一种医疗用TC4钛合金丝材的热处理方法与流程

一种医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法
技术领域
1.本发明涉及金属材料热处理技术领域，尤其涉及一种医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法。


背景技术：

2.ti-6a1-4v(eli)钛合金质轻、比强度高，以及极好的生物相容性和耐腐蚀性，被广泛应用于高强度的外科植入物领域，经过多年的发展以及临床验证，得到了医疗器械行业的一致认可。钛合金棒丝材作为重要的加工母材，主要用于制造植入人体的功能结构材料，如长尾椎弓根螺钉、定向椎弓根螺钉、股骨逆行髓内钉及连接棒等。特殊的服役环境决定了原材料棒丝材不仅需要良好的组织性能，同时也应具备良好的直线度、尺寸公差等良好的深加工性能。直径φ7mm以下丝材为外科植入物常用规格，与φ8mm以上棒材相比，丝材的生产工序更长、质量稳定性控制难极大，特别是经二火轧制之后需要以盘圆形式经多道次拉拔生产，这给最终的矫直及性能控制带来极大困难。φ8mm以上棒材主要矫直方式为斜辊热矫直，矫直前后性能变化程度较小。φ7mm以下直丝的生产工艺通常是先进行盘圆热处理，然后正弦冷矫后切断为直丝。但矫直后会留下较多的残余应力，力学检测拉伸时由于包申格效应导致屈服强度严重下降10～15％，从而达不到标准要求。
3.专利201921989243.7发明了一种通过在正弦矫直前增加感应加热，以此来去除残余应力对屈服强度的影响，但矫直工序位于热处理之后，矫形后仍将不可避免残存一部分应力对强塑性及性能稳定性造成影响，且为了保证组织性能，退火温度高，矫直冷却后细丝易形成温度应力造成二次变形弯曲，此外生产效率较低，每小时产量仅为3～8kg。
4.专利202220482201.x通过降低正弦校直装置中矫直模与线材的摩擦力，改善了线材的表面质量。专利200910254558.1发明了一种立式电热张力矫直，可矫直φ5～φ13mm规格棒丝材，但每次只能单根张力矫直，效率低，且每根棒丝材均需在夹持端预留余量，成材率低，同时由于大功率短时加热，极易出现过烧，对组织性能及质量稳定性造成影响。因此，基于现有矫直方式的不足以及钛合金热处理特性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提供一种医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，采用s100、固溶处理：拉拔之后盘圆在真空退火炉或大气退火炉内进行固溶退火，退火温度700～780℃，保温时间2-3h，出炉后空冷。第二步、正弦矫直：将tc4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝。第三步、时效处理：采用i25b型钢，材质为q235，截面尺寸为250
×
118
×
10mm，满足，gb/t 706-2016《热轧型钢》标准，长度3500mm。钛丝摆料前清理槽钢内表面，内壁刷陶瓷型防氧化涂料。钛丝摆放高度≤40mm，然后上层放柔性衬板，厚度0.5～2mm，最后放钢板压板，钢板厚度20～50mm，钢板不平度≤3mm/m。钛丝摆放遵循从下至上先粗后细、先长料后短料的原则。摆料结束后升温至预定的退火温度，退火温度范围500～540℃。保温时间按照t＝(钛丝摆放总高度
×
k+30～60)min计算，k为保温有效系数，取1.8～2.0min/mm；
保温时间结束后，先开炉门20～50mm，冷却至350～400℃，再开炉门80～150mm，冷却至100～200℃，然后出炉空冷至室温；第四步、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。解决了矫直后会留下较多的残余应力，达不到标准要求,矫直冷却后细丝易形成温度应力造成二次变形弯曲，生产效率较低，棒丝材均需在夹持端预留余量，成材率低，同时由于大功率短时加热，极易出现过烧，对组织性能及质量稳定性造成影响等的问题。
6.为解决上述问题，本发明提供一种医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，包括：
7.s100、固溶处理，拉拔之后盘圆在真空退火炉或大气退火炉内进行固溶退火，退火温度700～780℃，保温时间2-3h，出炉后空冷；
8.s200、正弦矫直：将tc4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝；
9.s300、时效处理，将钛丝的直丝进行摆放后上方通过压板压紧，然后进行退火处理，退火温度范围为500～540℃，退火后经过预设时间的保温进行空冷，空冷时采用阶段式降温；
10.s400、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。
11.进一步的，在步骤s300中，摆放钛丝的方法包括：
12.将钛丝放入槽型空间内，通过压板在摆放好的钛丝上方进行压紧。
13.进一步的，所述槽型空间通过型钢制成，型钢材质为q235；
14.钛丝在槽型钢内摆放高度≤40mm。
15.进一步的，型钢为i25b型钢，根据gb/t 706-2016《热轧型钢》标准采用的截面尺寸为250
×
118
×
10mm，长度为3500mm。
16.进一步的，所述型钢的内壁涂覆陶瓷型防氧化涂料。
17.进一步的，所述压板为20～50mm厚的钢板，钢板的不平度≤3mm/m；
18.在钢板和钛丝之间设置衬板，所述衬板为0.5～2mm的钛板。
19.进一步的，钛丝摆放遵循从下至上先粗后细、先长料后短料的原则。
20.进一步的，退火的预设时间为tmin，通过公式(1)计算获得；
21.t＝(h
×
k+30～60)min
………………
(1)
22.其中，h-钛丝摆放的高度；
23.k-保温有效系数，取1.8～2.0min/mm；
24.进一步的，在步骤s300中，阶段式空冷的方法包括：
25.将炉门打开至第一预设开度，将温度冷却到第一预设温度范围，再将炉门开至第二预设开度，冷却至第二预设温度范围，最后出炉冷却至室温。
26.进一步的，所述第一预设开度为20～50mm，第一预设温度范围为350～400℃；
27.所述第二预设开度为80～150mm，第一预设温度范围为100～200℃。
28.相对于现有技术，本发明所述的一种医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，具有以下优势：
29.本技术方案优点在于极大地降低了残余应力，达到了相关标准的要求，提高了生产效率和成材率，成品组织性能和质量稳定。
附图说明
30.图1为本发明的实施例所述的钛合金丝材的摆料结构的示意图。
31.附图标记说明：
32.1-钛丝，2-型钢，3-衬板，4-压板，5-涂料。
具体实施方式
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
34.在本发明中涉及“第一”、“第二”、“上”、“下”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“上”、“下”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当实施例之间的技术方案能够实现结合的，均在本发明要求的保护范围之内。
35.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
36.如图1所示，一种医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，包括：
37.s100、固溶处理，拉拔之后盘圆在真空退火炉或大气退火炉内进行固溶退火，退火温度700～780℃，保温时间2-3h，出炉后空冷；
38.s200、正弦矫直：将tc4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝；
39.s300、时效处理，如图1所示，采用i25b型钢2，材质为q235，截面尺寸为250*118*10mm，满足，gb/t 706-2016《热轧型钢》标准，长度3500mm。钛丝摆料前清理槽钢内表面，同时为避免钢板与钛板粘结和钢板氧化、异物等压入钛板，钛丝1与钢材不宜直接接触，内壁刷陶瓷型防氧化涂料5。待涂料5充分干燥后，进行钛丝1压紧摆放，摆放高度≤40mm，然后上层放衬板3，衬板3材质为钛板，厚度0.5～2mm，并具有一定柔性，最后放钢板压板4，钢板厚度20～50mm，长度与型钢2长度相同，钢板4不平度≤3mm/m。钛丝1摆放遵循从下至上先粗后细、先长料后短料的原则。
40.摆料结束后升温至预定的退火温度，退火温度范围500～550℃。为保证钛丝充分热透，退火后经过预设时间的保温进行空冷。退火的预设时间为tmin，通过公式(1)计算获得；
41.t＝(h
×
k+30～60)min
………………
(1)
42.其中，h-钛丝摆放的高度；
43.k-保温有效系数，取1.8～2.0min/mm。
44.空冷时采用阶段式降温，即，将炉门打开至第一预设开度，将温度冷却到第一预设温度范围，再将炉门开至第二预设开度，冷却至第二预设温度范围，最后出炉冷却至室温。优选的，所述第一预设开度为20～50mm，第一预设温度范围为350～400℃；所述第二预设开度为80～150mm，第一预设温度范围为100～200℃。
45.s400、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。
46.实例一
47.s100、固溶处理：将拉拔之后φ2.7mm盘圆在真空退火炉或大气退火炉内进行固溶退火，退火温度750℃，保温时间2h，出炉后空冷。
48.s200、正弦矫直：将tc4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝。
49.s300、时效处理：采用i25b型钢，材质为q235，截面尺寸为250*118*10mm，满足，gb/
t 706-2016《热轧型钢》标准，长度3500mm。钛丝摆料前清理槽钢内表面，同时为避免钢板与钛板粘结和钢板氧化、异物等压入钛板，钛丝与钢材不宜直接接触，内壁刷陶瓷型防氧化涂料。待涂料充分干燥后，进行钛丝压紧摆放，摆放高度37.8mm，然后上层放衬板，衬板材质为钛板，厚度0.5mm，并具有一定柔性，最后放钢板压板，钢板厚度20mm，长度与型钢长度相同，钢板不平度≤3mm/m。
50.摆料结束后升温至预定的退火温度，退火温度范围500℃。为保证钛丝充分热透，到温计时，保温时间按照t＝120min；为避免激冷造成弯曲不良，保温时间结束后，先开炉门20mm，冷却至350℃，再开炉门80mm，冷却至100℃，然后出炉空冷至室温；
51.s400、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。
52.成品φ2.5mm tc4丝材力学性能与直线度见表1。
53.实例二
54.s100、固溶处理：将拉拔之后φ4.3mm盘圆在真空退火炉或大气退火炉内进行固溶退火，退火温度700℃，保温时间2.5h，出炉后空冷。
55.s200、正弦矫直：将tc4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝。
56.s300、时效处理：采用i25b型钢，材质为q235，截面尺寸为250*118*10mm，满足，gb/t 706-2016《热轧型钢》标准，长度3500mm。钛丝摆料前清理槽钢内表面，同时为避免钢板与钛板粘结和钢板氧化、异物等压入钛板，钛丝与钢材不宜直接接触，内壁刷陶瓷型防氧化涂料。待涂料充分干燥后，进行钛丝压紧摆放，摆放高度38.7mm，然后上层放衬板，衬板材质为钛板，厚度0.5mm，并具有一定柔性，最后放钢板压板，钢板厚度40mm，长度与型钢长度相同，钢板不平度≤3mm/m。
57.摆料结束后升温至预定的退火温度，退火温度范围530℃。为保证钛丝充分热透，到温计时，保温时间按照t＝130min；为避免激冷造成弯曲不良，保温时间结束后，先开炉门20mm，冷却至350℃，再开炉门80mm，冷却至100℃，然后出炉空冷至室温；
58.s400、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。
59.成品φ4.0mm tc4丝材力学性能与直线度见表1。
60.实例3：
61.s100、固溶处理：将拉拔之后φ6.3mm盘圆在真空退火炉或大气退火炉内进行固溶退火，退火温度750℃，保温时间2.5h，出炉后空冷。
62.s200、正弦矫直：将tc4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝。
63.s300、时效处理：采用i25b型钢，材质为q235，截面尺寸为250*118*10mm，满足，gb/t 706-2016《热轧型钢》标准，长度3500mm。钛丝摆料前清理槽钢内表面，同时为避免钢板与钛板粘结和钢板氧化、异物等压入钛板，钛丝与钢材不宜直接接触，内壁刷陶瓷型防氧化涂料。待涂料充分干燥后，进行钛丝压紧摆放，摆放高度37.8mm，然后上层放衬板，衬板材质为钛板，厚度0.5mm，并具有一定柔性，最后放钢板压板，钢板厚度50mm，长度与型钢长度相同，钢板不平度≤3mm/m。
64.摆料结束后升温至预定的退火温度，退火温度范围540℃。为保证钛丝充分热透，到温计时，保温时间按照t＝135min；为避免激冷造成弯曲不良，保温时间结束后，先开炉门50mm，冷却至350℃，再开炉门100mm，冷却至200℃，然后出炉空冷至室温；
65.s400、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。
66.成品φ6.0mm tc4丝材力学性能与直线度见表1。
67.表1
[0068][0069]
由表1可见，采用本发明的热处理方法制备的直径φ7mm以下tc4钛合金丝材，性能完全满足gb/t 13810-2017标准要求，且抗拉强度rm≥1030mpa，直线度≤0.3mm/m，同时满足直线度≤0.5mm/支。
[0070]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

技术特征：
1.一种医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，包括：s100、固溶处理，拉拔之后盘圆在真空退火炉或大气退火炉内进行固溶退火，退火温度700～780℃，保温时间2-3h，出炉后空冷；s200、正弦矫直：将tc4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝；s300、时效处理，将钛丝的直丝进行摆放后上方通过压板压紧，然后进行退火处理，退火温度范围为500～540℃，退火后经过预设时间的保温进行空冷，空冷时采用阶段式降温；s400、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。2.根据权利要求1所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，在步骤s300中，摆放钛丝的方法包括：将钛丝放入槽型空间内，通过压板在摆放好的钛丝上方进行压紧。3.根据权利要求2所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，所述槽型空间通过型钢制成，型钢材质为q235；钛丝在槽型钢内摆放高度≤40mm。4.根据权利要求3所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，型钢为i25b型钢，根据gb/t 706-2016《热轧型钢》标准采用的截面尺寸为250
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10mm，长度为3500mm。5.根据权利要求4所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，所述型钢的内壁涂覆陶瓷型防氧化涂料。6.根据权利要求2所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，所述压板为20～50mm厚的钢板，钢板的不平度≤3mm/m；在钢板和钛丝之间设置衬板，所述衬板为0.5～2mm的钛板。7.根据权利要求2所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，钛丝摆放遵循从下至上先粗后细、先长料后短料的原则。8.根据权利要求1所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，退火的预设时间为tmin，通过公式(1)计算获得；t＝(h
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k+30～60)min
………………
(1)其中，h-钛丝摆放的高度；k-保温有效系数，取1.8～2.0min/mm。9.根据权利要求1所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，在步骤s300中，阶段式空冷的方法包括：将炉门打开至第一预设开度，将温度冷却到第一预设温度范围，再将炉门开至第二预设开度，冷却至第二预设温度范围，最后出炉冷却至室温。10.根据权利要求9所述的医疗用tc4钛合金丝材的热处理方法，其特征在于，所述第一预设开度为20～50mm，第一预设温度范围为350～400℃；所述第二预设开度为80～150mm，第一预设温度范围为100～200℃。

技术总结
本发明涉及金属材料热处理技术领域，尤其涉及一种医疗用TC4钛合金丝材的热处理方法。一种医疗用TC4钛合金丝材的热处理方法包括S100、固溶处理，进行固溶退火，退火温度700～780℃，保温时间2-3h，出炉后空冷；S200、正弦矫直：将TC4钛合金盘圆进行开盘正弦矫直，矫直后切断为直丝；S300、时效处理，将钛丝的直丝进行摆放后上方通过压板压紧，然后进行退火处理，退火温度范围为500～540℃，经过预设时间的保温进行空冷，空冷时采用阶段式降温；S400、精磨处理：精磨至成品尺寸公差，取样、平头、装箱。一种医疗用TC4钛合金丝材的热处理方法，其优势在于，极大地降低了残余应力，达到了相关标准的要求，提高了生产效率和成材率，成品组织性能和质量稳定。能和质量稳定。能和质量稳定。


技术研发人员：王哲 曹恒 王非 郝晓博 王树军 陶会发 马明亮
受保护的技术使用者：洛阳双瑞精铸钛业有限公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/10/11