一种子弹体、其制备方法及医疗器械与流程

本发明涉及表面镀膜技术领域，且特别涉及一种子弹体、其制备方法及医疗器械。

背景技术：

摩擦磨损失效是医疗器械高速运动关键部件的主要失效形式，以治疗骨折延迟愈合、钙化性肌腱炎等疾病具有很大功效的气动弹道式冲击波治疗仪为例，治疗仪中高速运动的关键部件子弹体在弹道内高速、往返运动，容易因长时且多频次与气缸内壁发生摩擦而失效。

目前，进口冲击波治疗仪子弹体使用次数一般为100万-500万次，而国产的子弹体使用次数仅为10万次左右。子弹体作为易耗件，失效后需要同气缸一起更换，不能单独购进气缸和子弹体，需要整机购进。也就是说，子弹体的使用寿命直接决定了气动弹道式冲击波治疗仪的使用效率和运营成本。若能解决子弹体摩擦磨损失效这一技术问题，则可实现冲击波治疗仪国产化制造，这就只需对子弹体和气缸进行更换，对医疗器械国产化制造具有重要意义。

但是，目前子弹体仍然存在着耐磨性能差、强度不高的问题，鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种子弹体，旨在提升子弹体的耐磨性能，延缓子弹体在高速运动下的摩擦磨损失效。

本发明的另一目的在于提供一种子弹体的制备方法，其有效解决子弹体的摩擦磨损失效问题，显著延长子弹体的使用寿命。

本发明的第三目的在于提供一种医疗器械，其具有使用寿命长的优点，能够显著延长子弹体等零件的更换周期。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出了一种子弹体，用于在医疗器械中做往复运动，包括子弹体本体和涂覆于所述子弹体本体表面的复合膜层，所述复合膜层从里至外依次包括氮化物膜层、金属碳化物膜层和类金刚石膜层。

本发明还提出一种子弹体的制备方法，包括：在子弹体本体上形成复合膜层。

本发明还提出一种医疗器械，包括上述子弹体。

本发明实施例提供一种子弹体及其制备方法的有益效果是：其通过在子弹体本体上依次形成氮化物膜层、金属碳化物膜层和类金刚石膜层，可有效提高子弹体的耐磨减磨性能，从而提高子弹体的使用寿命。

本发明实施例还提供一种医疗器械，其包括上述子弹体，通过子弹体的改进，延缓子弹体在高速运动下的摩擦磨损失效，延长了设备的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的子弹体的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的子弹体表面的膜层结构示意图；

图3为本发明实施例提供的以子弹体为基体的表面涂层的干摩擦性能测试结果图；

图4为本发明实施例提供的以子弹体为基体的表面涂层的划痕图。

图标：100-子弹体；101-子弹体本体；102-复合膜层；103-氮化物膜层；104-金属膜层；105-金属碳化物膜层；106-带有掺杂物的类金刚石膜层；107-类金刚石膜层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例提供的一种子弹体、其制备方法及医疗器械进行具体说明。

请参照图1-2，本发明实施例提供了一种子弹体100，用于在医疗器械中做往复运动，包括子弹体本体101和涂覆于子弹体本体101表面的复合膜层102，复合膜层102从里至外依次包括氮化物膜层103、金属膜层104、金属碳化物膜层105、带有掺杂物的类金刚石膜层106和类金刚石膜层107。

需要说明的是，发明人通过在子弹体本体101上依次沉积氮化物膜层103、金属膜层104、金属碳化物膜层105、带有掺杂物的类金刚石膜层106和类金刚石膜层107这五个膜层，使子弹体100的耐磨性能显著提升，有效地提高子弹体表面整体的硬度、结合力、耐磨性以及自润滑性能，延缓子弹体在高速运动下的摩擦磨损失效，防止频繁更换子弹体100所带来的经济损耗。

在一些实施例中，可以不引入金属膜层104和带有掺杂物的类金刚石膜层106，其仍然具备较好的耐摩擦性能，但是膜层的结合力将一定程度上下降。

进一步地，氮化物膜层103为cr、ti和zr中的至少一种元素的氮化物形成的膜层；优选为crn形成的膜层；优选地，氮化物膜层103的厚度为0.2um～1.5um。发明人发现，采用crn形成的膜层，相比于其他氮化物能够进一步提升材料的耐磨性能和强度。

进一步地，金属膜层104为cr、ti、zr和w中的至少一种金属所形成的膜层；更优选为cr形成的膜层；优选地，金属膜层104的厚度为0.1um～1um。同样，采用cr作为金属膜层的涂层材料，能够进一步改善膜层的耐磨性能，提升子弹体的使用寿命。

进一步地，金属碳化物膜层105是由金属膜层和碳化物膜层交替沉积得到的；优选地，金属碳化物膜层105中的金属膜层是由zr、ti、cr和w中的至少一种所形成的膜层；金属碳化物膜层105中的碳化物膜层是由zrc、tic、crc和wc中的至少一种所形成的膜层；优选地，金属碳化物膜层105的厚度为0.1um～1um。采用金属膜层和碳化物膜层交替沉积的方式，有利于得到具有高硬度、高结合力、低摩擦系数、高耐磨性的自润滑膜层，进而可以有效的延缓子弹体在高速运动下的摩擦磨损失效，显著提高子弹体使用寿命。

在一些优选的实施例中，金属碳化物膜层105中的金属膜层是由cr形成的膜层，金属碳化物膜层105中的碳化物膜层是由wc形成的膜层，采用cr膜层配合wc膜层的方式能够进一步改善膜层的耐磨性能。

进一步地，带有掺杂物的类金刚石膜层106中的掺杂元素选自cr、ti、zr和w中的至少一种；优选地，掺杂元素为w，带有掺杂物的类金刚石膜层106的厚度为0.2um～1.5um；带有掺杂物的类金刚石膜层106能够显著改善膜层之间的结合力，有利于进一步提升膜层的硬度和耐磨性能。

进一步地，类金刚石膜层107为非晶碳膜；优选地，类金刚石膜层107选自金属掺杂非晶碳膜、含氢非晶碳膜和金属掺杂含氢非晶碳膜中的任意一种；类金刚石膜层107的厚度为0.5um～3um。类金刚石膜层107原料的形状不限，可以为四面体形。以上几种类金刚石膜层均为现有的膜层材料，不做过多赘述。

需要指出的是，发明人通过子弹体100膜层的改进，经测定类金刚石膜层的表面粗糙度为ra0.03～0.1um，膜基结合力为50～100n，摩擦系数为0.05～0.2，显微硬度为hv2000～7000。复合膜层102是一种具有高硬度、高结合力、低摩擦系数、高耐磨性的自润滑膜层，能够显著提升子弹体的耐磨性能，进而提升其使用寿命，具有非常好的应用前景。

本发明实施例还提供了一种子弹体的制备方法，包括：在子弹体本体上形成复合膜层，可有效提高膜层的耐磨减磨性能，从而提高子弹体的使用寿命。

具体地，复合膜层中每一层的形成方式分别独立选自物理气相沉积法(pvd)、等离子体增强化学气相沉积法(pe-cvd)和离子源镀膜法中的任意一种，其中，物理气相沉积法为磁控溅射法或电弧离子镀法。以上镀膜方法均为现有方法，其原理不做过多赘述。

在优选的实施例中，氮化物膜层103、金属膜层104、金属碳化物膜层105和带有掺杂物的类金刚石膜层106均是采用磁控溅射法形成，类金刚石膜层是采用等离子体增强化学气相沉积法或离子源镀膜法形成。发明人通过选择各膜层的形成方式，进一步提高膜层的结合力，并有利于改善膜层的耐磨减摩性能。

在优选的实施例中，在子弹体本体上进行涂覆之前，采用等离子体刻蚀的方法进行预处理，以提高膜层的沉积效果，进一步改善膜层的结合力。

进一步地，在采用磁控溅射法形成氮化物膜层103的过程中，沉积时间为70～80min，氮气流量50～70ml/min，溅射功率为4.5～5.5kw，氩气流量110～130ml/min。在采用磁控溅射法形成金属膜层104的过程中，沉积时间为10～15min，溅射功率为4.5～5.5kw，氩气流量110～130ml/min。在采用磁控溅射法形成金属碳化物膜层105的过程中，是将金属和碳化物进行交替沉积，沉积时间为15-25min，金属靶和碳化物靶的溅射功率均为0.5～5.0kw，氩气流量110～130ml/min。在采用磁控溅射法形成带有掺杂物的类金刚石膜层106的过程中，沉积时间为40～60min，溅射功率为4.5～5.5kw，乙炔流量40～50ml/min，氩气流量110～130ml/min。采用等离子体增强化学气相沉积法形成类金刚石膜层107过程中，沉积时间为250～350min，偏压0～750v，乙炔流量200～500ml/min。

需要说明的是，发明人进一步优化了各膜层的镀膜工艺，进一保证了膜层的结合力和耐磨减磨性能，从而提高子弹体的使用寿命。

本发明实施例还提供了一种医疗器械，包括上述子弹体；医疗器械选自冲击波治疗仪、振动式物理治疗仪中的任意一种。还可以包括气缸等部件，高速运动的关键部件子弹体在弹道内高速、往返运动。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种子弹体的制备方法，其包括以下步骤：

s1：将子弹体本体101置于全自动清洗线清洗40min后装夹好，置于真空室中，加热至100℃，进行抽气并抽至4×10^-3pa以上的真空度。

s2：对清洗干净的子弹体本体101采用多功能真空镀膜设备等离子体刻蚀技术实施预处理，其中等离子体刻蚀参数为：偏压200v，辅助阳极电流65a，氩气流量60ml/min。

s3：对预处理后的子弹体本体101采用多功能真空镀膜设备磁控溅射技术，首先沉积tin膜层(氮化物膜层103)，沉积时间75min，其中磁控溅射参数为：氮气流量60ml/min，ti靶功率为5kw，氩气流量120ml/min。

s4：在第s3步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属ti膜层(金属膜层104)，沉积时间12min，其中磁控溅射参数为：ti靶功率为5kw，氩气流量120ml/min。

s5：在第s4步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属ti膜层与wc膜层交替膜层(金属碳化物膜层105)，沉积时间为18min，其中磁控溅射参数为：ti靶功率为3kw，wc靶功率为3kw，氩气流量120ml/min。

s6：在第s5步的基础上采用磁控溅射与pe-cvd复合沉积掺钨类金刚石膜层(带有掺杂物的类金刚石膜层106)，沉积时间为50min，其中磁控溅射参数为：wc靶功率为5kw，乙炔气体流量45ml/min，氩气流量120ml/min。

s7：在第s6的基础上采用pe-cvd技术沉积类金刚石膜层(类金刚石膜层107)，沉积时间为300min，其中pe-cvd沉积参数为：偏压500v，乙炔流量200ml/min。

s8：当炉内温度低于150℃时即可获得带有多层结构膜层的医疗器械运动部件子弹体。

实施例2

本实施例提供一种子弹体的制备方法，其包括以下步骤：

s1：将子弹体100置于全自动清洗线清洗40min后装夹好，置于真空室中，加热至100℃，进行抽气并抽至4×10^-3pa以上的真空度。

s2：对清洗干净的子弹体基体采用多功能真空镀膜设备等离子体刻蚀技术实施预处理，其中等离子体刻蚀参数为：偏压220v，辅助阳极电流80a，氩气流量60ml/min。

s3：对预处理后的子弹体基体采用多功能真空镀膜设备磁控溅射技术，首先沉积crn膜层(氮化物膜层103)，沉积时间75min，其中磁控溅射参数为：氮气流量60ml/min，cr靶功率为5kw，氩气流量120ml/min。

s4：在第s3步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属cr膜层(金属膜层104)，沉积时间12min，其中磁控溅射参数为：cr靶功率为5kw，氩气流量120ml/min。

s5：在第s4步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属cr膜层与wc膜层交替复合膜层(金属碳化物膜层105)，沉积时间为18min，其中磁控溅射参数为：cr靶功率为3kw，wc靶功率为3kw，氩气流量120ml/min。

s6：在第s5步的基础上采用磁控溅射与pe-cvd技术复合沉积掺钨类金刚石膜层(带有掺杂物的类金刚石膜层106)，沉积时间为50min，其中磁控溅射参数为：wc靶功率为5kw，乙炔气体流量45ml/min，氩气流量120ml/min。

s7：在第s6的基础上采用pe-cvd技术沉积类金刚石膜层(类金刚石膜层107)，沉积时间为300min，其中pe-cvd沉积参数为：偏压750v，乙炔流量500ml/min。

s8：当炉内温度低于150℃时即可获得带有多层结构膜层的医疗器械高速运动关键部件子弹体。

实施例3

本实施例提供一种子弹体的制备方法，与实施例2不同之处仅在于s3-s7，具体如下：

s3：对预处理后的子弹体基体采用多功能真空镀膜设备磁控溅射技术，首先沉积zrn膜层(氮化物膜层103)，沉积时间70min，其中磁控溅射参数为：氮气流量50ml/min，zr靶功率为4.5kw，氩气流量110ml/min。

s4：在第s3步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属zr膜层(金属膜层104)，沉积时间10min，其中磁控溅射参数为：zr靶功率为4.5kw，氩气流量110ml/min。

s5：在第s4步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属zr膜层与wc膜层交替复合膜层(金属碳化物膜层105)，沉积时间为15min，其中磁控溅射参数为：zr靶功率为0.5kw，wc靶功率为0.5kw，氩气流量110ml/min。

s6：在第s5步的基础上采用磁控溅射与pe-cvd技术复合沉积掺钨类金刚石膜层(带有掺杂物的类金刚石膜层106)，沉积时间为40min，其中磁控溅射参数为：wc靶功率为4.5kw，乙炔气体流量40ml/min，氩气流量110ml/min。

s7：在第s6的基础上采用pe-cvd技术沉积类金刚石膜层(类金刚石膜层107)，沉积时间为250min，其中pe-cvd沉积参数为：偏压500v，乙炔流量200ml/min。

实施例4

本实施例提供一种子弹体的制备方法，与实施例2不同之处仅在于s3-s7，具体如下：

s3：对预处理后的子弹体基体采用多功能真空镀膜设备磁控溅射技术，首先沉积crn膜层(氮化物膜层103)，沉积时间80min，其中磁控溅射参数为：氮气流量70ml/min，cr靶功率为5.5kw，氩气流量130ml/min。

s4：在第s3步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属cr膜层(金属膜层104)，沉积时间15min，其中磁控溅射参数为：cr靶功率为5.5kw，氩气流量130ml/min。

s5：在第s4步的基础上采用磁控溅射技术沉积金属cr膜层与wc膜层交替复合膜层(金属碳化物膜层105)，沉积时间为25min，其中磁控溅射参数为：cr靶功率为5kw，wc靶功率为5kw，氩气流量130ml/min。

s6：在第s5步的基础上采用磁控溅射与pe-cvd技术复合沉积掺钨类金刚石膜层(带有掺杂物的类金刚石膜层106)，沉积时间为60min，其中磁控溅射参数为：wc靶功率为5.5kw，乙炔气体流量50ml/min，氩气流量130ml/min。

s7：在第s6的基础上采用pe-cvd技术沉积类金刚石膜层(类金刚石膜层107)，沉积时间为350min，其中pe-cvd沉积参数为：偏压750v，乙炔流量500ml/min。

实施例5

本实施例提供一种子弹体的制备方法，与实施例2不同之处仅在于：不进行金属膜层104和带有掺杂物的类金刚石膜层106的涂覆。

对比例1

本对比例提供一种子弹体的制备方法，与实施例2不同之处仅在于：不包括s5，直接在第s4步的基础上沉积带有掺杂物的类金刚石膜层106。

对比例2

本对比例提供一种子弹体的制备方法，与实施例2不同之处仅在于：不包括s4,直接在s3的基础上沉积金属碳化物膜层105。

实验例1

对实施例提供的表面膜层进行性能测试，结果如图3所示，采用ms-t3000摩擦磨损试验机对该工件表面涂层的干摩擦系数和磨损寿命进行评价，具体实验条件为：摩擦实验均采用球—盘圆周滑动方式，大气环境，温度20-23℃，相对湿度55-70％，摩擦对偶球为φ4mm的si3n4球，旋转半径为18mm，载荷为500g，转速400r/mim，摩擦时间为150min。

测试结果表明：实施例2中工件表面涂层的平均摩擦系数为0.14，磨损率为6.63×10^-17m³/nm。

实施例5中工件表面涂层的平均摩擦系数为0.16，磨损率为2.54×10^-18m³/nm。

对比例1中工件表面涂层的平均摩擦系数为0.15，磨损率为8.94×10^-17m³/nm。

对比例2中工件表面涂层的平均摩擦系数为0.14，磨损率为9.95×10^-17m³/nm。

实验例2

对实施例提供的表面膜层的结合力进行评定，实验条件为：基材为yg6，试样平整度0.01mm，加载速率100n/min，移动速率5mm/min，压头尖半径0.2mm，温度20-22℃，相对湿度55-60％，划5条线，取平均值。

请参照图4，实施例2测试结果表明：膜层平均膜基结合力为100n，划痕边缘未出现剥落，涂层结合力良好。

实施例5中膜层平均膜基结合力为51n。

对比例1中膜层平均膜基结合力为67n。

对比例2中膜层平均膜基结合力为69n。

实验例3

对实施例提供的表面涂层进行维氏显微硬度测试，采用mh-5d型显微硬度计对涂层硬度进行评价，具体实验条件为：载荷25g，时间15s，温度20-23℃，相对湿度55-70％，测5个点，取平均值。

测试结果表明实施例2、5及对比例1、2提供的膜层平均硬度均超过2000hv0.025，均远高子弹体本体的硬度(约500hv0.025)。

实验例4

测试实施例2、5和对比例1、2中子弹体的使用次数，测试方法：合作研发的医疗器械公司提供数据。

测试结果显示，实施例2、5中子弹体的使用次数分别为500万次和100万次以上，对比例1、2中子弹体的使用次数分别为200万次以上和220万次以上。

综上所述，本发明提供的一种子弹体及其制备方法，其通过在子弹体本体上依次形成氮化物膜层、金属碳化物膜层和类金刚石膜层，可有效提高子弹体的耐磨减磨性能，从而提高子弹体的使用寿命。

本发明还提供的一种医疗器械，其包括上述子弹体，通过子弹体的改进，延缓子弹体在高速运动下的摩擦磨损失效，延长了设备的使用寿命。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。