人工关节新型合金及其熔炼工艺的制作方法

本发明涉及人工关节
技术领域：
，尤其涉及一种人工关节新型合金及其熔炼工艺。
背景技术：
：现有人工关节合金可以分为两大类，一类是钛基合金；一类是钴基合金。钴基合金又分为铸造钴基合金和锻造钴基合金。钛基合金有一个最突出的优点，就是无磁性。这一点很重要，尤其是随着时代的发展越来越重要。人类植入人工关节的原因，在早期的多由于事故外伤引起。而现在，越来越多的是由于人口老龄化使越来越多的人因骨质疏松而在日常生活中的意外引起的。甚至年轻人的现代生活方式也正在导致骨质疏松症趋于低龄化。越来越多的处于亚健康状态的年轻人和病弱的年轻人也因骨质疏松导致植入人工关节。而一旦植入人工关节，就有一个问题会出现，即；所植入的人工关节有没有磁性？这个问题在以前并不突出。原因有两方面，一方面是以前的人从很少生病就医的青壮年期到年老去世，之间的体弱多病的老年期时间很短。随着医学科学的发展，体弱多病的老年期在一个人的一生中所占的比例越来越长，这样，因病在医院做检查就比以前大大增多；另一方面是以前的科学水平，就是在大医院的检查手段中，也没有诸如ct扫描以及核磁共振等先进的电磁检查手段，而现在此类的仪器手段越来越普遍。因此，现在越来越多的人因为身体内有植入的人工关节是有磁性的，而不能接受诸如ct扫描以及核磁共振等医学检查。因此使疾病无法得到有效的治疗，甚至有些挽救生命的手术都不得不放弃。因此，随着人们经济收入水平的提高，从一开始就选择植入无磁性合金人工关节正在成为最重要的要考虑的问题。如前所述，钛基合金人工关节是无磁性。但是钛基合金人工关节为了保证其力学性能达到要求，都不得不加入铝、钒等对人体有毒害的元素。这些元素对人体的毒害性正在越来越被人类所认识到，例如铝元素会导致人患早老性痴呆症，这目前已经到了妇孺皆知的程度。铝饭盒、铝锅、铝炒菜铲子已经彻底被镍铬不锈钢的相应制品所代替了。而钒元素对人体具有潜在的细胞毒性，已有不少文献报道。因此，目前世界各国都在致力于研发无铝、钒的新型钛基合金，而目前仍未见商业应用，目前大量商业应用的仍然是含铝、钒的钛基合金。无铝、钒的新型钛基合金的研发前景也是不乐观的，因为目前替代元素都达不到铝、钒所能起到的耐磨性效果，耐磨性差会导致关节面金属微粒脱落，引起关节松动，以及金属微粒引起人体过敏反应。而如果引入人工关节从未使用过的合金元素到所研发的钛基合金里，则需要长期的无害性和人体生物相容性临床验证，而这样的验证试验随着时代的发展越来越没有可能做。例如，根据文献报道，有一种名叫tlm的新型钛基合金，它的研发目的就是实现无毒，但是铝、钒虽然是不含了，但却含有人工关节从未使用过的锆和锡，而且其屈服强度据报道是365mpa这根据中华人民共和国医用外科植入物行业标准yy0117.3—2005规定屈服强度应不低于450mpa来说，是不合格的。钴基合金人工关节分为两种，一种是铸造钴基合金人工关节；一种是锻造钴基合金人工关节。铸造钴基合金人工关节虽然有的是无磁或者微磁的，但由于铸造本身的特点，其耐磨性和耐腐蚀性不如锻造钴基合金人工关节，因此使用寿命短。而对于一个人来说，在有生之年，尤其是晚年，再做一次手术，换一个人工关节几乎是不可能的。而锻造钴基合金人工关节，目前多是有磁的，少数微磁的也由于其他性能指标低于国家标准而未见大量商业应用。技术实现要素：鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种人工关节新型合金及其熔炼工艺，用以解决现有钴基合金，尤其是锻造型钴基合金晶体结构不稳定，锻造后有磁性。铸造型钴基合金虽然有的没有磁性，但是其使用寿命远不及锻造型钴基合金。钛基合金虽然没有磁性，但是目前商业应用的都不同程度地有毒性。本发明的新型合金是既无磁性，又无毒性，其他性能与现有的人工关节合金或相当或是完全满足相应的国家标准。本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种人工关节新型合金，该人工关节新型合金的成分按重量百分比为：ni：35％-65％、co：15％-30％、cr：15％-30％、ti：0.0％-5.5％、mo：0.0％-6.0％、nb：0.0％-6.0％、fe：0.0％-5.5％、c：0.0％-1.0％；人工关节新型合金的晶体结构均为稳定的立方奥氏体晶体结构。人工关节新型合金的成分按重量百分比为：ni：40％-52％、co：16％-23％、cr：16％-23％、ti：0.1％-2.0％、mo：0.1％-3.5％、nb：3.0％-6.0％、fe：0.1％-2.0％、c：0.1％-0.6％。人工关节新型合金的成分按重量百分比为：ni：53％-64％、co：25％-29％、cr：24％-29％、ti：2.5％-5.0％、mo：4.0％-5.5％、nb：0.1％-2.5％、fe：2.5％-5.0％、c：0.7％-0.9％。一种该人工关节新型合金的熔炼工艺，熔炼工艺采用真空感应炉进行熔炼；该熔炼工艺的步骤为：s1、将的人工关节新型合金的各种元素成分重量百分比取中限值乘以所炼炉料总重量，得出相应元素的炉料分重量；s2、按照步骤s1所计算出的各元素炉料分重量称取各元素炉料所需的金属原材料；重量称取精确到克；各元素炉料的相应合金元素含量不得小于99.9％；s3、将步骤s2所称好的各元素炉料放置入熔炼炉坩埚，按顺序，低熔点的元素炉料放在下部，高熔点的元素炉料放在上部；s4、关闭熔炼炉盖；开启真空泵；当真空度达到3pa时，给电熔化炉料；s5、当炉料全部熔化成为液体之后，提高给电功率使合金液体温度达到1600℃正负10℃，真空度达到0.5～0.1pa之内；维持60分钟；然后停电降温；s6、当步骤s5的合金液体温度降至1450℃正负10℃时，给电，调整功率为熔化功率的30％，倾斜坩埚烙烫坩埚嘴；当真空度达到0.4pa时，倾转坩埚将合金液体浇注到钢锭模或者铸型中，然后关闭电源；s7、当步骤s6的浇注完成之后，等待10分钟以上，方可打开炉盖，吊出合金锭模或者铸型；s8、打开步骤s7的合金锭模或者铸型，取出合金锭或者铸件，在相应规定的部位切取化学分析样块；送检合格后，即告该合金熔炼工作完成；如果送检结果不合格，则需查找各个环节，纠正失误，重新熔炼。步骤s8的具体步骤为：在合金锭中部取样化验；化验结果不符合人工关节新型合金的成分的重量百分比时，对真空感应炉中的合金锭取三样化验，三样中任一取样的化验结果不符合人工关节新型合金的成分的重量百分比则制备的人工关节新型合金不合格。本发明有益效果如下：1、本发明的一种新型人工关节合金是无磁的、而且没有毒性，其他方面的性能指标均符合国家标准；2、本发明的一种新型人工关节合金易于铸造和锻造(因为锻造也需要先铸造出来金属毛坯)，且锻造之后仍然没有磁性；3、本发明的一种新型人工关节合金由于使用贵金属较少和易于铸造和锻造所带来的成品合格率高，能源和材料消耗少，所以从长远看，该合金属于资源节约型，环境保护型，具有可持续发展的意义；4、本发明的一种新型人工关节合金所有组成元素都是在现有人工关节合金中已经早有应用的，因此，其在医用植入物中的可用性已无需临床验证，也可以用于其他医用人体植入物。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为一种新型人工关节合金的光学金相铸造铸态组织示意图；图2为一种新型人工关节合金的光学金相锻造退火组织示意图；具体实施方式下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。一种人工关节新型合金，该人工关节新型合金的成分按重量百分比为：ni：35％-65％、co：15％-30％、cr：15％-30％、ti：0.0％-5.5％、mo：0.0％-6.0％、nb：0.0％-6.0％、fe：0.0％-5.5％、c：0.0％-1.0％；人工关节新型合金的晶体结构均为稳定的立方奥氏体晶体结构。人工关节新型合金的成分按重量百分比为：ni：40％-52％、co：16％-23％、cr：16％-23％、ti：0.1％-2.0％、mo：0.1％-3.5％、nb：3.0％-6.0％、fe：0.1％-2.0％、c：0.1％-0.6％。人工关节新型合金的成分按重量百分比为：ni：53％-64％、co：25％-29％、cr：24％-29％、ti：2.5％-5.0％、mo：4.0％-5.5％、nb：0.1％-2.5％、fe：2.5％-5.0％、c：0.7％-0.9％。较优的，人工关节新型合金的成分按质量百分比为：ni：48％-51％、co：20％-22％、cr：19％-22％、ti：0.6％-1.2％、mo：1.0％-3.0％、nb：4.0％-6.0％、fe：0.8％-1.2％、c：0.2％-0.5％。该合金与现有钴基人工关节合金相比，大幅度降低了钴的含量，提高了镍的含量，这里的设计理念就是为了获得稳定的，无磁性的面心立方奥氏体(fcc)晶体结构，现有的人工关节合金虽然也有的是这种晶体结构，但是不稳定，在加工成为人工关节最终产品的时候，会转变为有磁性的体心立方马氏体(hcp)晶体结构或者是两相共存，考虑到镍元素的单质体只有面心立方(fcc)一种可能存在的晶体结构，在合金中有强烈的fcc晶体结构促进作用，而钴元素的单质体是面心立方(fcc)和体心立方(hcp)两种可能存在的晶体结构，这就奠定了它所形成的合金的晶体结构不稳定性的先天成因。因此为了设计出一种完全无磁和稳定无磁的并且符合植入人体各项要求的合金，就设计出了wkg-1a的合金成分。此合金成分也由于价格远高于镍元素的钴元素的用量减少，而大幅度降低了合金的成本。还由于镍是公认的可提高钴基合金可铸性和可锻性的元素，因此，会明显降低生产难度和提高产品的合格率由此而降低人工关节的生产成本。而且该合金的所有组成元素都是在现有人工关节合金中早有应用的，因此，其在医用植入物中的可用性已无需临床验证。一种该人工关节新型合金的熔炼工艺，熔炼工艺采用真空感应炉进行熔炼，该熔炼工艺的步骤为：s1、将的人工关节新型合金的各种元素成分重量百分比取中限值乘以所炼炉料总重量，得出相应元素的炉料分重量；s2、按照步骤s1所计算出的各元素炉料分重量称取各元素炉料所需的金属原材料；重量称取精确到克；各元素炉料的相应合金元素含量不得小于99.9％；s3、将步骤s2所称好的各元素炉料放置入熔炼炉坩埚，按顺序，低熔点的元素炉料放在下部，高熔点的元素炉料放在上部；s4、关闭熔炼炉盖；开启真空泵；当真空度达到3pa时，给电熔化炉料；s5、当炉料全部熔化成为液体之后，提高给电功率使合金液体温度达到1600℃正负10℃，真空度达到0.5～0.1pa之内；维持60分钟；然后停电降温；s6、当步骤s5的合金液体温度降至1450℃正负10℃时，给电，调整功率为熔化功率的30％，倾斜坩埚烙烫坩埚嘴；当真空度达到0.4pa时，倾转坩埚将合金液体浇注到钢锭模或者铸型中，然后关闭电源；s7、当步骤s6的浇注完成之后，等待10分钟以上，方可打开炉盖，吊出合金锭模或者铸型；s8、打开步骤s7的合金锭模或者铸型，取出合金锭或者铸件，在相应规定的部位切取化学分析样块；送检合格后，即告该合金熔炼工作完成；如果送检结果不合格，则需查找各个环节，纠正失误，重新熔炼。步骤s8的具体步骤为：在合金锭中部取样化验；化验结果不符合人工关节新型合金的成分的重量百分比时，对真空感应炉中的合金锭取三样化验，三样中任一取样的化验结果不符合人工关节新型合金的成分的重量百分比则制备的人工关节新型合金不合格。具体实施例：1、wkg-1a合金制备使用100公斤级真空反应炉，熔炼70公斤配料，熔炼工艺如下：s1、将人工关节新型合金的各种元素成分重量百分比取中限值乘以所炼炉料总重量，得出相应元素的炉料分重量，按照计算出的各元素炉料分重量称取各元素炉料所需的金属原材料。重量称取精确到克。金属原材料的相应元素元素含量不得小于99.9％。s2、将称好的各元素炉料放置入熔炼炉坩埚，按顺序，低熔点的元素炉料放在下部，高熔点的元素炉料放在上部；关闭熔炼炉盖。开启真空泵。s3、当真空度达到3pa时，给电(给电功率根据不同炉型和炉料多少而定)熔化炉料。s4、当炉料全部熔化成为液体之后，提高给电功率使合金液体温度达到1600℃正负10℃，真空度达到0.5～0.1pa之内。维持60分钟。然后停电降温。s5、当合金液体温度降至1450℃正负10℃时，给电，功率到熔化功率的30％，倾斜坩埚烙烫坩埚嘴。当真空度达到0.4pa时，倾转坩埚将合金液体浇注到合金锭模或者铸型中，然后关闭电源；s6、当浇注完成之后，等待10分钟以上，方可打开炉盖，吊出合金锭模或者铸型；s7、打开钢锭模或者铸型，取出钢锭或者铸件，在相应规定的部位切取化学分析样块，送检合格后，即告该合金熔炼工作完成。如果送检结果不合格，则需查找各个环节，纠正失误，重新熔炼。浇注完成凝固后，在钢锭中部取样化验，总共冶炼2炉，化验结果如表1所示：表1实际冶炼2炉wkg-1a合金锭的化验结果2、wkg-1a合金的微观金相组织观察如图1、图2所示，对第一炉合金进行光学金相组织观察。3、wkg-1a合金的物力性能对对第一炉合金进行物力性能测试，测试结果如表2所示：表2合金的物理性能由表2可以看出，该新型合金的洛氏硬度与现有人工关节的两种具有代表性的合金基本相当，屈服强度符合中华人民共和国医用外科植入物行业标准yy0117.3-2005规定的屈服强度应不低于450mpa的要求，但是没有磁性和毒性。4、wkg-1a合金的化学性能对wkg-1a合金进行医用植入物合金耐腐蚀性的国家标准试验，试验结果如表3所示：表3wkg-1a合金耐na2s腐蚀性国标试验结果试验项目72小时168小时有磁性有毒性wkg-1a仍有光泽略有光泽无无f562仍有光泽失去光泽有无ti-6al-4v仍有光泽失去光泽无有注释：耐腐蚀性试验国家标准号：gb/t17168—1997由表3可以看出，该新型合金的耐腐蚀性与现有人工关节的两种具有代表性的合金基本相当，但是没有磁性和毒性。综上所述，本发明实施例提供了一种人工关节新型合金及其熔炼工艺，该新型人工关节合金是无磁的、而且没有毒性，其他方面的性能指标均符合国家标准，并且易于铸造(因为锻造也需要先铸造出来金属毛坯)和锻造，且锻造之后仍然没有磁性，而且由于使用贵金属较少和易于铸造和锻造所带来的成品合格率高，能源和材料消耗少，所以从长远看，该合金属于资源节约型，环境保护型，具有可持续发展的意义。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12