專利名稱：一種模量可調(diào)型矯牙用鈦合金及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，特別涉及一種具有揚氏模量連續(xù)可調(diào)特征的矯牙用β鈦合金及其制備工藝。
背景技術(shù)：
迄今為止，用于醫(yī)療矯牙用的金屬材料主要有低揚氏模量的NiTi合金(～40GPa)、中揚氏模量的β鈦合金(～70GPa)以及高揚氏模量的不銹鋼(～200GPa)。合金的揚氏模量不同，彎曲后所產(chǎn)生的回彈力不同，對牙齒的矯正作用也就不同。通常根據(jù)矯牙患者牙齒的偏離程度以及矯牙過程中的不同階段來選擇不同揚氏模量的矯牙材料，達到給牙齒連續(xù)施加外力，使其能夠有效地移動，以達到矯正的目的。不銹鋼材料太硬，所施加的外力較大，常會引起患者牙根疼痛，甚至引起牙根收縮。NiTi合金材料雖加力比較柔和，但其在使用過程中釋放出的Ni離子常引起患者的過敏反應(yīng)。β鈦合金是目前為止較為合適的一類矯牙材料，但是其揚氏模量單一，還不能滿足矯牙的實際需要。
揚氏模量連續(xù)可調(diào)型β鈦合金，正是在這一實際需求背景下提出。發(fā)明的目的不僅可以制備出同現(xiàn)有的NiTi合金及β鈦合金的揚氏模量相匹配的β鈦合金，而且，還可以制備出一系列連續(xù)的、具有不同大小揚氏模量的β鈦合金，為不同的矯牙患者以及不同的矯牙階段提供更多的材料選擇，提高矯牙效果?，F(xiàn)有的矯牙用β鈦合金，如牌號為BetaIII(美國專利US3767480)的β鈦合金，化學(xué)成分見表一，其原本是為飛機上的緊固件、鉚釘及彈簧而設(shè)計。由于冷拔后BetaIII絲的揚氏模量為70GPa左右，恰巧處在NiTi絲和不銹鋼絲之間，因而得到了矯牙的廣泛應(yīng)用。還有一些正在研究的偽彈性β鈦合金，如美國專利(專利文獻US6419358B1)中的偽彈性β鈦合金，以及我國專利(公開號CN1699610A)中的偽彈性β鈦合金，(成分見表二)，也以其適中的揚氏模量值(60GPa～70GPa)被用于矯牙材料領(lǐng)域。但是，這些β鈦合金的共同點是揚氏模量為恒定值，合金設(shè)計中沒有考慮到揚氏模量可調(diào)這一概念和技術(shù)。因此，無法滿足矯牙患者的需求，并且，目前已用作矯牙材料的β鈦合金成本也都偏高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了生產(chǎn)出一種成本低、且合金成分固定、而揚氏模量又連續(xù)可調(diào)的β鈦合金，以便于牙醫(yī)根據(jù)矯牙患者牙齒的偏離程度以及矯牙過程中的不同階段來選擇不同揚氏模量的矯牙材料。
揚氏模量連續(xù)可調(diào)所指的是其揚氏模量可以隨著加工工藝的不同而獲得一系列不同的、由低到高連續(xù)變化的揚氏模量值。
一種揚氏模量連續(xù)可調(diào)型β鈦合金，其化學(xué)成分重量百分比為鐵3～5％，鈮10～20％，鋯2～10％，鋁2～5％，錫2～15％，碳0.1～0.3％，氮0.0～0.01，氫0.0～0.02％。
揚氏模量連續(xù)可調(diào)型β鈦合金，加工工藝為由鑄錠軋制成細棒材→室溫拉拔成絲→真空時效處理→表面清洗成材。其室溫拉絲工藝為每道次的變形量不大于15％，每進行3～4道次后，進行一次固溶處理。固溶處理工藝為800℃～900℃，保溫10～30分鐘水淬。真空時效處理工藝為400℃～500℃，保溫0～60分鐘。
本發(fā)明原理基于β鈦合金的揚氏模量可以隨著合金成分和相結(jié)構(gòu)的變化而變化這一規(guī)律。具有揚氏模量在50～60GPa范圍的亞穩(wěn)β鈦合金棒材，通過冷軋變形得到β鈦合金絲，由于應(yīng)力誘導(dǎo)形成α′或α″馬氏體相而使合金的揚氏模量降低到40～50GPa范圍。最后，通過對變形過的亞穩(wěn)β鈦合金絲進行真空時效處理而得到一系列揚氏模量可在40～120GPa范圍變動的β鈦合金絲。采用強β相形成元素Fe可促進室溫下亞穩(wěn)β相的形成以及控制合金的馬氏體相變溫度Ms，通過冷變形引入α′或α″馬氏體相可進一步降低合金的揚氏模量，添加合金元素Al、Sn和C可促進真空時效時的α相析出，保證合金的揚氏模量隨著時效時間的延長而快速增加，達到其揚氏模量連續(xù)可調(diào)的目的。
鈦合金中加Fe是目前正在興起的一項研究，其目標是降低高昂的β鈦合金成本。本發(fā)明中加入合金元素Fe，代替或減少常用β鈦合金中的Mo、Nb、Ta等元素不僅能降低合金成本，而且能調(diào)整α←→β的相變溫度以及馬氏體相變溫度Ms，使得合金在室溫下可以得到亞穩(wěn)的β相，并且可以通過冷變形應(yīng)力誘發(fā)β→α′或α″馬氏體相變。這樣，既可以滿足合金室溫冷拔成絲的加工工藝要求，同時，又由于得到的α′或α″馬氏體相比較軟，使得合金的揚氏模量進一步降低，合金的揚氏模量的變化范圍增大。
對于如何保證α相連續(xù)析出并使其揚氏模量連續(xù)升高，以及如何在較短的時間內(nèi)析出α相，是本發(fā)明技術(shù)的又一核心問題。申請者已發(fā)現(xiàn)，在有Al、Sn合金元素存在的條件下，添加適量合金元素C，能有效地縮短其α相的析出時間，其硬度在60分鐘即可達到最大值，并且，硬度升高的同時其揚氏模量也快速升高，揚氏模量的最大值可達120GPa以上。因此，本發(fā)明通過加入合金元素C以及合金元素Al、Sn，就可以達到快速、連續(xù)地提高合金揚氏模量的目的。這樣使合金的真空時效處理的成本降低。
本發(fā)明的β鈦合金，是一種成本低、揚氏模量可在40～120GPa范圍內(nèi)連續(xù)取值的β鈦合金，便于牙醫(yī)根據(jù)矯牙患者牙齒的偏離程度以及矯牙過程中的不同階段來選擇。


圖1為揚氏模量值隨時效時間的變化曲線具體實施方式
(1)電極壓制。將海綿鈦、鐵粉、鈮條、碘化鋯、鋁條、錫條及石墨粉經(jīng)充分烘干后在冷壓機上壓制成φ110×300mm的單塊電極，單塊電極通過鎢極氬弧焊組成自耗電極。
(2)鑄錠制備。通過真空自耗熔煉，將上述自耗電極熔煉成φ160×450mm的一次錠，相應(yīng)的熔煉工藝為電流為2.8KA，電弧電壓25V，熔煉時間30min，真空度小于5Pa。再通過真空自耗凝殼熔煉，澆鑄出直徑為φ30～φ60mm、長度為400～450mm的多個二次錠，相應(yīng)的熔煉工藝為電流為20KA，電弧電壓40V，熔煉時間5min，真空度小于5Pa。
(3)軋制成細棒材。采用傳統(tǒng)的鈦合金加工工藝方法，對上述錠材進行多道次的軋制變形，最后得到φ4～φ8mm的細棒材。
(4)冷拔絲材。對φ4～φ8mm的細棒材進行固溶處理，然后用石墨乳和拉絲肥皂涂覆表面，進行室溫冷拔。每道次的變形量不大于15％，每進行3～4道次后，進行一次固溶處理。固溶處理工藝為800℃～900℃保溫10～30分鐘水淬。固溶處理時絲材的表面進行防氧化處理。最后二道冷拔采用長方形模具，得到橫截面為0.45×0.65mm的絲材。
(5)在400℃～500℃進行真空時效處理，保溫時間在0～60分鐘內(nèi)可得到不同揚氏模量值的細絲。如保溫時間分別為0分鐘、10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘及60分鐘時，得到的揚氏模量值分別為40GPa、67GPa、90GPa、103GPa、111GPa、116GPa及120GPa，見圖1。
(6)對細絲進行打磨或酸洗，得到表面光亮、目前矯牙材料通用的橫截面為0.4×0.6mm的絲材。
術(shù)語表β鈦合金——由β相組成的鈦合金NiTi合金——由50％鎳和50％鈦(原子百分比)組成的合金GPa——揚氏模量的單位，1GPa＝109Pawt.％——重量百分比偽彈性——通過應(yīng)力誘發(fā)相變而引起的非線性彈性α′相——具有密排六方晶格的馬氏體相α″相——具有斜方晶格的馬氏體相鎢極氬弧焊——用純鎢或活化鎢作為不熔化電極的惰性氣體保護電弧焊自耗熔煉——通過錠子和底座之間的放電啟弧來加熱熔化錠子的熔煉工藝固溶處理——將工件從高溫快速置入水中抑制第二相析出水淬——將工件從高溫快速置入水中時效——將工件在某一溫度下長時保溫，以便有第二相析出α←→β的相變溫度——高溫β相與低溫α相之間的轉(zhuǎn)變溫度馬氏體相變溫度Ms——在快冷條件下由高溫β直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢浠颚痢羼R氏體相的轉(zhuǎn)變溫度表一現(xiàn)有矯牙用β鈦合金(BetaIII)的化學(xué)成分

表二二種偽彈性β鈦合金的化學(xué)成分

權(quán)利要求
1.一種揚氏模量連續(xù)可調(diào)型β鈦合金，其特征在于β鈦合金化學(xué)成分重量百分比為鐵3～5％，鈮10～20％，鋯2～10％，鋁2～5％，錫2～15％，碳0.1～0.3％，氮0.0～0.01，氫0.0～0.02％。
2.一種揚氏模量連續(xù)可調(diào)型β鈦合金制備工藝，其特征在于工藝步驟為鑄錠軋制成細棒材→室溫拉拔成絲→真空時效處理→表面清洗成材；其中室溫拉絲工藝為每道次的變形量不大于15％，每進行3～4道次后，進行一次固溶處理，固溶處理工藝為800℃～900℃，保溫10～30分鐘水淬；真空時效處理工藝為400℃～500℃，保溫0～60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種揚氏模量可調(diào)型矯牙用β鈦合金及其制備工藝。該合金的化學(xué)成分及其重量百分比為鐵3～5％，鈮10～20％，鋯2～10％，鋁2～5％，錫2～15％，碳0.1～0.3％，氮0.0～0.01，氫0.0～0.02％。制備工藝為真空自耗熔煉+軋制+室溫冷拔+真空時效處理。該合金的揚氏模量值能夠隨著時效時間的變化在40GPa～120GPa范圍之間變化。本發(fā)明的鈦合金可應(yīng)用于口腔正畸方面的矯牙絲、矯牙支架以及微型矯牙彈簧，也可應(yīng)用于醫(yī)療器械以及體育用品等方面需要特定揚氏模量值的產(chǎn)品。
文檔編號C22F1/16GK1932059SQ200610113509
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者宋西平, 張蓓 申請人:北京科技大學(xué)