一种CoCrMo合金人工关节精密锻造方法
【专利摘要】本发明涉及CoCrMo合金人工关节的精密锻造方法，该方法通过下料与制坯得到锻造坯料，然后将坯料进行锻造、校正，并经过最终的打磨与吹砂得到CoCrMo合金人工关节锻件。该方法的优点在于首次确定了CoCrMo合金人工关节适宜的锻造温度范围，在锻造与校正工序后进行回炉保温，从而使CoCrMo合金锻件具有良好的强度与塑性匹配。
【专利说明】一种CoCrMo合金人工关节精密锻造方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种CoCrMo合金人工关节精密锻造方法，属于金属锻造【技术领域】。该方法填补了国内CoCrMo合金人工关节锻造工艺的空白。
【背景技术】
[0002]人工关节是矫形外科领域在20世纪取得的最重要的进展之一，它使过去只能依赖拐杖行走，甚至只能截肢的患者，能像正常人一样行走，也使一些晚期关节严重破坏的类风湿关节炎及骨性关节炎患者，通过手术获得了站立和行走功能，部分或完全恢复了生活自理能力。而随着我国老龄化人口增多，患有关节疾病的人数日益增加，对人工关节的需求相应日益增大，因此加大对人工关节的研究与开发具有重要的现实意义。目前，常用的人工关节材料包括医用不锈钢、钛合金以及钴基合金。但是，医用不锈钢的耐腐蚀性能较差，其在腐蚀性的环境中易发生金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，从而导致毒副作用和植入失败；钛合金的耐磨性能较差，其在骨间产生的磨损颗粒易引起骨溶解、吸收，而且其较高的弹性模量易产生“应力屏蔽”，导致植入失败；而钴基合金虽然价格较高，但具有良好的耐腐蚀性能、出色的耐磨性能以及较低的弹性模量，因此是制备高端人工膝关节、髋关节及脊柱小关节等的理想材料。[0003]目前，金属材料人工关节的制造工艺分为铸造和锻造两种，由于铸造人工关节的加工较容易，且加工成本较低，因此钴基合金人工关节以铸造为主。专利CN1203818C《一种制备钴基合金人工关节锥柄的方法》提供了一种人工关节锥柄的铸造工艺，该工艺采用定向凝固的方法获得了尺寸精度较高的人工关节铸件，依据该工艺制造的CoCrMo合金人工关节毛坯主要性能均满足国家医药局标准YY0117.3-93的要求。但是，随着人们对自身医疗康复事业和医疗安全的逐步重视，人们对人工关节的性能要求不断提高，新的标准YYOl 17.3-2005对CoCrMo合金人工关节性能的检测也更加严格，因此铸造CoCrMo合金人工关节产品合格率有所降低。而相对于铸造人工关节，锻造人工关节由于使粗大的铸造组织得到破碎而得到细小、均匀的微观组织，因此具有更高的强度与韧性。许多国外人工关节生产商纷纷推出了锻造CoCrMo合金人工关节，但是由于国内CoCrMo合金锻造技术还不成熟，国产锻造CoCrMo合金人工关节的生产仍为空白。与钛合金相比，钴基合金锻造时塑性更低，变形抗力更大，因此其锻造难度更大，而锻造工艺参数难以确定。基于上述原因，传统精密模锻工艺生产出的CoCrMo人工关节往往存在裂纹、充填不满等缺陷，产品合格率不高，力学性能也很难满足国际标准IS05832-12的要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种CoCrMo合金人工关节的精密锻造工艺。采用该工艺可以生产出满足国际标准IS05832-12要求的CoCrMo合金人工关节锻件，有效解决了 CoCrMo合金人工关节锻造裂纹、充填不满等问题，使产品合格率大大提高。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:[0006]该种CoCrMo合金人工关节精密锻造方法,所述CoCrMo合金的化学成分及质量百分比为:Cr26.0 ~30.0%, Μο5.0 ~7.0%, C ≤ 0.35%, Ni ( 1.0%, Fe ( 0.75%, Mn ( 1.0%,Si≤1.0%，N^0.25%，余量为Co，其特征在于:该方法的步骤为:
[0007]⑴选用CoCrMo合金棒材,用车床或带锯床下料,通过机械加工方式制成还料；[0008]⑵将电阻炉加热至1000°C~1050°C时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温20~40min，取出坯料并在液压机上进行弯杆，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折置、裂纹缺陷；
[0009]⑶将电阻炉加热至1050°C~1100°C时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温20~40min，将模具加热到200°C~350°C并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出坯料，放入模具模腔内锻造，然后将锻造后的预锻件在切边机上用切边模切边，切边后将预锻件再次放入炉内温度为1050°C~1100°C的电阻炉内回炉保温5min~lOmin，出炉水冷后进行吹砂处理，除去表面氧化层，打磨表面缺陷；
[0010]该步骤所述锻造的变形量为坯料至成品之间所需变形量的85~90% ；
[0011]⑷将电阻炉加热至1000°C~1050°C时放入预锻件，待电阻炉再次到温后保温20~40min，将模具加热到200°C~350°C并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出预锻件，放入模具模腔内校正得到锻件，校正后将锻件再次放入炉内温度为1000°C~1050°C的电阻炉内回炉保温5min~lOmin，出炉水冷，然后打磨飞边，将锻件边缘修整圆滑，吹砂除去表面氧化层，该锻件即是CoCrMo合金人工关节成品；
[0012]该步骤所述校正的变形量为还料至成品之间所需变形量的10~15%。
[0013]在锻造工艺上，钛合金人工关节在预锻和校正后直接空冷至室温，而CoCrMo合金人工关节在预锻和终锻后会回炉保温，然后水冷至室温，此举是为了避免CoCrMo合金锻造过程中析出相的产生，从而提高CoCrMo合金人工关节的强度与塑性。
[0014]在锻造工艺参数方面，由于CoCrMo合金含有较多高熔点元素，锻造时塑性低，变形抗力大，因此其锻造温度较高，适宜的锻造温度区间窄，本发明方案中的锻造工艺参数是经过大量实验研究才获得的。
[0015]相对于已有的CoCrMo合金人工关节制造工艺，本发明具有以下优点:
[0016]1.确定了 CoCrMo合金合理的弯杆、热模锻、校正温度，有效降低了 CoCrMo合金锻造时的变形抗力，避免了锻造裂纹、充填不满等缺陷产生；
[0017]2.在热模锻、校正工序后将CoCrMo合金人工关节锻件回炉保温，然后水冷至室温，可有效提高CoCrMo合金人工关节锻件强度和塑性，从而保证其力学性能满足国际标准IS05892-12 的要求。
【具体实施方式】
[0018]本发明以CoCrMo合金人工髋关节柄为例对本发明技术方案进行具体描述。
[0019]实施例:
[0020]该种合金的化学成分及质量百分比为:Cr26.0~30.0%，Mo5.0~7.0%，C ≤ 0.35%, Ni ( 1.0%, Fe ( 0.75%, Mn ( 1.0%, Si ( 1.0%, N ≤ 0.25%,余量为 Co，其特征在于:该方法的步骤为:
[0021]⑴选用Φ 30mm的CoCrMo合金棒材,用车床或带锯床下料,通过机械加工方式制成坯料，要求表面粗糙度为1.6，检查坯料表面质量，如有裂纹、凹坑等，需用打磨的方法将缺陷去除，并应保证坯料表面无污物；
[0022]⑵将电阻炉加热至1000°C~1050°C时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温30min,逐件取出坯料并在液压机上进行弯杆，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折叠、裂纹缺陷；
[0023]⑶将电阻炉加热至1050°C~1100°C时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温30min,将模具加热到200°C~350°C并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出坯料，放入模具模腔内锻造，然后将锻造后的预锻件在切边机上用切边模切边，切边后将预锻件再次放入炉内温度为1050°C~1100°C的电阻炉内回炉保温lOmin，出炉水冷后进行吹砂处理，除去表面氧化层，打磨表面缺陷； [0024]该步骤所述锻造的变形量为坯料至成品之间所需变形量的85~90% ；
[0025]⑷将电阻炉加热至1000°C~1050°C时放入预锻件，待电阻炉再次到温后保温30min，将模具加热到200°C~350°C并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出预锻件，放入模具模腔内校正得到锻件，校正后将锻件再次放入炉内温度为1000°C~1050 0C的电阻炉内回炉保温5min~lOmin，出炉水冷，然后打磨飞边，将锻件边缘修整圆滑，吹砂除去表面氧化层，该锻件即是CoCrMo合金人工关节成品；
[0026]该步骤所述校正的变形量为还料至成品之间所需变形量的10~15%。
[0027]经检验，通过本工艺所生产的CoCrMo合金人工髋关节柄锻件，产品表面无裂纹、充填不满等缺陷，产品合格率达到90%以上。通过本工艺生产的CoCrMo合金人工髋关节柄锻件力学性能完全满足国际标准IS05832-12要求，其与IS05832-12标准要求力学性能对比如表1所示。
[0028]表1CoCrMo合金人工髋关节柄锻件力学性能与IS05832-12标准要求力学性能对比。
【权利要求】
1.一种CoCrMo合金人工关节精密锻造方法,所述CoCrMo合金的化学成分及质量百分比为:Cr26.0 ~30.0%, Μο5.0 ~7.0%, C ≤ 0.35%, Ni ≤ 1.0%, Fe ( 0.75%, Mn ≤ 1.0%,Si ( 1.0%，N^0.25%，余量为Co，其特征在于:该方法的步骤为: ⑴选用CoCrMo合金棒材,用车床或带锯床下料,通过机械加工方式制成还料； ⑵将电阻炉加热至1000°C~1050°C时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温20~40min,取出坯料并在液压机上进行弯杆，空冷至室温后，吹砂，打磨表面，去除缺陷凹坑、折置、裂纹缺陷； ⑶将电阻炉加热至1050°C~1100°C时放入坯料，待电阻炉再次到温后保温20~40min，将模具加热到200°C~350°C并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出坯料，放入模具模腔内锻造，然后将锻造后的预锻件在切边机上用切边模切边，切边后将预锻件再次放入炉内温度为1050°C~1100°C的电阻炉内回炉保温5min~lOmin，出炉水冷后进行吹砂处理，除去表面氧化层，打磨表面缺陷； 该步骤所述锻造的变形量为坯料至成品之间所需变形量的85~90% ； ⑷将电阻炉加热至1000°C~1050°C时放入预锻件，待电阻炉再次到温后保温20~40min，将模具加热到200°C~350°C并保温热透，在模具模腔内喷涂石墨润滑剂，从炉内取出预锻件，放入模具模腔内校正得到锻件，校正后将锻件再次放入炉内温度为1000°C~10500C的电阻炉内回炉保温5min~lOmin，出炉水冷，然后打磨飞边，将锻件边缘修整圆滑，吹砂除去表面氧化层，该锻件即是CoCrMo合金人工关节成品； 该步骤所述校正的变形量为还料至成品之间所需变形量的10~15%。
【文档编号】C22F1/10GK103667800SQ201310658923
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】林莺莺, 牟哲, 唐志今, 杨大伟, 林海 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院