中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

Dedicated to design & manufacturing for medical device

December 7-9 2022 | Suzhou lnternational Expo Centre B1-E1

独家| 脉冲等离子体氮化技术为可植入金属提供独特的表面处理

2022-03-08


等离子体氮化技术非常适合许多医用级金属材料的表面处理,例如钛合金、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等

金属生物材料广泛应用于移植,但伴随着人体化学腐蚀效应,植入物中会产生高低不等的循环应力。因此,增强可植入合金的表面性能在医疗器械应用中至关重要,例如依赖于高科技生物材料的人工髋关节和膝关节植入物。

相关应用通过广泛采用不同的材料、涂层、加工方法和设计而得到了改善。梅奥医学中心2014年发布的一项研究显示,2010年共有720万美国人接受全膝关节置换术(TKA)和全髋关节置换术(THA)植入物。

TKA和THA材料通常包括钛合金、钴铬合金、不锈钢合金、聚乙烯和陶瓷。自20世纪90年代以来,THA设计一直以使用粗糙或多孔涂层钛外壳和氧化铝[陶瓷]衬里为主。

此外,由于在过去几十年里主要也从金属粉末增材制造(AM)演化而来,牙齿植入应用也将表面氮化视为一种增强生物相容性的有用技术。

本文探讨了为什么精密控制的等离子氮化技术能够不断获得领先制造商的青睐,以及为什么消费者依赖独特的材料工艺来获得可靠的产品质量。

表面处理常用于在医疗和牙科行业中处理不锈钢、钛合金、钴铬合金和其他特殊合金等材料。传统处理方法包括渗碳、盐浴氮化或气体氮化,每种工艺各有优缺点。然而,要高度精确地控制扩散层的形成以提高材料性能,先进的脉冲等离子体氮化技术是首选解决方案。

脉冲等离子体氮化技术已应用数十年之久,将出色的直流脉冲信号控制和改进的腔室设计和构造结合在一起来实现精确的温度控制和整个热壁室热区的均匀分布,最终确保批次间高度一致和均匀的氮化,与传统的氮化方法相比,每次气体消耗更少。

除了精确控制扩散层,该技术还非常适合许多医疗应用金属材料的表面处理,例如钛合金、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。

此外,商业热处理车间有各种加工设备和供应商可选。其丰富的系统配置可帮助大批量零部件生产商提高灵活性、效率、可重现性和吞吐量。为此,欧洲、北美和亚洲的医疗器械厂商纷纷引入这类系统来实现更清洁、更高效的运营。

01
脉冲等离子体氮化的技术优势

医疗应用常用的合金包括各种不锈钢、商用纯(CP)钛、β型钛合金、钛铌合金和特种合金,所有这些合金都可以通过渗碳(钛渗碳不常见)和氮化来增强机械和电化学性能。

由于与渗碳相关的高温和温度保持时间会导致零件变形,渗碳并非处理医疗应用材料的首选方法,而主要应用于航空航天和汽车工业。然而,根据2005年ASM国际文件“航空航天和汽车材料的真空渗碳”,一种名为BÖHLER N360的耐腐蚀马氏体不锈钢合金已成功进行真空渗碳,深度达到0.0015英寸。该材料已用于医疗紧固件应用和可植入设备。

氮化是渗碳的替代方法,这种温度较低、依赖时间的热化学工艺可将氮扩散到金属表面。其中一种方法是盐浴氮化。该工艺需要液体浸泡,通常在550℃至570℃进行。盐浴法的原理是将无水氨溶解在氰化物中形成氰酸盐——一种富氮盐,通常形成浓度高于50%的溶液。盐浴氮化可持续24小时,通过添加气淬或水淬后处理来有效改善表面粗糙度、硬度和耐磨性。根据2017IOP Conference Series文件“材料科学与工程”,CP 2级钛是纯钛中最易成形和耐腐蚀的,5级合金具有生物相容性,并表现出优异的摩擦学性能。

然而,盐浴氮化的一个后处理需要大量洗涤工作以去除残留的氰酸盐。此外,盐浴和碱液还有处置成本和环境处理成本,以及随之而来的安全和操作责任。

气体氮化(500 °C)和气体氮碳共渗(540–580 °C)是普遍认可的工艺,与脉冲等离子体氮化相比,通常需要高浓度的氨(NH3)和大量的载气流量(常压工艺)。通过将元素氮气体组分扩散到铁中来形成硬质氮化物。

与渗碳相比,由于温度低,不需要淬火,因此变形和开裂几率更低。气体氮化的缺点是需要使用氨气等可燃气体,气体消耗量高且不能处理氮化铁锈和耐酸钢。

然而,随着脉冲等离子体氮化技术的发展,精度和控制水平的进一步提高,实现了均匀、一致的表面硬化。结合环保气体的使用(优于气体氮化中的氨气),等离子体氮化已成为一个创新热点,在医疗设备中得到更广泛的应用,特别适合追求环保、安全解决方案的制造商。

脉冲等离子体氮化技术将组件装入真空容器中进行处理。首先将组件定位在支撑结构或格栅上,保持间距以保证处理的均匀性。也可用机械掩蔽隔离部分区段。定位零件后放置热电偶,降低钟形外壳以包围负载。加热前,将处理室抽真空至10帕斯卡以下,并在电荷(阴极)和室壁(阳极)之间施加几百伏特的脉动直流电压。随后导入一种低流量工艺气体并通过振荡电脉冲使气体电离。对于等离子体氮化,可使用氮气和氢气的混合物,其中可以加入含碳气体,例如甲烷。

根据处理时间和温度,氮原子扩散到组件的外区来形成一个扩散区。这可以是原子氮,溶解在铁晶格中并以包括硝酸盐(金属氮化物或特殊氮化物)的形式沉积。

为了进一步提高精度,脉冲等离子体氮化技术的创新者揭示了更好地控制脉冲来优化工艺的多种方法。例如PVA TePla AG Industrial Vacuum Systems开发的PulsPlasma®工艺使用氮、氢和碳基甲烷的精密调节气体混合物。在10微秒内传送几百伏特的脉冲直流电压信号以电离气体。这有助于最大限度地延长脉冲之间的时间,以便在整个腔室中进行出色的温度控制。

如果批次内的温度差异为±10°,就会产生完全不同的处理结果。然而,通过精确的脉冲开关时间管理来控制脉冲电流,可以精确地控制整个热壁室的温度分布。

该方法的一个特点是系统可以在室温下实现稳定的辉光放电。大多数系统无法做到这一点,因为发电机无法提供稳定的等离子体。为了弥补这一点,这些系统必须首先加热到300–3500 °C,然后才能使用等离子体,延长了工艺时间。对于PulsPlasma,加热时间可用于进行表面精细清洗。

用于制造氮化系统熔炉本身的建筑材料也进行了优化。在所有系统中,PlaTeG使用为航空航天行业开发的绝缘材料,打造出薄至40毫米的炉壁,而行业标准为150毫米。炉壁质量越小,加热所需的能量和时间就越少,同时保护可能意外接触到炉膛外部的工人。

PulsPlasma氮化炉具有更好的整体控制,可提供多个加热和冷却区域,每个区域由自身的热电偶控制。这可以在熔炉内形成±5 °C范围内的均匀温度分布。

室内温度的均匀性比渗氮结果的一致性更重要。由于整个腔室温度均匀,整个空间都可用于装载组件,从而有效地增加了腔室容量。

02
不锈钢

对于医疗器械制造来说,脉冲等离子体氮化的关键优点之一是它更适合不锈钢等高合金材料的热处理。

处理含铬量较高的钢时,液体氮化和气体氮化会与元素发生反应,从而使金属失去一些耐蚀性。

不锈钢有一层天然的氧化铬钝化层,可以抑制腐蚀。为了将氮带入材料,必须先去除氧化铬层。对于气体氮化,去除钝化层需要一种特殊气体化学方法。不锈钢也可以在盐浴中氮化,但代价是表面的耐蚀性会降低。

PulsPlasma氮化直接进行表面的可控离子轰击。选择低于450℃的氮化温度,并对气体混合物进行精确控制,可以在不降低材料耐蚀性的情况下对材料表面进行处理。

03
增加生产吞吐量

氮化是一项批处理工艺。通过优化机械操作可以实施熔炉设计的创新,提高效率和产能。虽然实际氮化时间不变,但高效上下料具有重要作用。PlaTeG工厂设计可以使用任何一种单通道、穿梭和串联布局来控制吞吐量、资源和运营成本。

作为批处理工艺,氮化通常需要等待处理、冷却和卸载前一批次,然后才能开始新批次。现在可用穿梭和串联扩展来简化批处理工艺。

借助穿梭扩展,可以给熔炉添加另一个真空室底部。运行氮化工艺时,可以在第二真空室进行前一批次的卸载和后续批次的装载/准备。由于真空室的装卸时间与当前流程的处理时间重叠,两个连续批次的循环时间便可缩短。

串联扩展有两个完整的真空室,通过真空泵、工艺气体供应、等离子体发生器和系统控制单元交替操作。在无人值守周末作业情况下,可以连续启动和控制两个批次的自动流程。采用这种操作结构,年氮化能力可增加30%至60%。

由于等离子体氮化采用了环保的氮气和氢气,熔炉可以兼顾组件加工,而不需要单独处理室。此外,脉冲等离子体氮化系统不会产生污染气体。这样,操作员可以将熔炉放置在钻孔机旁边,使得氮化和整个制造工艺更加高效。

通过控制气体混合物、辉光放电间隔、脉冲信号设计和使用高度绝缘热壁氮化炉,脉冲等离子体在氮化中提供了更高精度。再加上熔炉设计的创新、氮化操作的批量管理,依赖氮化组件的医疗制造商可以获得更均匀的结果,更好地保护材料,增加吞吐量。

最后,新兴的表面和涂层技术有望对医疗器械的未来产生积极的商业影响。其中一种技术被称为粉末沉浸反应辅助涂层(PIRAC),这种相对廉价的氮化工艺可以显著改善钛合金的表面特性。

来源:Medtec医疗器械设计与制造