加明白本发明的这些方面和其他方面。
图1A - C显示本发明的采用电阻式加热的热成形工艺的示意图。图2A - C显示本发明的使用热气体注入系统从耐火合金热成形制针的 替代实施例。
图3A-C显示本发明的使用电阻式加热元件进行耐火合金的热成形的另 一个替代实施例。
图4是可用于实施本发明加热针坯料的工艺的加热夹具的分解透视图。
图5显示组装后的图4加热夹具的侧视图。
图6显示用于制造合金外科手术针的机器的透视图；其中安装有图4 的夹具。
图7是图6的机器的顶视图。 图8是图6的机器的前视图。 图9是图6的机器的端视图。
具体实施例方式
使用本发明的新型热成形工艺，将用于制造缝合针的耐火合金在特定 的成形操作中加热到高于其DBTT的温度以提供很大的塑性变形，但低于合 金的再结晶温度以防止缝合线特性受损害。公开了几种用于在针成形操作过 程中对缝合针材料进行热处理和成形的方法。从用本发明新型热成形处理工 艺处理的耐火金属合金制成的针，在针性能上显示出许多潜在的改进，包括 抗弯曲性的提高，能提高强度、劲度和穿透性能的明显工字梁(即结构上 的)和针尖设计，韧性和韧度(toughness)的改善，以及通过表面氧化进行 的原位着色。
本说明书中用到的以下术语定义成具有以下含义
韧-脆转变温度(DBTT) —是这样的一个温度，当超过它时合金的韧性 发生很大改进。在本公开内容中，DBTT被确定为合金在简单拉伸试验中显 示至少5%断裂伸长率的温度。
耐火合金 一 显示出超过室温的DBTT,由以下一种或多种元素组成的 合金W、 Mo、 Re、 0s、 Ir、 Ta、 Nb、 Zr、 Y。
再结晶溫度 一 在合金的微结构中会形成新的颗粒的温度。
韧性 一 合金经受住塑性变形而不断裂的能力。断裂伸长率 一 在简单拉伸试验中样品伸长百分率的度量，用以评估 合金韧性。
简单拉伸 一 在一个维度中施加的拉伸，其他维度不受约束。 热成形 一 在受热的工件上进行的塑性成形。
针坯料 一 细长的金属丝，其一部分通过多个工艺被转变成缝合针的 形状。
屈服弯矩 一 在弯曲试验中引起塑性变形所需的力矩的量(ASTM标准 F-1840-98a)。
抗弯劲度(弯曲劲度) 一 弯曲的缝合针对弹性变形的抗性。 弹性变形 一 通过消除所施加的负荷可复原的变形、应变或位移。 工字梁型针体 一 任何种类的具有扁平的相对两侧面的针体设计(而不 是弯曲圆形的设计)
最大弯矩一在弯曲试验中施加到针上的最大力矩(ASTM标准F-1840-
98a)
材料特性 一 材料的仅通过在针形状和表面特性不影响数据的情况下 进行试验得到的特性。实例包括杨氏模量、极限拉伸强度(当在简单拉伸 中试验时)和显微硬度。
颗粒结构 一 享有共同的原子周期性(atomic periodicity)并一起作 为 一个群体构成针材料的晶体的集合体。
位错 一 颗粒结构当中的线缺陷，表现为缺失一层原子，这层原子通 常是使金属能在室温下或接近室温下发生塑性变形所必需的。
应指出的是，术语"外科手术针，，和"缝合针，，在本文中可互用。
可用于实施本发明的金属合金包括常规知道的耐火金属合金，包括 鴒、鵠-铼、鴒-锇、钼、钼-铼、钼-锆-钛、铱等。
添加铼可大大改进W-Re合金的韧性。在题为《鴒和鴒-铼合金的屈服 和断裂》的NASA技术出版物(NASA TN D-4567)中，公开了X同铼浓度的电 弧熔化W-Re合金的公布结果。鴒25%铼合金在接近室温下显示出了很大的 断裂伸长率，而純鴒样品没有显示出可报告的断裂伸长率。更仔细地研究一 下纯鴒合金可知，在520-600K的温度范围内断裂伸长率出现明显改进。在 这个温度范围内，合金从脆性转变为韧性。常用韧-脆转变温度(DBTT)来对韧性的这一转变进行划界，然而虽然这个术语是冶金领域的规范，但是在多晶样品中材料性能的实际转变通常并不在精确的单个温度下出现，而是在一
定温度范围内出现。这个DBTT转变区域的宽度可随铼浓度而增大，高铼合金显示出断裂伸长率随温度逐渐上升，相反，纯合金的变化要快得多。不过有一点是明确的，即热会极大地增加W-Re合金所显示的韧性。根据这个NASA报告，对于W-25。/。Re合金来说，室温韧性在500K下大约翻倍，在700K下大约翻四倍。为方便期间，NASA的这个研究的作者选择了合金显示5%断裂伸长率的温度作为韧-脆转变温度(DBTT)，或者说对于W-25%Re合金而言为350K。应指出的是，诸如合金杂质、颗粒大小和功致硬化经历的其他因素也会影响韧性行为的开始温度(和DBTT的报告值)。
缝合针在常规上和最通常来说是通过多个常规工艺步骤从金属丝形成，所述工艺步骤包括金属丝的拉直、针坯料的成形、针尖的模压和/或磨削(grinding)、针体的成形、弯曲、缝合线接纳孔的钻孔或者槽的成形、打磨、硅化等。工艺步骤可包括一个或多个常规的机械、化学、热处理和/或电学二级工艺(sub-process)。缝合针成形操作往往导致针材料的很大塑性变形。即使是高铼浓度的合金也显示有限的塑性变形，在室温下断裂伸长率数值很少超过7%,更通常小于5%。室温韧性的缺乏会限制缝合针的形状和设计。具体地讲，通常将缝合针成形为在针的针体或中间部分显示矩形横截面形状。这种矩形横截面除了赋予强度和劲度上的适度提高外，还便于用持针器(needle holder)抓持和控制缝合针。为了形成矩形横截面，通常进行一系列的常规才莫压操作，据以将针在两个平行相对的模具(die)之间部分地被压扁。这些才莫压操作可导致超出W-Re合金在室温下的断裂极限的变形应变。同样，常常使用各种常规的模具和常规的模压工艺和设备来模压针尖。可^f莫压出多种常规的针尖设计，包括但不限于锥形尖头形式、刀刃形式或锥形割口形式。刀刃形式的针通常能提供最好的组织穿透性能，同时对组织的创伤最小。但是，与可通过一系列的磨削工艺成形的锥形尖头形式或锥形割口形式的针不同的是，最佳设计的刀刃形式的针所要求的针尖模压操作会使针材料经受极大的变形应变，因此如果成形是在低于耐火合金的DBTT的温度下进行的话，针坯料中可能出现裂紋。具体地讲，如Smith等人在美国专利No. 5，797，961A (其以引用方式并入本文)中所述，具有圆角凹形(radius hollow)刀刃的刀刃形式的针能提供优异的穿透性能且造成的组织创伤最小，但其生产必须通过高形变模压操作进行。其他的眼科手术和显微手术用的刀刃形式的针的针尖设计，虽然能提供相仿的组织穿透性能，但同样是复杂的，而且要求高形变模压操作来生产。最后，可按常规在缝合针的近端形成槽，以便连接缝合线。这个方法特别适用于金属丝直径低于约0. 006"的缝合针，这种直径的金属丝可能非常难以出于产生缝合线接纳孔的目的进行机械钻孔或激光钻孔。在针槽成形的过程中常常出现很大的塑性变形，且如果耐火合金在低于其DBTT的室温下成形时，很可能会出现裂紋。
本发明的新型工艺能出于生产缝合针的目的提高耐火金属合金如鴒合金的可成形性。本发明的这些新型热成形工艺规定，金属合金缝合针坯料在热成形之前或热成形过程中要升温到这么一个温度，它超过DBTT (DBTT被确定为合金在拉伸试验中显示至少5"/。断裂伸长率的温度)，但低于合金的再结晶温度(出于本公开内容的目的，再结晶温度定义为任何导致在所述成形操作过程中合金微结构中形成新颗粒的温度)。防止合金再结晶是重要的，因为发生了再结晶的微结构通常会显示较低的拉伸强度和较低的屈服强度，这两方面都对缝合针的操纵和性能特征不利。此外，耐火合金特别是鴒合金的再结晶，常常会由于再结晶过程中出现的位错消除的缘故而进一步提高DBTT，从而导致合金的脆变。
虽然耐火金属缝合针坯料在高温下的机械成形可能是防止断裂所必需的，但这是不容易实现的，因为缝合针制造中所用的设备实际上是庞大的(expansive in nature),它采用几个通常一个接一个连续进行单独的针成形操作的专门化成形工段，且这个设备作为 一个整体不能长时间经受高温而不破坏其功能。这个设备通常是高速精密设备，过量的热量会导致机械部件
的机械故障。因此，耐火金属针坯料的加热必须局限于该设备中可使用耐热工具或水冷却工具的非常小的一部分。或者，必须对用于使针坯料成形的热
量加以管理，以例如能用精确的时间安排进行开启然后关闭，从而主要加热针而不是周围的工具和设备。或者，可以以能充分限制工具暴露于热成形区域的持续时间的方式来开动工具。
本发明的在成形过程中或者在临成形前对针进行原位热成形以加热合金金属针坯料的方法的替代实施例，在图1-4中显示和在本文中进行描述。这些方法包括^f旦不限于l)电阻式针加热、2)强制气体式针加热、3)元件控制式针加热和4)激光式针加热。
首先参见图1A-C,图中显示了本发明工艺的电阻式加热实施例。可见成形模具10具有下方的模具底座20和上方的活动构件40。分别安装到模具底座20的内表面21和活动构件40的内表面41的是上下两个模具构件50,它们分别具有内接触表面51以接合金属合金针坯料70。可见模具10具有一对相对的电极80,它们具有接触表面81。两电极80通过弹簧90分别可活动地安装到模具底座20和活动构件40。电极100安装到针坯料70的近端71。在电阻式针加热工艺中，从针坯料70的远端75,经两个电极80，到针坯料71的近端，经电极100，而造成穿过该针坯料的电接触，使电流通过针坯料70以将它电阻式加热到成形操作所需的温度。如图1A-C中所见，随着针坯料70进入模具10或者随着它合拢，可造成穿过针坯料70的电接触。或者，可使电流沿针坯料70要进行成形的那一段的厚度方向通过。各种传统材料都可用来形成用以造成电接触和使电路完整从而让电流通过针坯料70的传导电极80 (例如铜)。任选地，模具构件50可用来造成电接触和传导电流，因为许多通常使用的常规工具如烧结碳化物工具会采用具有很大导电率的连续金属粘结相。模具和/或电接触可任选进行液体冷却，以提高它们的性能和使用寿命。在本发明工艺中通过针坯料70的电流量，要足以有效地将针坯料70加热到其DBTT以上，而又不引起颗粒结构的
再结晶。电流将取决于金属丝直径、耐火合金的组成、模具靠拢的速度和其他动态工艺因素(也取决于电学参数如电压、频率等)，但通常可为约1.0amp至约20. 0 a即，更通常约1. 0 amp至约10. 0 amp。
图2A-C中显示本发明工艺的另一个替代实施例，其使用的是强制气体热成形工艺。可见成形模具110具有下方的模具底座120和上方的活动构件140。分别安装到模具底座120的内表面121和活动构件140的内表面141的是上下两个模具构件150，它们分别具有内接触表面151以接合金属合金针坯料170。对强制气体方法来说，在合金针坯料170进入过程中和当它被安置在模具110两个相对的模具构件150之间时，将热空气流或热气体流160通过导管180导流穿过针坯料170的通道。可见导管180具有针引导部分182和气体通道部分185，这两部分相交于连接部187。由于针坯料170通常直径小(约1-60密耳)，可发生强迫气流160对针坯料170的快速对流加热。如图2a-c中所见，随着针坯料170达到预定的成形温度，两个;^莫具150靠拢，将针坯料170的区段172热成形为规定的形状。用来加热缝合针的气体可任选为保护气体，它会起到防止针在加热操作过程中发生氧化的作用。可以使用的气体的实例包括氩气、氦气、氢气、氮气、氖气、二氧化碳/一氧化碳或者它们的混合物。气流速度和气流温度须能有效地充分加热耐火合金到其DBTT以上，同时防止发生再结晶。针在热成形工艺过程中的温度须足以有效地使得能够进行成形操作中所需的塑性变形，而不造成针坯料的破裂或劈裂。温度将随选用来制造针坯料的合金而变。对于W-Re合金针坯料，温度通常将在100至约1900T之间，更通常约300至约1600"C之间，优选约600至约1400nC。
图3A-C显示本发明热成形工艺的又一个实施例。该方法采用成形的电阻式加热元件。该电阻式元件可通过直接接触祐 没计来使电流通过加热元件的电路进行加热。或者，可这样以对电阻式加热元件进行加热将电阻式加热元件感应耦合到射频》兹场，后者在元件中感应出交流电从而实现电阻式加热。两种构造都能从加热元件产生辐射能以加热缝合针。如图3A-C中所见，成形模具210具有下方的模具底座220和上方的活动构件240。分别安装到模具底座220的内表面221和活动构件240的内表面241的是上下两个模具构件250,它们分别具有内接触表面251以接合金属合金针坯料270。可见电阻式加热元件260设置在模具的内部和近旁，使得加热元件260配备在模具210的工具区域周围，同时不会干扰针坯料270进入和离开热成形区域时的运动，而且不干扰;溪具构件250的活动。可对加热元件260进行电控制或电子控制，以在两个;f莫具构件分开和靠拢过程中的适当时间开启或关闭，以防止模具的过度加热。由图3A-C中所见，在针坯料270被加热到充分有效的温度后，模具构件240接合针坯料270以将一段坯料271进行热成形。或者，可任选对才莫具和受影响的机器部件进行液体冷却而不是对加热元件进行时间控制来防止过度热损害，抑或，除了对加热元件进行时间控制外还可对模具和受影响的机器部件进行液体冷却以防止过度热损害。而且，模具可任选回缩离开加热元件至温度不会造成模具材料的降解的位置。如前所述，加热元件可为能提供辐射热的形式(对于标准的电阻式加热元件、红外加热元件和感应耦合加热元件而言)，或者可为感应线圈的形式，该感应线 圈会产生直接耦合并感应加热针坯料的射频。如果使用感应加热元件，有利 的是将它设计成能有效耦合和加热针坯料，但不会耦合周围的模具。所需的 温度将为上文对其他加热和成形工艺所述的那些温度。
本发明另 一种热成形工艺采用的是激光控制针加热，不过没有进行图 示。顾名思义，这个实施例使用聚焦的强激光束来快速加热针坯料中需要进 行机械成形的部分。可将一束或多束激光同时射向针坯料，以增加加热区域 的长度。还可将激光在针上要成形的那一段快速来回扫射。或者，可在激光 射向针的过程中使针旋转，以增加受热面积。
要认识到，当针坯料接触较低温度的模具时，或者当关闭热能量来源 时，针坯料具有开始冷却的趋势。因此，所有上述热成形工艺都应设计成使 得导致针材料塑性变形的实际成形操作，能相比于针坯料冷却的速度更快地 发生。
现参见图4和5，图中显示了可用于本发明工艺的感应耦合加热夹具 300。可见加热夹具300具有顶部绝缘构件310和底部绝缘构件330。可见 绝缘构件310和330分别具有内腔体315和335。可见绝缘构件310具有延 伸穿出顶部312的^t具通道开口 320;开口 320与腔体315连通。可见半圓 形沟321、 322和323从背面314延伸到内腔体315。同样，可见底部绝缘 构件330具有延伸穿出底部333的模具通道开口 M0;开口 与腔体335 连通。可见半圆形沟341、 342和343从背面334延伸到内腔体3"。当组 装时，沟321、 322和323对齐沟341、 342和343,从而形成射频源的通道 301和302以及保护气体的通道303。还可见底部绝缘构件330具有顶面 332和邻"t秦着较低的狭缝表面338的台阶337。可见绝缘块构件350具有顶 部352和在其中延伸的具有侧向开口 357的腔体355。多个气口 3"从顶部 352延伸到腔体355中而与腔体355连通。模具通道362从顶部352延伸到 腔体355中。同样，；溪具通道364从底部354延伸到腔体355中。可见相对 的两个针狭缝366容纳在构件350的相对的两端353中。容納在构件350中 的还有从腔体355的底部内壁358延伸的键沟狭缝(keyway slot) "9。可 见金属加热元件370容纳在绝缘块构件350的腔体355中。可见加热元件 370具有在加热元件370的正面372中延伸的狭缝380。狭缝380延伸到加
15热元件370的相对的两端377。延伸穿过加热元件370的是具有顶部通道 392和底部通道394的冲莫具通道390。可见^t具通道390与狭缝380相交。 可见多个气流通道395从加热元件370的顶部374向下延伸到狭缝380中。 可见键沟狭缝397容纳在加热元件370的底部376中，以接纳键元件398。 可见射频感应源400是具有入口 405和出口 407的管状感应构件401。构件 401弯曲成具有上部部分410和底部部分415,使得当加热夹具300组装 时，金属加热元件370和绝缘块构件350容纳在这两个部分之间。图5中可见加热夹具300的侧视图。为了组装夹具300,将金属加热元 件370放在绝缘块350的腔体355当中，使狭缝380朝外。然后将键构件 398插入到键沟狭缝397中，键沟狭缝359将加热元件370锁住在腔体355 中。接着，将容纳键连的加热元件370的绝缘块350放在射频感应源400的 上部部分410和底部部分415之间。然后，将这个子组件放在底部构件330 的腔体335中。将顶部绝缘构件310安装到底部构件330,使得构件410的 上部部分410和绝缘块350的上部部分容纳在腔体315当中，从而完成夹具 300的组装。如图5中所见，组装后的夹具300具有由台阶3"和较低的平 台表面338的产生的狭缝305。狭缝305与绝缘块的狭缝和加热元 件37G的狭缝380连通。将夹具300安装到常规的模具压机。在操作中，将 射频感应源400连接到射频发生器。感应源400所产生的射频磁场与加热元 件370耦合，从而引起内部射频电流，而该电流将元件370进行电阻式加 热。使针坯料以移位的方式(in an indexed manner)进料通过夹具300中的 狹缝305、 366和380。当在加热元件370中所容纳的狭缝380中时，外科 手术针坯料被对流和辐射加热到所需的温度，然后移动到狹缝380与模具通 道392和394之间的模具通道390的相交处385当中的模具冲击位置，并在 该模具冲击位置处时维持在该温度下。当被移位到相交处385时，上下两个 模具540和542冲击针坯料610，以产生所需的针体形状、针尖形状或缝合 线接纳槽。在加工过程中，任选将保护气体连接到绝缘块310和330中的气 口 303。参见图6-9,可见针加工机器500。可见机器500具有机架510。安装 到机架510的是模具压机器件520和进料器导轨550。可滑动地安装到进料 器导轨550的是针坯料移位夹具570。有多个针坯料600安装到托架条(carrier strip) 610。托架条610安装到夹具570，使得针坯料朝向模具 压机器件520。加热夹具300安装到模具压机器件520的机架530。上模具 540和下模具542也安装到机架530。在操作中，将耐火金属合金针坯料 600预先安装到托架条610。容納着针坯料600的托架条610安装到夹具 570。将任选的保护气体连接到夹具300中的气口开口 303，使得保护气体 流过绝缘块350中的气口 362和395以及加热元件370，并流出加热元件 370中的狭缝380、绝缘块350中的狭缝366以及绝缘构件310和330之间 的狭缝305。使连接到射频感应源400的射频发生器通电，造成射频源400 发射射频辐射，该辐射对加热元件370进行感应式加热。然后通过常规的移 位控制器和机制来移动夹具570，使得针坯料600移动通过狭缝302、 366 和380并到达狭缝380中的模具冲击位置385。在加热元件的狹缝380中的 停留时间足以在模具成形操作之前和成形操作过程中，将每个针坯料600加 热到高于韧-脆转变温度但低于再结晶温度的温度。上下^f莫具340和342然 后移动通过模具通道，从而有足够的力被模具施加到针坯料上，以有效地将 针坯料成形为所需的构造。该移位过程继续进行，直到托架条610上的所有 针坯料600都被成形。可用于机器500和夹具300的任选保护气体包括氩 气、氢气、氦气、氖气、二氧化碳、C0/C02混合物、前述这些气体的组合 等。与射频源400耦合的射频发生器，将是能产生足够有效的频率(例如在 约1千赫到10兆赫的范围)和具有足够有效的功率输出(例如约1至100 千瓦)的常规发生器。合适的发生器、频率范围和功率输出的选择要取决于 多个因素，包括射频源的大小、加热元件的构造的大小、形状和材料，以及 在加热元件的狭缝中的停留时间(即移位速度)。加热块可由常规的金属和 金属合金如镍基合金、钼基合金或钨基合金制成。绝缘构件和绝缘块可由常 规的绝缘材料如陶资纤维绝缘材料制成。作为本发明新型热成形方法的额外有益效果，可以将可显示高DBTT的 合金成形为缝合针。例如，在W-Re合金系统中，铼浓度高的合金趋于比铼 浓度低的合金具有较低的DBTT。但是，从商业观点来看，铼的原料成本 高，可能是合金中非常昂贵的成分。如果使用本发明的热成形方法，可使用 低铼浓度代替高铼浓度以实现成本的大幅削减。额外有益效果是，理论上可17降低缝合针成品的市场价格，因为原料成本不再需要转移到消费者，而且鴒 合金作为缝合针材料的使用可扩展到更多的针设计。此外，如果使用本发明的热成形方法，可允许合金中的杂质(其具有提高DBTT的作用)有更大的容许量。又一个相关的有益效果是可扩大供应 商范围，从而有可能导致原料成本下降。当将针坯料弯曲以形成具有例如3/8圓周或一个圓周的形状或构造的 弯曲或弓形缝合针时，可看到使用本发明新型方法的还一个额外有益效果。 在常规的于室温下进行的针弯曲工艺中，通常会有残余应力被赋予到针体， 这些残余应力会对针的屈服弯矩造成不利影响。据信在弯曲操作后进行热处 理会消除这些残余应力中的一些或全部，大大地提高针的屈服弯矩。在高温 (例如超过90(TC)下弯曲缝合针的热成形操作，可导致屈服弯矩的类似改 进。通过形成薄薄的天然表面氧化物对耐火合金缝合针进行着色的热处理 方法，可结合本发明的原位热成形方法一起应用。因此耐火合金缝合针可在 针制造操作中进行着色，从而不必要后续的热着色步骤。在着色是期望的结 果的情况中，应避免使用常规的保护气体，或者常规的保护气体应与常规的 氧化气组合使用。但是，如果不期望着色，则可使用保护气体。以下实例旨在说明本发明的原理和实施，而非限制本发明。实例1将由钨-26°/。铼合金组成、标称起始丝径为0,203 mm的针坯料在两个相 对的碳化物模具之间压制，以产生平行相对的针体平面。制备针坯料的钨-26°/。铼材料获自日本东芝公司(Toshiba Corporation,日本横滨)，在金属 丝形式下显示3450 MPa的断裂强度。将常规的气动单轴压机与平坦碳化物 模具一起用于实验。针坯料上要形成针体平面的那一段至少为1 cm。在一 组实验中，在室温下将针坯料压制成不同的厚度，用立体显微镜以30x放大 倍率目测检查裂紋。发现当将针体平面模压至等于或小于约0.175 mm的厚 度时，会有裂紋沿着金属丝长度方向纵向形成。在一组平行进行的实验中， 用类似于图1所示的实验配置，在临压制操作前和在压制操作过程中，对 W-26% Re针坯料进行电阻式加热。用常规的AC自耦变压器充分地递送和调 节通过针坯料的电流。这样，针可被有效地加热到IOO(TC以上，这由发出黄色至白色的光得到证明。整个加热和压制操作花费大约1. 5秒钟。在30x 放大倍率下进行目测检查以检测裂紋。发现被加热到大约IOO(TC以上的针 (发出黄色至白色的光)可产生出0. 15 mm或以下的针体平面，又没有任何可 目测检测到的裂紋。 实例2为了评估实例1的缝合针的軔性，进行了重定形试验(reshape test),其中用合适的常规持针器固定每根针的近端，将针来回弯曲180°多 次，直到针发生断裂。从针的初始形状弯曲9(T算'/2弯曲计数。弯曲计数的 总数是韧性的度量，数值越高表明韧性越大。生产商要求大多数缝合针显示 至少1. 0的重定形数值(reshape value)。以上实例1中制作的W-26% Re缝 合针显示出超过4. 0的重定形数值，从而符合并超过标准要求。本发明热成形外科手术针的新型方法具有许多优点和有益效果。这些 优点和有益效果包括能产生出具有扁平型或工字梁型针体部分、模压的针 尖和缝合线接納槽的耐火合金缝合针，而不会使针坯料破裂或劈裂和不会损 害缝合针的韧性和韧度；通过对缝合针进行热弯曲使抗弯曲性、劲度和强度 提高；通过在热成形过程中的原位自然表面氧化物形成使针表面着色，从而 不需要后续的着色过程；和可选择成本较低的高DBTT耐火合金。虽然本发明已通过其详细实施例得到了显示和描述，但本领域技术人 员会理解，可不背离受权利要求书保护的本发明的精神和范围，对本发明作 出形式上和细节上的各种变化。
权利要求
1.一种将耐火合金成形为外科手术针的方法，所述方法包括提供合金金属针坯料，所述针坯料包含耐火金属合金；提供加热夹具，所述加热夹具包括具有顶面、底面和从底面向上延伸的腔体的上部绝缘构件，该构件具有延伸穿过它的模具通道以接纳模具；具有顶面、底面和从底面向下延伸的腔体的下部绝缘构件，该构件具有延伸穿过它的模具通道以接纳模具；具有腔体和一对相对的针狭缝的绝缘块，该绝缘块具有延伸穿过它的通道以接纳至少一个模具；安装在该绝缘块的腔体中的加热元件块，所述加热元件块具有基本上对齐相对的绝缘块狭缝的纵向针狭缝，且所述加热元件块具有延伸穿过它并与纵向针狭缝相交的模具通道，以接纳至少一个模具；和射频感应源构件，其中，容纳着加热元件和射频感应源构件的绝缘块安装在上下绝缘构件之间的腔体中，以形成感应加热夹具，使得上下绝缘构件之间的狭缝对齐相对的绝缘块狭缝和加热元件块狭缝，且使得下部绝缘构件、绝缘块、加热元件和上部绝缘构件的模具通道基本上对齐；将该针坯料的至少一段加热到高于该合金的韧-脆转变温度但低于该合金的再结晶温度的温度；以及将该针坯料机械成形为外科手术针。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述温度在约IO(TC至约160(TC之 间。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述温度在约60(TC至约140(TC之间。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述合金的断裂伸长率增加到超过5%。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述成形操作选自由针体成形、针 尖模压、针槽模压和针弯曲組成的组。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述合金的铼浓度占约0%至约 30%。
7. 根据权利要求1所迷的方法，其中所述针用热气喷射来加热。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述针用电阻式加热元件来加热。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述针通过使电极接触所述针坯料 和造成电流流过针坯料来加热。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中所述针当在高温下时处于无氧气氛 中。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述无氧气氛是选自由氮气、氩 气、氦气和氢气组成的组的保护气体或保护气体组合。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述耐火合金包含钨和一种或多种 选自由铼、钼、钽、钛、钇、锆和铌组成的组的元素。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述耐火合金包含钼和一种或多种 选自由铼、鴒、钽、锇、铱、钇、锆和铌组成的组的元素。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中所述耐火合金是钨-铼(W-Re)。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述W-Re合金的铼浓度小于 30%,优选26%或更低。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中将所述W-Re合金的温度提高到 IO(TC至160(TC之间，更优选约60(TC至140(TC之间， 其中所述成形操作选自由模压、整平、槽成形、针尖成形和弯曲组 成的组。
17. —种用于加热耐火金属合金外科手术针坯料的加热夹具，包括具有顶面、底面和从底面向上延伸的腔体的上部绝缘构件， 该构件具有延伸穿过它的模具通道以接纳模具；具有顶面、底面和从底面向下延伸的腔体的下部绝缘构件， 该构件具有延伸穿过它的模具通道以接纳模具；具有腔体和一对相对的针狭缝的绝缘块，该绝缘块具有延伸 穿过它的通道以接纳至少一个模具；安装在该绝缘块的腔体中的加热元件块，所述加热元件块具 有基本上对齐相对的绝缘块狭缝的纵向针狭缝，且所述加热元件块 具有延伸穿过它并与纵向针狭缝相交的4莫具通道，以接纳至少一个模具；和射频感应源构件，其中，容纳着加热元件和射频感应源构件的绝缘块安装在上下绝缘 构件之间的腔体中，以形成感应加热夹具，使得上下绝缘构件之间 的狭缝对齐相对的绝缘块狭缝和加热元件块狹缝，且使得下部绝缘 构件、绝缘块、加热元件和上部绝缘构件的^f莫具通道基本上对齐。
18. 根据权利要求17所述的夹具，其另外包括至少一个用于引入气流的 通道。
19. 根据权利要求18所述的夹具，其中所述绝缘块和所述加热元件块另 外包括至少一个用于接纳气流的通道。
20. 根据权利要求19所述的夹具，其中所述加热元件块的气流通道与加 热元件狭缝连通。
21. 根据权利要求17所述的夹具，其中所述射频源构件具有上部部分和 下部部分。
22. —种用于成形耐火合金外科手术针的设备，包括机架；安装到该机架的模具压机，其具有上下模具； 可滑动地安装到该机架的移位夹具，所述夹具能够接纳和夹 持至少一个耐火合金针坯料；感应加热夹具，所述夹具包括具有顶面、底面和从底面向上延伸的腔体的上部绝缘构件， 该构件具有延伸穿过它的模具通道以接纳模具；具有顶面、底面和从底面向下延伸的腔体的下部绝缘构件， 该构件具有延伸穿过它的模具通道以接纳模具；具有腔体和一对相对的针狭缝的绝缘块，该绝缘块具有延伸 穿过它的通道以接纳至少 一个模具；安装在该绝缘块的腔体中的加热元件块，所述加热元件块具 有基本上对齐相对的绝缘块狭缝的纵向针狹缝，且所述加热元件块 具有延伸穿过它并与纵向针狭缝相交的模具通道，以接纳至少 一个模具；和射频感应源构件，其中，容纳着加热元件和射频感应源构件的绝缘块安装在上下绝缘 构件之间的腔体中，以形成感应加热夹具，使得上下绝缘构件之间 的狭缝对齐相对的绝缘块狭缝和加热元件块狭缝，且使得下部绝缘 构件、绝缘块、加热元件和上部绝缘构件的模具通道基本上对齐； 以及其中该移位夹具使每个针坯料移动通过该加热夹具中的狭缝，到达 该加热夹具当中的、在每个针坯料被加热后上下模具可接触每个所 述针坯料的位置。
全文摘要
本发明公开了耐火合金缝合针的热成形方法。从耐火合金制成的针坯料用来形成外科手术针，将该针坯料加热到高于耐火合金的韧-脆转变温度但低于耐火合金的再结晶温度的温度。然后将受热的针坯料机械成形为外科手术针。还公开了使用这个方法来成形耐火合金外科手术针的夹具和设备。
文档编号B21G1/00GK101678435SQ200880018410
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月2日 优先权日2007年6月1日
发明者D·德马雷斯特, T·内林, 小弗兰克·R·西乔奇 申请人:伊西康公司