PL232734B1 - Sposób wytwarzania elementów magnezowych zawierających wkładki z pian węglowych - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania elementów magnezowych zawierające wkładki z pian węglowych amorficznych polega na tym, że kształtki z otwartokomórkowych pian węglowych amorficznych zawierające pory otwarte o średnicy 250 - 1200 µm, przy czym ich ilość, wielkość, kształt, porowatość i rozmieszczenie dostosowane są do konkretnego wyrobu, umieszcza się w formie, korzystnie grafitowej, następnie infiltruje się w próżni lub w atmosferze ochronnej ciekłym magnezem, którego temperatura jest nie większa od 700°C, lub jego stopami których temperatura jest nie większa niż 50°C od ich temperatury likwidus, po czym chłodzi pod obciążeniem pod ciśnieniem nie większym, niż 3 MPa.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania elementów magnezowych zawierających wkładki z pian węglowych, mających zastosowanie tam gdzie od elementów magnezowych wymagane jest lokalne zwiększenie sztywności i poprawa właściwości tribologicznych w warunkach tarcia suchego lub na biomateriały ze strefą biodegradowalną selektywnie.

Warunki eksploatacji wyrobów metalowych często wymagają zróżnicowania ich właściwości, co można uzyskać poprzez odpowiednie zaprojektowanie mikrostruktury, w tym dzięki wytworzeniu strefy kompozytowej metalowo-ceramicznej. Jest to dotychczas znane w aluminiowych wyrobach odlewanych, w których występuje strefa robocza wzbogacona w cząstki ceramiczne o podwyższonej odporności na ścieranie (US 5025849 A, PL221418).

Innym rozwiązaniem zapewniającym zwiększenie odporności wyrobów aluminiowych na ścieranie jest wytworzenie odlewów zawierających piany ceramiczne węglikowe lub tlenkowe (Jing Liu, Jon Binner, Rebecca Higginson, Dry sliding wear behaviour of co-continuous ceramic foam/aluminium Allom interpenetrating composites produced by pressureless infiltration Wear 276-277 (2012) 94-104).

Celem wynalazku jest uzyskanie ultralekkiego wyrobu magnezowego o właściwościach makroskopowo zróżnicowanych zgodnie z projektem wynikającym z wcześniejszych założeń użytkowych, na podstawie których w wyrobie wytworzona zostaje strefa o dowolnej geometrii zawierająca komponent z węgla amorficznego tworzącego ciągły szkielet, tzw. pianę otwarto komórkową, wypełniony tym samym stopem.

Sposób wytwarzania elementów magnezowych zawierające wkładki z pian węglowych amorficznych polega na tym, że kształtki z otwartokomórkowych pian węglowych amorficznych zawierające pory otwarte o średnicy 250-1200 pm, przy czym ich ilość, wielkość, kształt, porowatość i rozmieszczenie dostosowane są do konkretnego wyrobu, umieszcza się w formie, korzystnie grafitowej, następnie infiltruje się w próżni lub w atmosferze ochronnej ciekłym magnezem, którego temperatura jest nie większa od 700°C, lub jego stopami których temperatura jest nie większa niż 50°C od ich temperatury likwidus, po czym chłodzi pod obciążeniem pod ciśnieniem nie większym niż 3 MPa.

Korzystnie infiltracja piany otwartokomórkowej odbywa się poprzez wtłaczanie metalu pod ciśnieniem nie większym niż 5 MPa lub jego zasysanie.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest lokalne zwiększenie sztywności, zdolności pochłaniania energii i zmiana właściwości tribologicznych w warunkach tarcia suchego lub lokalne zwiększenie, sztywności i zróżnicowanie biodegradowalności.

Zgodnie z proponowanym rozwiązaniem materiałowym jako materiał bazowy używany jest magnez lub jego stopy, a fazą zmieniającą lokalnie właściwości wyrobu odpowiednio dobrana kształtka z otwartokomórkowej piany wykonana z węgla amorficznego (szklistego). Podczas procesu wytwarzania następuje infiltracja piany metalem bez zmiany jej geometrii i w wyr obie powstaje strefa kompozytowa magnez- szkielet węglowy, która będąc dobrze połączona z pozostałą wyłącznie magnezową częścią wyrobu charakteryzuje się zwiększoną sztywnością, zdolnością do tłumienia drgań oraz mniejszym zużyciem dzięki tworzeniu się smaru stałego węgiel-tlenki metali w warunkach tarcia suchego. Taki wyrób charakteryzuje również zróżnicowana biodegradowa lność. Znane są implanty wykonane z magnezu i jego stopów podlegające pod wpływem ludzkich płynów organicznych względnie szybkiej degradacji i wchłanianiu, a wprowadzenie do nich wkładek z bardziej odpornego korozyjnie węgla amorficznego przedłuży trwałość implantu w wybranej strefie ułatwiając równocześnie rozrost tkanki w otwarte komórki szkieletu piany. Takie, rozwiązanie jest korzystne, gdyż pozwala uniknąć metalozy, która może wystąpić gdy wkładka w magnezie zostanie wykonana z innych biomateriałów metalicznych np. z tytanu. Ponadto sama procedura wytwarzania pian węglowych: o zadanej geometrii jest mniej skomplikowana w porównaniu z pi anami metalowymi.

Sposób według wynalazku objaśniono w poniższym przykładzie wykonania.

Do formy grafitowej o średnicy wewnętrznej 30 mm, kształcie zbliżonym do wyrobu docelowego, umieszcza się kształtkę w postaci krążka o średnicy 20 mm i wysokości 5 mm z otwartokomórkowej piany węglowej amorficznej o porowatości 45 ppi (ilość porów na cal), przy czym jej kształt, wielkość i porowatość wynikają z warunków pracy tego wyrobu, takich jak: rozkład naprężeń, lokalizacja strefy podlegającej ścieraniu, zróżnicowane funkcje uzupełnianego fragmentu kości. Następnie na kształtce węglowej umieszcza się krążek z technicznie czystego magnezu o średnicy 29 mm i wysokości 30 mm, ogrzewa w próżni do temperatury 680°C z szybkością 20°C/min i prasuje pod ciśnieniem

PL 232 734 B1

MPa przez 10 min, po czym chłodzi pod ciśnieniem 3 MPa. Otrzymuje się krążek magnezowy zawierający centralnie zlokalizowaną otwarokomórkową pianą węglową wypełnioną magnezem.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (2)

1. Sposób wytwarzania elementów magnezowych zawierające wkładki z pian węglowych amorficznych znamienny tym, że kształtki z otwartokomórkowych pian węglowych amorficznych zawierające pory otwarte o średnicy 250-1200 μm, przy czym ich ilość, wielkość, kształt, porowatość i rozmieszczenie dostosowane są do konkretnego wyrobu, umieszcza się w formie, korzystnie grafitowej, następnie infiltruje się w próżni lub w atmosferze ochronnej ciekłym magnezem, którego temperatura jest nie większa od 700°C, lub jego stopami których temperatura jest nie większa niż 50°C od ich temperatury likwidus, po czym chłodzi pod obciążeniem pod ciśnieniem nie większym, niż 3 MPa.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że infiltracja piany otwartokomórkowej odbywa się poprzez wtłaczanie metalu pod ciśnieniem nie większym niż 5 MPa lub jego zasysanie.