作者：DanielH.Herring，“热处理问题诊断”专栏作者，美国TheHERRING集团有限公司
医疗设备行业大量使用紧固件。正确的紧固件可以保证医疗设备达到预计的寿命和期望的性能。紧固件能够克服组装中的困难，解决质量问题，大幅降低医疗设备的总成本。本文帮助您了解热处理对获得可靠紧固件的关键作用。
医疗设备(比如牙科和骨科植入体、医疗器械)组装使用的不同紧固件的类型多达数百种。尽管医疗设备的部件很小甚至极小，但如果紧固件失效，医疗设备几乎总是会损坏。
医疗设备一般分成两大类：外科/非植入设备和可植入设备。下面介绍这两类设备所使用紧固件的材质和热处理工艺。
图1.视网膜手术器械
外科和非植入医疗设备
外科和牙科器械是非植入医疗设备的典型代表，它们通常采用奥氏体不锈钢制造，要求具有良好的耐蚀性能和中等强度。具体例子包括：套管，口腔印模托盘，导销，凹形器皿，皮下注射针头，蒸汽灭菌器，储物柜，操作台面，胸廓牵开器，等等。这些产品的材质通常是各种容易加工成复杂形状的不锈钢。
图2.外科钉
可植入医疗设备
一些外科植入体使用特定牌号的奥氏体不锈钢和高氮奥氏体不锈钢来制造。这样的例子包括：动脉瘤夹，骨科钢板和螺钉，股骨固定设备，髓内钉，以及踝关节、肘关节、指关节、膝关节、髋关节、肩关节和腕关节。
不过，世界各地的绝大多数整形外科植入体都使用钛合金(比如Ti-6Al-4V合金)或者钴合金(比如ASTMF75钴基合金或钴-铬-钼合金)来制造。原料的形式包括铸件、锻件和棒料。
医疗应用的具体例子有骨钉、骨科钢板、螺丝、棒、杆、线、柱、可扩展胸腔进入口、脊柱融合器、人工手指和脚趾、人工髋关节和膝关节、颌面修复假体等等。
a.牙床植入件
b.基台或桩核
c.牙冠或植入体
图3.牙科植入体(照片由果阿的一位牙科医生通过Flickr网站分享)
钛合金的其他用途
钛及其合金在工业(38%)、商业航空(29%)和军用航空(23%)等领域的应用取得迅速发展。
钛有很多优点，包括：强度高，强重比大，耐蚀，无毒，生物相容性好，抗疲劳和抗断裂性能出色，没有磁性，使用寿命长，成本不高，柔软性好，弹性与人骨相当。
非医疗应用包括：
?有人和无人驾驶飞行器(比如商用和军用飞机、旋翼机)
?火炮(比如榴弹炮)
?军用车辆(比如坦克、气垫船)
?海军和海上应用(比如水面舰艇、潜艇)
?涡轮机(比如涡轮发电机)
?化工设备(比如石化机械、石油平台)
?建筑(比如雕塑)
?车辆(比如摩托车、高性能汽车)
?制浆造纸业(比如洗涤和漂白系统)
?电子消费产品(比如电池、电子手表)
?运动器材(比如自行车车架、高尔夫球杆)
热处理实例
钛和钛合金的热处理很复杂，需要了解最终用途、期望的微观结构和工艺变量。
图4.热处理后的膝关节植入体炉料(照片由SolarAtmospheres提供)
钛合金的种类
根据含有的合金元素类型和数量，钛合金主要分成4类：
?阿尔法(α)型合金——不能通过热处理得到强化；强度低到中等，缺口韧性好，在较高温度下蠕变性能好(好于贝塔型合金)；可成形，可焊接
?近阿尔法相合金——强度中等，蠕变性能好
?阿尔法-贝塔(α-β)型合金——可通过热处理得到强化；强度中等到高，成形性好，蠕变性能好(但不如大多数阿尔法型合金)，贝塔相含量低于20%的合金可焊接；这类合金中最常见的是Ti-6Al-4V
?贝塔(β)型合金——可通过热处理得到强化；强度高，蠕变性能适中
有些合金元素(比如铝、镓、锗、碳、氧、氮)会提高阿尔法-贝塔转变温度(阿尔法相稳定元素)，而其他元素(比如钼、钒、钽、铌、锰、铁、铬、钴、镍、铜、硅)则降低贝塔转变温度(贝塔相稳定元素)。
图5.热处理后的骨铰刀炉料(照片由SolarAtmospheres提供)
热处理的种类
虽然纯钛质地相对较软，但热处理能够大大改善其性能。钛和钛合金经过热处理后能够：
?减小加工过程中产生的残余应力(应力消除)
?获得延展性、机加工性能及尺寸和结构稳定性的最佳组合(退火)
?提高强度(固溶处理和时效)
?优化特定性能(比如断裂韧性、疲劳强度、高温蠕变强度)或使材料达到特定状态
图6.热处理后的髋关节修复螺钉(照片由MidwestThermal-Vac提供)
标准的热处理通常在真空炉或惰性(氩气)气氛炉内进行，类型包括：
?退火——提高断裂韧性和延展性(在室温条件下)以及尺寸稳定性，改善蠕变性能。在大变形量冷加工之后可能必须进行退火，以利于进一步加工处理。
?均质化——提高铸件化学成分的均匀性。
?固溶处理和时效硬化(时效)——加热到贝塔相区或阿尔法-贝塔区域，淬火，然后再次加热到阿尔法-贝塔区域。处理后能够达到的强度水平范围很大，在提高疲劳强度的同时也能改善延展性、断裂韧性和蠕变性能。
?应力消除——被用来减小加工过程中或者大变形量成形或焊接后产生的残余应力，以避免开裂或变形并改善疲劳性能。强度和延展性不会受到不利影响，冷却速度也不太重要。
?回火——当钛从高温下淬火后，将其重新加热到某个低于贝塔转变温度的温度，保持一段时间后再次淬火，这叫作回火。回火工艺涉及到3个变量：生成的相，保温时间，回火温度。特殊的热处理类型包括：
?贝塔真空退火和真空时效——提高Ti-(Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr)等合金的疲劳和屈服强度以及延伸率。
?钎焊——在氩气氛或真空条件下进行感应、电阻和炉内钎焊；焊炬钎焊不适用。清洁性对防止发生沾染非常重要。
?蠕变成形——利用了钛的蠕变特点，需要对温度进行设定。
?脱气——目的是去除吸收的气体(比如氢气)，使其含量降低到50ppm以下，以防止发生脆化。
?扩散接合——主要用于粉末冶金，使分散的颗粒通过表面密切接触而融合为一体。
?氢化/脱氢——有意添加氢使材料变脆，然后将材料破碎成粉末，再将氢气脱除。这是生产钛合金粉末的基本步骤。
现实问题——什么最重要
钛和钛合金的热处理最经常使用的设备是真空炉(图7)。
图7.典型的真空炉(照片由SolarAtmospheres提供)
热处理炉的容量是一个重要的考虑因素，因为许多钛制部件都有体积限制而不是重量限制。在许多应用中，炉料的支承方式对防止产生蠕变或其他尺寸变化非常关键，尤其是对于非常精密或形状复杂的零部件，比如医用紧固件。
温度的测量和控制一定要精确，炉膛整个工作区通常要达到±5.5°C或更好。需要使用工作热电偶；不仅要知道炉温，还必须掌握部件的温度。注意：当部件被加热到°C以上时，钛不能与镍合金或不锈钢接触，因为会发生共晶熔化。
真空泵系统必须能够达到高真空度，即在开始加热前达到1x10-5托或更低。这样的真空水平在加热(升温速度要求很慢)以及保温过程中都必须得到保持。扩散泵系统一定要得到适当的维护，以保证最高效率和防止出现回流。
由于钛属于一种强吸气材料，真空炉内部必须保持洁净。如果有可能，最好选择全金属高温区和专用炉，但根据实际需要，业界也普遍采用石墨内衬炉，而且也将其用于其他工艺。因此，在使用之前，必须采用1,°C的典型温度对炉具和炉膛进行“烘烤”(清洁)。
结论
紧固件在医疗设备行业起着重要的作用，而热处理在它们的制造工艺中同样起着重要的作用。无论它们的材质是不锈钢、钛合金、硬质合金还是超合金，都有相应的热处理工艺能够大幅改善它们的机械性能和冶金性能，使它们满足可植入和非植入应用的要求。
作者简介：
DanHerring，著名的“热处理问题诊断”专栏作者，拥有超过45年的热处理行业经验。在于年创办美国TheHERRING集团公司之前，他已在本行业工作了25年。他在材料科学、工程、冶金、设备设计、工艺和应用以及新产品开发等领域都拥有丰富的经验。Dan持有一项专利(作为共同发明人)，他提供的关于热处理、烧结、冶金、操作、业务管理、销售和市场以及技术等方面的咨询服务让许多行业受益匪浅。
如需了解更多信息，请联系：DanHerring：+--
；传真：+--；电子邮箱：dherring
heat-treat-doctor.转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjslczl/407.html
