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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-03-01 14:24
金屬生物材料廣泛應(yīng)用于移植，但伴隨著人體化學(xué)腐蝕效應(yīng)，植入物中會產(chǎn)生高低不等的循環(huán)應(yīng)力。因此，增強(qiáng)可植入合金的表面性能在醫(yī)療器械應(yīng)用中至關(guān)重要，例如依賴于高科技生物材料的人工髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物。
相關(guān)應(yīng)用通過廣泛采用不同的材料、涂層、加工方法和設(shè)計(jì)而得到了改善。梅奧醫(yī)學(xué)中心2014年發(fā)布的一項(xiàng)研究顯示，2010年共有720萬美國人接受全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)和全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)植入物。
TKA和THA材料通常包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼合金、聚乙烯和陶瓷。自20世紀(jì)90年代以來，THA設(shè)計(jì)一直以使用粗糙或多孔涂層鈦外殼和氧化鋁[陶瓷]襯里為主。
此外，由于在過去幾十年里主要也從金屬粉末增材制造(AM)演化而來，牙齒植入應(yīng)用也將表面氮化視為一種增強(qiáng)生物相容性的有用技術(shù)。
本文探討了為什么精密控制的等離子氮化技術(shù)能夠不斷獲得領(lǐng)先制造商的青睞，以及為什么消費(fèi)者依賴獨(dú)特的材料工藝來獲得可靠的產(chǎn)品質(zhì)量。
表面處理常用于在醫(yī)療和牙科行業(yè)中處理不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金和其他特殊合金等材料。傳統(tǒng)處理方法包括滲碳、鹽浴氮化或氣體氮化，每種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)。然而，要高度精確地控制擴(kuò)散層的形成以提高材料性能，先進(jìn)的脈沖等離子體氮化技術(shù)是首選解決方案。
脈沖等離子體氮化技術(shù)已應(yīng)用數(shù)十年之久，將出色的直流脈沖信號控制和改進(jìn)的腔室設(shè)計(jì)和構(gòu)造結(jié)合在一起來實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制和整個熱壁室熱區(qū)的均勻分布，最終確保批次間高度一致和均勻的氮化，與傳統(tǒng)的氮化方法相比，每次氣體消耗更少。
除了精確控制擴(kuò)散層，該技術(shù)還非常適合許多醫(yī)療應(yīng)用金屬材料的表面處理，例如鈦合金、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。
此外，商業(yè)熱處理車間有各種加工設(shè)備和供應(yīng)商可選。其豐富的系統(tǒng)配置可幫助大批量零部件生產(chǎn)商提高靈活性、效率、可重現(xiàn)性和吞吐量。為此，歐洲、北美和亞洲的醫(yī)療器械廠商紛紛引入這類系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)更清潔、更高效的運(yùn)營。
脈沖等離子體氮化的技術(shù)優(yōu)勢
醫(yī)療應(yīng)用常用的合金包括各種不銹鋼、商用純(CP)鈦、β型鈦合金、鈦鈮合金和特種合金，所有這些合金都可以通過滲碳（鈦滲碳不常見）和氮化來增強(qiáng)機(jī)械和電化學(xué)性能。
由于與滲碳相關(guān)的高溫和溫度保持時間會導(dǎo)致零件變形，滲碳并非處理醫(yī)療應(yīng)用材料的首選方法，而主要應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)。然而，根據(jù)2005年ASM國際文件“航空航天和汽車材料的真空滲碳”，一種名為BÖHLER N360的耐腐蝕馬氏體不銹鋼合金已成功進(jìn)行真空滲碳，深度達(dá)到0.0015英寸。該材料已用于醫(yī)療緊固件應(yīng)用和可植入設(shè)備。
氮化是滲碳的替代方法，這種溫度較低、依賴時間的熱化學(xué)工藝可將氮擴(kuò)散到金屬表面。其中一種方法是鹽浴氮化。該工藝需要液體浸泡，通常在550℃至570℃進(jìn)行。鹽浴法的原理是將無水氨溶解在氰化物中形成氰酸鹽——一種富氮鹽，通常形成濃度高于50%的溶液。鹽浴氮化可持續(xù)24小時，通過添加氣淬或水淬后處理來有效改善表面粗糙度、硬度和耐磨性。根據(jù)2017IOP Conference Series文件“材料科學(xué)與工程”，CP 2級鈦是純鈦中最易成形和耐腐蝕的，5級合金具有生物相容性，并表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。
然而，鹽浴氮化的一個后處理需要大量洗滌工作以去除殘留的氰酸鹽。此外，鹽浴和堿液還有處置成本和環(huán)境處理成本，以及隨之而來的安全和操作責(zé)任。
氣體氮化(500 °C)和氣體氮碳共滲(540–580 °C)是普遍認(rèn)可的工藝，與脈沖等離子體氮化相比，通常需要高濃度的氨(NH3)和大量的載氣流量(常壓工藝)。通過將元素氮?dú)怏w組分?jǐn)U散到鐵中來形成硬質(zhì)氮化物。
與滲碳相比，由于溫度低，不需要淬火，因此變形和開裂幾率更低。氣體氮化的缺點(diǎn)是需要使用氨氣等可燃?xì)怏w，氣體消耗量高且不能處理氮化鐵銹和耐酸鋼。
然而，隨著脈沖等離子體氮化技術(shù)的發(fā)展，精度和控制水平的進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)了均勻、一致的表面硬化。結(jié)合環(huán)保氣體的使用（優(yōu)于氣體氮化中的氨氣），等離子體氮化已成為一個創(chuàng)新熱點(diǎn)，在醫(yī)療設(shè)備中得到更廣泛的應(yīng)用，特別適合追求環(huán)保、安全解決方案的制造商。
脈沖等離子體氮化技術(shù)將組件裝入真空容器中進(jìn)行處理。首先將組件定位在支撐結(jié)構(gòu)或格柵上，保持間距以保證處理的均勻性。也可用機(jī)械掩蔽隔離部分區(qū)段。定位零件后放置熱電偶，降低鐘形外殼以包圍負(fù)載。加熱前，將處理室抽真空至10帕斯卡以下，并在電荷（陰極）和室壁（陽極）之間施加幾百伏特的脈動直流電壓。隨后導(dǎo)入一種低流量工藝氣體并通過振蕩電脈沖使氣體電離。對于等離子體氮化，可使用氮?dú)夂蜌錃獾幕旌衔?，其中可以加入含碳?xì)怏w，例如甲烷。
根據(jù)處理時間和溫度，氮原子擴(kuò)散到組件的外區(qū)來形成一個擴(kuò)散區(qū)。這可以是原子氮，溶解在鐵晶格中并以包括硝酸鹽（金屬氮化物或特殊氮化物）的形式沉積。
為了進(jìn)一步提高精度，脈沖等離子體氮化技術(shù)的創(chuàng)新者揭示了更好地控制脈沖來優(yōu)化工藝的多種方法。例如PVA TePla AG Industrial Vacuum Systems開發(fā)的PulsPlasma®工藝使用氮、氫和碳基甲烷的精密調(diào)節(jié)氣體混合物。在10微秒內(nèi)傳送幾百伏特的脈沖直流電壓信號以電離氣體。這有助于最大限度地延長脈沖之間的時間，以便在整個腔室中進(jìn)行出色的溫度控制。
如果批次內(nèi)的溫度差異為±10°，就會產(chǎn)生完全不同的處理結(jié)果。然而，通過精確的脈沖開關(guān)時間管理來控制脈沖電流，可以精確地控制整個熱壁室的溫度分布。
該方法的一個特點(diǎn)是系統(tǒng)可以在室溫下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電。大多數(shù)系統(tǒng)無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)無法提供穩(wěn)定的等離子體。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，這些系統(tǒng)必須首先加熱到300–3500 °C，然后才能使用等離子體，延長了工藝時間。對于PulsPlasma，加熱時間可用于進(jìn)行表面精細(xì)清洗。
用于制造氮化系統(tǒng)熔爐本身的建筑材料也進(jìn)行了優(yōu)化。在所有系統(tǒng)中，PlaTeG使用為航空航天行業(yè)開發(fā)的絕緣材料，打造出薄至40毫米的爐壁，而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為150毫米。爐壁質(zhì)量越小，加熱所需的能量和時間就越少，同時保護(hù)可能意外接觸到爐膛外部的工人。
PulsPlasma氮化爐具有更好的整體控制，可提供多個加熱和冷卻區(qū)域，每個區(qū)域由自身的熱電偶控制。這可以在熔爐內(nèi)形成±5 °C范圍內(nèi)的均勻溫度分布。
室內(nèi)溫度的均勻性比滲氮結(jié)果的一致性更重要。由于整個腔室溫度均勻，整個空間都可用于裝載組件，從而有效地增加了腔室容量。
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不銹鋼
對于醫(yī)療器械制造來說，脈沖等離子體氮化的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)之一是它更適合不銹鋼等高合金材料的熱處理。
處理含鉻量較高的鋼時，液體氮化和氣體氮化會與元素發(fā)生反應(yīng)，從而使金屬失去一些耐蝕性。
不銹鋼有一層天然的氧化鉻鈍化層，可以抑制腐蝕。為了將氮帶入材料，必須先去除氧化鉻層。對于氣體氮化，去除鈍化層需要一種特殊氣體化學(xué)方法。不銹鋼也可以在鹽浴中氮化，但代價是表面的耐蝕性會降低。
PulsPlasma氮化直接進(jìn)行表面的可控離子轟擊。選擇低于450℃的氮化溫度，并對氣體混合物進(jìn)行精確控制，可以在不降低材料耐蝕性的情況下對材料表面進(jìn)行處理。
增加生產(chǎn)吞吐量
氮化是一項(xiàng)批處理工藝。通過優(yōu)化機(jī)械操作可以實(shí)施熔爐設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，提高效率和產(chǎn)能。雖然實(shí)際氮化時間不變，但高效上下料具有重要作用。PlaTeG工廠設(shè)計(jì)可以使用任何一種單通道、穿梭和串聯(lián)布局來控制吞吐量、資源和運(yùn)營成本。
作為批處理工藝，氮化通常需要等待處理、冷卻和卸載前一批次，然后才能開始新批次。現(xiàn)在可用穿梭和串聯(lián)擴(kuò)展來簡化批處理工藝。
借助穿梭擴(kuò)展，可以給熔爐添加另一個真空室底部。運(yùn)行氮化工藝時，可以在第二真空室進(jìn)行前一批次的卸載和后續(xù)批次的裝載/準(zhǔn)備。由于真空室的裝卸時間與當(dāng)前流程的處理時間重疊，兩個連續(xù)批次的循環(huán)時間便可縮短。
串聯(lián)擴(kuò)展有兩個完整的真空室，通過真空泵、工藝氣體供應(yīng)、等離子體發(fā)生器和系統(tǒng)控制單元交替操作。在無人值守周末作業(yè)情況下，可以連續(xù)啟動和控制兩個批次的自動流程。采用這種操作結(jié)構(gòu)，年氮化能力可增加30%至60%。
由于等離子體氮化采用了環(huán)保的氮?dú)夂蜌錃?，熔爐可以兼顧組件加工，而不需要單獨(dú)處理室。此外，脈沖等離子體氮化系統(tǒng)不會產(chǎn)生污染氣體。這樣，操作員可以將熔爐放置在鉆孔機(jī)旁邊，使得氮化和整個制造工藝更加高效。
通過控制氣體混合物、輝光放電間隔、脈沖信號設(shè)計(jì)和使用高度絕緣熱壁氮化爐，脈沖等離子體在氮化中提供了更高精度。再加上熔爐設(shè)計(jì)的創(chuàng)新、氮化操作的批量管理，依賴氮化組件的醫(yī)療制造商可以獲得更均勻的結(jié)果，更好地保護(hù)材料，增加吞吐量。
最后，新興的表面和涂層技術(shù)有望對醫(yī)療器械的未來產(chǎn)生積極的商業(yè)影響。其中一種技術(shù)被稱為粉末沉浸反應(yīng)輔助涂層(PIRAC)，這種相對廉價的氮化工藝可以顯著改善鈦合金的表面特性。
來源：Medtec醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造
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