仿生股骨头生产方法与设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明采用高频快速熔炼与铸造成型模具一体化技术，设计了以低比重大块非晶金属合金为原料，经高频熔炼为粘稠合金液体，将惰性气体通入粘稠合金液体中，在气体膨胀力作用下，使合金液体形成中空球体，在导热良好的陶瓷模具中快速膨胀成型，制造具有中空结构仿生人体股骨头的方法与设备。这种方技术制造的股骨头，与现有金属合金或陶瓷类材料制造的同类产品相比，不仅减轻了重量，而且具有更佳的耐磨损性、耐腐蚀性、及更好的刚性、弹性、韧性，从而大幅度提高了使用寿命，并且可以一次成型，既简化了制造工艺，又降低了制造成本。本发明属于仿生医学与金属铸造加工工艺交叉领域，适用于人造关节、人造骨骼及中空金属制品制造行业。
【背景技术】
[0002]非晶金属又称为液体金属、或玻璃金属。熔融状态的金属液体在极速(百万分之一秒)冷却状况下，金属液体中的原子来不及移动形成有序晶格就以无序状态凝固成固体。这种固体被称之为非晶金属。由于非晶金属固体内部原子分布具有液体的特征，也称为玻璃态特征，所以，非晶金属内部的微观结构与普通金属内部原子有序排列构成晶格的微观结构迥异。这种金属内部原子分布状态的改变，直接导致金属性能发生了令人吃惊的变异。譬如，非晶金属不存在晶格，也就没有晶格之间的滑动和晶格缺陷，因而非晶金属没有普通金属的延展性。正因为非晶金属质地紧密、均匀、无结构性缺陷的玻璃态特性，决定了非晶金属具有普通金属难以媲美的刚性、韧性、弹性和化学稳定性。此外，非晶金属在受热融化时，没有固定的熔点，像玻璃一样，先软化，再由稠变稀，经过一个温度上升区间后，才能完全液化。并且，非晶金属在液化过程中具有较好的流动性和填充性，经冷却固化后、因没有晶体形成，故原子排列状态仍然与液态时相同，所以，体积保持不变。这种特性使得非晶金属可以在一定温度区间内，像玻璃、塑料材料一样，利用模具精确成型。
[0003]由于采用极速冷却方法获得的非晶金属，不但成本高昂且很难获得大体积的非晶金属。通常这种方法只能用于制造薄片状或粉末状的非晶金属。大体积的非晶金属又称大块非晶金属合金。现有的大块非晶金属合金制造技术是利用几种原子体积相差较大的金属，按照一定的配比混合，在加热熔融为液态时，由于金属原子体积相差较大定向移动困难，所以在凝固时难以组合形成有序晶格。因此，通过设计恰当的金属组分和配比，就可以在非极速冷却条件下，得到原子呈无序状态的大块非晶金属合金。
[0004]现有人造股骨头通常采用钛合金、不锈钢及无机陶瓷等材料制造。金属材料具有较好的韧性和弹性，但在化学稳定性、生物亲和性和耐磨性等方面有一定的不足。虽然无机陶瓷材料在化学稳定性、生物亲和性和耐磨性等方面优于金属材料，但在韧性和弹性方面不如金属材料。并且上述材料加工过程比较复杂，比重高于人体骨骼。本发明制造的中空仿生股骨头不但具有上述金属材料、无机陶瓷材料的优点，而且解决了上述金属材料、无机陶瓷材料性能方面的缺陷和不足，还能够一次成型，省去了硬质合金、或陶瓷材料加工过程的复杂工艺。
【发明内容】
[0005]为进一步提高仿生股骨头力学、化学、生物学性能，延长其使用寿命、简化加工工艺、降低制造成本，提高患者手术后的舒适度，本发明提出的生产方法与设备解决方案如下:
[0006]采用以铝、钛、锆、镍、铜、锌、铬等金属元素为主要成分的大块非晶金属合金材料为原料，增强仿生股骨头的抗腐蚀性和抗磨损性，提高仿生股骨头使用性能和使用寿命。
[0007]采用导热性能优良，并具有循环热油调控恒温功能的的氧化铝陶瓷模具作为高频炉，熔融大块非晶金属合金原料，既方便控制大块非晶金属合金原料液化温度，又可以一次成型、简化工艺。
[0008]采用陶瓷通气管将氩气通入大块非晶金属合金液体中形成中空球体，继续增加气压，使金属合金液体充满模具空腔的内壁后冷却成型。这种中空产品即减轻重量又利于快速冷却。此外氩气还作为保护气体，防止大块非晶金属合金原料在高温熔融状态下与空气发生化学反应，避免因产生杂质而影响大块非晶金属合金质量。
【附图说明】
[0009]图1是仿生股骨头生产设备结构示意图。该生产设备由原料熔融加热系统、模具成型系统、模具冷却系统组成。原料熔融加热系统包括:高频电源(I)，高频加热线圈(2)。模具成型系统包括:具有循环热油通道的半圆柱体耐热陶瓷模具(4)及具有循环热油通道的半圆柱体耐热陶瓷模具(5)，及二者组合而成的圆柱体模具(15)，成型腔体(16)，颗粒状大块非晶合金原料熔融而成的大块非晶金属合金液体(7)，中空液态球体(8)，惰性气体高压气源(10)，耐热陶瓷通气插管(11)，通气插管(11)入口(12)。模具冷却系统包括:热油恒温控制箱(13)，热油循环导管(14)。
图2是圆柱体模具(15)结构示意图。半圆柱体耐热陶瓷模具(4)及半圆柱体耐热陶瓷模具(5)内部分别包含有循环热油通道(3)。由模具(4)及模具(5)的两个半边股骨头凹槽完全吻合对接构成完整的股骨头形状腔体(16)作为熔炉的坩祸。利用入口(12)填装非晶合金原料(6)。
图3是中空的仿生股骨头外观图。中空的仿生股骨头(9)外表面与模具内部的成型腔体内壁表面形状完全一致。
图4是中空的仿生股骨头垂直剖面图。由大块非晶合金构成中空的仿生股骨头(9)完全封闭的外壁。
【具体实施方式】
[0010]本发明优选实施方案为:按照仿生股骨头(9)的规格型号，设计成型腔体(16)形状和颗粒状大块非晶合金原料(6)用量。在高温高压条件下，采用氧化铝制作具有循环热油通道(3)的半圆柱体耐热陶瓷模具(4)及(5)，并将其组合为圆柱体模具(15)及成型腔体(16)。该圆柱体模具(15)顶面中心有通气插管(11)入口(12)，在入口(12)上方安装可调压的惰性气体高压气源(10)，将氧化铝耐热陶瓷制作的通气插管(11)与惰性气体高压气源(10)连接后，沿通气插管(11)入口(12)垂直插入成型腔体(16)内。然后，在圆柱体模具(15)外侧环绕安装高频加热线圈(2)并将其与高频电源(I)连接。再将热油恒温控制箱(13)用热油循环导管(14)与圆柱体耐热陶瓷模具(15)内置的热油循环通道(3)连接。以上为仿生股骨头生产设备优选实施方案。
[0011]具体工艺流程如下:将已定量的颗粒状大块非晶合金原料(6)装入圆柱体模具
(15)股骨头(9)成型腔体(16)底部==》将通气插管(11)沿圆柱体模具(15)入口(12)垂直插入成型腔体(16)底部，末端接近颗粒状大块非晶合金原料￠)==》开启惰性气体高压气源(10)通过通气插管(11)向成型腔体(16)通入氩气(10)，将成型腔体(16)内空气全部排出==》启动高频电源(I)使高频加热线圈(2)工作，将大块非晶合金原料(6)熔化为黏稠状大块非晶金属合金液体(7)==》关闭高频电源(I)使高频加热线圈(2)停止加热==》启动热油恒温控制箱(13)通过循环热油导管(14)向圆柱体模具(15)、(4)、(5)内置热油循环通道⑶通入摄氏500度左右的热油，将圆柱体模具(15)温度迅速降低至摄氏500度左右==》将通气插管(11)深入至大块非晶金属合金液体(7)液面之下，继续通入氩气(10)，然后缓慢提升通气插管(11)同时迅速增加氩气(10)气压、使通气插管(11)末端形成大块非晶金属合金液体(7)构成液体中空球体(8)，持续充气使之不断膨胀，直至完全充满成型腔体(16)==》将通气插管(11)提升至圆柱体模具(15)入口(12)保持氩气(10)气压稳定，迅速降低热油(13)温度至室温==》关闭氩气(10)，关闭热油恒温控制箱(13)，从高频加热线圈(2)中取出圆柱体模具(15)，打开模具(15)、(4)、(5)，从中取出仿生股骨头(9)，打磨毛刺，检测、包装。
【主权项】
1.本发明采用高频快速熔炼与压铸成型模具一体化技术，设计了以低比重大块非晶金属合金为原料，经高频熔炼为粘稠合金液体，将惰性气体通入粘稠合金液体中，在气体膨胀力作用下，使合金液体形成中空球体，在导热良好的陶瓷模具中快速膨胀成型，制造具有中空结构仿生人体股骨头的方法与设备。这种技术制造的股骨头，与现有金属合金或陶瓷类材料制造的同类产品相比，不仅减轻了重量，而且具有更佳的耐磨损性、耐腐蚀性、及更好的刚性、弹性、韧性，从而大幅度提高了使用寿命，并且可以一次成型，既简化了制造工艺，又降低了制造成本。本发明属于仿生医学与金属铸造加工工艺交叉领域，适用于人造关节、人造骨骼及中空金属制品制造行业。 本发明独有的，与现有技术不同的技术特征为: .1)将高频熔炼炉陶瓷坩祸(15)直接设计为股骨头(9)模具(15)、(4)、(5)、(12)，使模具(15)、(4)、(5)、(12)腔体(16)同时具备高频熔炼炉坩祸(15)功能。 . 2)将惰性气体(10)通过陶瓷插管(11)通入模具(15)腔体(16)大块非晶金属合金液体(7)内部，使通气插管(11)末端形成大块非晶金属合金液体(7)构成液体中空球体(8)，持续充气使之不断膨胀，直至完全充满成型腔体(16)，实现一次成型精密铸造中空仿生股骨头(9)。 除上述独有的，以及与现有技术不同的技术特征外，本发明还要求保护以下技术范围: . 3 )包括但不限于采用以铝、钛、锆、镍、铜、锌、铬等金属元素为主要成分的大块非晶金属合金材料(6)为原料。 . 4)包括但不限于采用循环热油(13)、(14)、(3)装置调控陶瓷模具(15)、(16)、(4)、(5)、(9)的恒温功能。 . 5)包括但不限于采用惰性气体(10)之外的不活泼气体作为非晶金属合金液体(7)的膨胀气体和保护气体。 . 6)包括但不限于采用氧化铝陶瓷制作导热性能优良的陶瓷模具(15)、(4)、(5)及通气插管(11)。 . 7 )包括但不限于使用本发明技术与设备生产制造仿生股骨头(9)产品。例如利用本发明制造各种中空板材、线材或异型材，均属于受保护的技术范围。
【专利摘要】本发明采用高频快速熔炼与压铸成型模具一体化技术，设计了以低比重大块非晶金属合金为原料，经高频熔炼为粘稠合金液体，将惰性气体通入粘稠合金液体中，在气体膨胀力作用下，使合金液体形成中空球体，在导热良好的陶瓷模具中快速膨胀成型，制造具有中空结构仿生人体股骨头的方法与设备。这种技术制造的股骨头，与现有金属合金或陶瓷类材料制造的同类产品相比，不仅减轻了重量，而且具有更佳的耐磨损性、耐腐蚀性、及更好的刚性、弹性、韧性，从而大幅度提高了使用性能和寿命，并且可以一次成型，既简化了制造工艺，又降低了制造成本。本发明属于仿生医学与金属铸造加工工艺交叉领域，适用于人造关节、人造骨骼及中空金属制品制造行业。
【IPC分类】B22D25/02, B22D35/06
【公开号】CN105081286
【申请号】CN201510324546
【发明人】刘南林
【申请人】刘南林
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年6月5日