陶瓷摩擦副的壓制成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陶瓷摩擦副的壓制成型方法，包括：采用專用成型模具一次壓制成型制成陶瓷摩擦副坯體，所述陶瓷摩擦副包括陶瓷球頭和/或陶瓷髖臼。進(jìn)一步的可以包括：至少取陶瓷粉料分別加入成型模具中，并一次壓制成型，而后包套經(jīng)冷等靜壓處理后，制得陶瓷摩擦副素坯。本發(fā)明通過采用將原料粉體以模具一次壓制成型后，后續(xù)加工處理量小，原料粉體利用率高，同時還可避免常規(guī)方法中的精密機(jī)床加工過程中對素坯造成損傷，成品率高，成本低，適于規(guī)?；a(chǎn)需求。
【專利說明】
陶瓷摩擦副的壓制成型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷摩擦副的制備方法，特別涉及一種通過一次壓制成型制備陶瓷摩擦副的方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為目前常見的生物相容材料之一，氧化鋁陶瓷(C1-Al2O3)因具有機(jī)械強(qiáng)度高，硬度高、耐磨性好，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，抗腐蝕能力強(qiáng)，能在體液環(huán)境中長期穩(wěn)定存在，生物惰性和生物相容性優(yōu)良等特性，而在臨床上被廣泛用作硬組織替換物，尤其是人工關(guān)節(jié)股骨頭材料。
[0003]目前所用的陶瓷成型方法主要包括注漿成型、可塑成型、壓制成型等幾類，其中壓制成型工藝尤為常用，其包括干壓成型或冷等靜壓成型，但這些方法都不能用以制備復(fù)雜形狀制品，尺寸精度不高，而且需要后續(xù)加工。
[0004]例如，對于應(yīng)用為球頭/髖臼杯的陶瓷摩擦副來說，目前主流的成型工藝一般包含如下過程:首先采用冷等靜壓成圓柱狀素坯，再通過精密數(shù)控機(jī)床加工的方式得到摩擦副毛坯，而后經(jīng)排膠熱壓等工序得到產(chǎn)品。此種工藝存在諸多缺點(diǎn)，例如:(I)原料粉體利用率低，加工設(shè)備要求精密，成本高；(2)由于陶瓷的脆性，在加工過程中工件內(nèi)部可能會出現(xiàn)隱性裂紋，且只能到最終產(chǎn)品的檢測環(huán)節(jié)才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致成品率低，并會造成不可挽回的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種具有工藝簡單，易于操作，成本低等特點(diǎn)，且利于規(guī)?；a(chǎn)的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0006]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
[0007]—種陶瓷摩擦副的壓制成型方法，包括:采用專用成型模具一次壓制形成陶瓷摩擦副，所述陶瓷摩擦副包括陶瓷球頭和/或陶瓷髖臼。
[0008]在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案中，該壓制成型方法可以進(jìn)一步包括:至少取陶瓷粉料分別加入成型模具中，并一次壓制形成初級坯體。
[0009]更進(jìn)一步的，該壓制成型方法還包括:將所述初級坯體再經(jīng)包套冷等靜壓處理。
[0010]在一實(shí)施例中，所述陶瓷摩擦副包括球頭，其中球頭的坯體可按需要進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的機(jī)械加工處理，制成陶瓷素坯。
[0011]在一實(shí)施案例中，所述成型模具包括使帶錐孔異形球體一次成型的球頭模具和/或使帶半球異形梯度杯體一次壓制成型的髖白模具。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過采用將原料粉體以成型模具一次壓制成型，再經(jīng)冷等靜壓處理得到摩擦副的陶瓷坯體，后續(xù)加工處理量小，原料粉體利用率高，同時還可避免常規(guī)方法中的精密機(jī)床加工過程中對素坯造成的隱性損傷，成品率高，成本低，適于規(guī)?；a(chǎn)需求。
【具體實(shí)施方式】
[0013]現(xiàn)有陶瓷摩擦副制備工藝流程中，其包括依次進(jìn)行的配料-球磨-造粒-冷等靜壓-機(jī)械加工-排膠-燒結(jié)-高溫等靜壓等工序。更為具體的，該種工藝是先采用冷等靜壓工藝將陶瓷原料制成圓柱狀素坯，再通過精密數(shù)控機(jī)床加工的方式得到摩擦副毛坯，而后經(jīng)排膠熱壓等工序，得到產(chǎn)品。但在工藝中，首先，需要對素坯進(jìn)行大量的切削處理，才能形成諸如球頭、髖白的初坯，不僅會導(dǎo)致大量原料的浪費(fèi)，而且輕微的震動也往往會引起初坯內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，如出現(xiàn)隱性的裂紋等，而這些一般難以觀察到，直至最終的產(chǎn)品檢測方能檢出，影響成品率，從而影響了產(chǎn)品的成本。其次，初坯在經(jīng)燒結(jié)后，還往往需要較大幅度的后期加工，才能形成產(chǎn)品，但燒結(jié)后的陶瓷材料通常具有較高強(qiáng)度、硬度，若進(jìn)行大幅度的切削等加工，一則需要借助復(fù)雜且高精度的設(shè)備，成本高，操作不便，工時長，二則還可能在加工過程對產(chǎn)品的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成二次損傷。
[0014]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷，本案發(fā)明人經(jīng)大量研究和實(shí)踐，提出了本發(fā)明的技術(shù)方案，如下具體解釋說明。
[0015]概括的講，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案主要包括:采用特制成型模具一次壓制形成陶瓷摩擦副。
[0016]在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案中，該壓制成型方法可以進(jìn)一步包括:至少取陶瓷粉料分別加入成型模具中，并一次壓制形成初級坯體。
[0017]更進(jìn)一步的，該壓制成型方法還包括:將所述初級坯體包套經(jīng)冷等靜壓處理后再進(jìn)行機(jī)械加工處理，制得陶瓷素坯。
[0018]在一實(shí)施案例中，所述成型模具包括使帶半球異形梯度杯體一次壓制成型的髖臼模具和/或用以使帶錐孔異形球體一次成型的球頭模具。
[0019]進(jìn)一步的，所述壓制成型方法可以包括:將球頭的初級坯體包套經(jīng)冷等靜壓處理后再進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的機(jī)械加工，制得球頭的陶瓷素坯。
[0020]更進(jìn)一步的，所述壓制成型方法包括:一次冷等靜壓成型，壓制成具有大孔的異形球頭初級坯體，再對球頭的初級坯體進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的加工，得到摩擦副的陶瓷素坯。
[0021]優(yōu)選的，在該壓制成型方法中，一次壓制形成初級坯體時的成型壓力為2?20MPa。
[0022]優(yōu)選的，在該壓制成型方法中，冷等靜壓的操作壓力為100?240MPa。
[0023]進(jìn)一步的，所述一次成型模具至少選自鋼制模具、其他金屬模具、成型橡膠或橡膠與金屬模具組合體中的任一種，但不限于此。
[0024]應(yīng)當(dāng)理解，前述的成型模具其結(jié)構(gòu)和尺寸是本領(lǐng)域技術(shù)人員依據(jù)陶瓷摩擦副的原料粉體而調(diào)整特制而成。進(jìn)一步的，前述成型模具的加工余量(或稱精度余量)控制在2_3 u In0
[0025]進(jìn)一步的，所述陶瓷粉料包括但不限于高純氧化鋁陶瓷粉體或氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷粉體或氧化鋯陶瓷粉體。
[0026]而在某些具體實(shí)施案例中，該陶瓷摩擦副的制備過程可以包括配料-球磨-造粒-一次模壓成型-冷等靜壓-初加工-排膠-燒結(jié)-精加工等工序。其原理主要在于:利用模具將一次壓制成型，而后冷等靜壓處理形成具備合適加工強(qiáng)度的、且與目標(biāo)產(chǎn)品具有基本一致的形貌的陶瓷素坯，再以機(jī)械加工等方式對該陶瓷素坯進(jìn)行修飾加工處理，然后經(jīng)排膠、燒結(jié)、熱等靜壓處理等后續(xù)加工，即可獲得目標(biāo)產(chǎn)品
[0027]本發(fā)明中，精確控制了摩擦副陶瓷坯體的尺寸，可減少后期加工的工作量及加工難度，提高效率，有利于規(guī)模化制備。
[0028]進(jìn)一步的，在一較為典型的實(shí)施方案中，該方法還可包括:取陶瓷粉料與作為可選成分的有機(jī)粘結(jié)劑和/或無機(jī)添加劑和/或分散劑依次經(jīng)球磨混合、噴霧造粒制成原料粉體，而后取所述原料粉體加入特制成型模具，并一次壓制形成初級坯體。
[0029]在本發(fā)明中，前述的有機(jī)粘結(jié)劑、無機(jī)添加劑、分散劑等均可采用業(yè)界所知的材料，例如，粘結(jié)劑可選用聚乙烯醇、乙基纖維素、乙烯環(huán)氧乙烷、乙酸丁酸纖維素等，，分散劑可選用水、乙醇或其它有機(jī)、無機(jī)材料。
[0030]而前述的排膠、預(yù)燒結(jié)等工序亦可通過業(yè)界悉知的方式和工藝條件操作。
[0031]在本發(fā)明中，一次成型制備陶瓷摩擦副所用陶瓷粉料的材質(zhì)可以選自但不限于高純氧化鋁陶瓷粉體、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷粉體或氧化鋯陶瓷粉體等等。
[0032]同時一次壓制成型方法還可以應(yīng)用到其他陶瓷異型工件的制備，所用陶瓷材料包括業(yè)界所知的任何具有合適機(jī)械性能的陶瓷材料。
[0033]在本發(fā)明中，模具至少應(yīng)滿足如下要求:便于粉料填充和移動，脫模方便，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，便于機(jī)械操作。
[0034]相應(yīng)的，為實(shí)現(xiàn)一次壓制成型，可以借助業(yè)界所知的各類施壓設(shè)備，例如，機(jī)械壓機(jī)、油壓機(jī)、水壓機(jī)等，且不限于此。
[0035]在本發(fā)明中，前述初級坯體系壓制成型，又可稱為模壓成型或者干壓成型。具體而言，其中粉料含水量在8%?15% (wt%，下同)時為半干壓成型；粉料含水量為3%?7%時為干壓成型；而依據(jù)一些實(shí)際應(yīng)用的需求，還可將坯料水分控制在3%以下。
[0036]進(jìn)一步的，本發(fā)明中還對初級坯體進(jìn)行了冷等靜壓處理，以及對經(jīng)初加工、排膠、預(yù)燒結(jié)后的坯體進(jìn)行了熱等靜壓處理，如此可使裝在封閉模具中的粉體在各個方向同時均勻受壓成型，其主要是利用了液體或氣體能夠均勻地向各個方向傳遞壓力的特性來實(shí)現(xiàn)的。
[0037]與傳統(tǒng)的干壓成型等方式相比，通過靜壓成型，可產(chǎn)生如下優(yōu)點(diǎn):
[0038](I)與施壓強(qiáng)度大致相同的其它壓制成型相比，等靜壓成型可以得到較高的生坯密度，且密度在各個方向上都比較均勻。
[0039](2)生坯內(nèi)部的應(yīng)力小(壓強(qiáng)的方向性差別小于其它成型方法，顆粒間、顆粒與模型間的摩擦力減小)。
[0040](3)成型的生坯強(qiáng)度高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，不會像擠壓成型那樣使顆粒產(chǎn)生有規(guī)則的定向排列。
[0041](4)可以采用較干的坯料成型，也不必或很少使用粘合劑或潤滑劑，有利于減少干燥和燒成收縮。
[0042](5)對制品的尺寸和尺寸之間的比例沒有很大的限制。
[0043]在本發(fā)明中，經(jīng)過前述的冷、熱等靜壓處理，可使所獲產(chǎn)品在最終燒結(jié)成型后，具有強(qiáng)度大，密度均勻，可加工性良好等特性。
[0044]較為優(yōu)選的，本發(fā)明中熱等靜壓可在高純惰性氣氛中進(jìn)行，且操作壓力為150MPa-200MPa。其中，高純惰性氣氛可以由純度在99 %以上的氬氣、氦氣、氙氣或其組合形成。
[0045]作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案，本發(fā)明的從配料到模壓成型及粗加工等工藝流程均可在凈化房內(nèi)完成，以避免外部環(huán)境對陶瓷摩擦副材質(zhì)的影響。
[0046]以下較佳實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做更為具體的說明。
[0047]本實(shí)施例系涉及一種由球頭和髖臼組成的陶瓷摩擦副的制備工藝，該陶瓷摩擦副主要應(yīng)用為人工髖關(guān)節(jié)。
[0048]本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該球頭在加工時的加工精度需滿足如下要求:球度的形位公差< 0.005mm，球面粗糙度Ra ( 0.02 μ m，而臼杯的加工精度要求與球頭的球面相應(yīng)，如此才可使之與球頭完美地切合又能讓體液進(jìn)入到二者界面，產(chǎn)生潤滑層，使氧化鋁陶瓷晶體獨(dú)有的性能發(fā)揮作用。進(jìn)一步的，本案發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，球頭上的異形孔與球體的同心度亦對最終產(chǎn)品性能有至關(guān)重要的影響，特別是其中球頭的內(nèi)錐形位公差需滿足如下要求:直線度< 0.003mm，如此球頭錐孔才能通過錐柄與金屬關(guān)節(jié)柄的頸部良好聯(lián)結(jié)，從而在人體運(yùn)動過程中，避免因在球頭中產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致的球頭破損。
[0049]針對陶瓷摩擦副(球頭和髖白)對加工的苛刻要求，若采用前述的現(xiàn)有工藝，一方面會產(chǎn)生前文所述的諸多缺陷，例如，原料利用率低，成本高，成品率低等，同時因此陶瓷材料的硬度、強(qiáng)度很大，其加工過程需借助特殊的高精度加工設(shè)備及耗費(fèi)長時間、大量的工作量，根本無法滿足前述精度需求和規(guī)模生產(chǎn)需要。
[0050]而在本實(shí)施例中，本案發(fā)明人提出了如下的制備工藝，其包括如下工序:
[0051]將陶瓷摩擦副成型坯體所用原料粉體加入無機(jī)添加劑及有機(jī)粘結(jié)劑、分散劑經(jīng)球磨混合后噴霧造粒制成，該粉體具有良好的流動性和均勻性，是保證產(chǎn)品性能一致性的關(guān)鍵步驟；經(jīng)獨(dú)特設(shè)計成型組合鋼模(簡稱“成型模具”，其加工余量控制在2-3 μ m)初壓一次成型(壓力2?20MPa)后包套冷等靜壓壓制(壓力150?200MPa);坯體具備了初始加工強(qiáng)度，在精密小車床上采用定制刀具對球頭坯體進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的加工；加工完成后的坯體經(jīng)低溫工藝排膠，去除坯體有機(jī)粘結(jié)劑，低溫預(yù)燒完成高溫?zé)岬褥o壓燒結(jié)前材料的熱處理；高溫?zé)岬褥o壓在壓力150MPa-200MPa高純氬氣氣氛下，促使坯體材料排除體內(nèi)殘余氣孔，坯體達(dá)到材料的理論密度。從配料到模壓成型及粗加工整個工藝流程均在凈化房里完成，避免外部環(huán)境對陶瓷摩擦副材質(zhì)的影響。
[0052]利用本實(shí)施例的前述方案，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷摩擦副的快速、高效率、低成本制備，另外，其還具有原料利用率高、精密加工工作量小、成品率高等優(yōu)點(diǎn)。特別是，其原料利用率比現(xiàn)有技術(shù)中的圓柱坯方法提高50?60%，精密加工磨削量一般可控制在0.1?Imm厚度；加工速度可以大大提高，10分鐘左右完成，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于現(xiàn)有技術(shù)中長達(dá)數(shù)小時的加工時間，同時可以達(dá)到加工精度要求，特別是對于球頭而言，能更有效的提供其加工效率和加工精度。
[0053]應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于包括:采用專用成型特制模具一次壓制成型制成陶瓷摩擦副，所述陶瓷摩擦副包括陶瓷球頭和/或陶瓷髖臼。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于包括:至少取陶瓷粉料加入成型模具中并一次壓制成型，再將形成的初級坯體包套冷等靜壓處理。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于包括:對經(jīng)冷等靜壓處理后的初級坯體進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的機(jī)械加工處理，獲得陶瓷素坯。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于包括:對球頭的初級坯體按需要進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的機(jī)械加工處理，制成陶瓷素坯。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于所述成型模具包括以使帶錐孔異形球體一次成型的球頭模具和/或使帶半球異形梯度杯體一次壓制成型的髖臼模具。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于包括:在一次壓制成型時的操作壓力為2~20 MPa。7.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于所述冷等靜壓的操作壓力為100~240MPa。8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于所述成型模具至少選自金屬、成型橡膠、或橡膠與金屬模具組合體中的任一種。9.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的陶瓷摩擦副的壓制成型方法，其特征在于所述陶瓷粉料包括高純氧化鋁陶瓷粉體或氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷粉體或氧化鋯陶瓷粉體。
【文檔編號】B28B3/00GK105984019SQ201510076709
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月13日
【發(fā)明人】曾紹先, 高立東, 胡譽(yù)懷
【申請人】蘇州博恩瑞科生物材料有限公司