Введение к работе
Актуальность проблемы
Создание и внедрение в производство и клиническую практику высококачественных и надежных эндопротезов, в частности узлов трения искусственных суставов, из титановых сплавов является актуальной научной и практической задачей. Эффективность её решения может быть достигнута только применением комплексного подхода к материаловедческим, технологическим, конструкторским и экономическим аспектам проблемы. Преимуществами титановых сплавов перед другими металлическими материалами - нержавеющими сталями, кобальт-хромовыми сплавами, также применяющимися для этой цели, являются полная биосовместимость, более высокая удельная прочность и коррозионная стойкость в биологической среде. Однако эти преимущества в узлах трения эндопротезов суставов могут быть реализованы только в случае достижения высоких триботехнических характеристик - низкого коэффициента трения, высокой стойкости к износу и фреттинг-коррозии, и, как следствие, требуемого ресурса безотказной работы искусственного сустава. Учитывая специфику физико- химических свойств титана и его сплавов, эту задачу можно решить только технологическими методами.
В инженерно-медицинском центре «МАТИ-Медтех» была разработана уникальная комплексная технология обработки шаровых головок эндопротезов тазобедренного сустава (ЭПТБС) из титанового сплава ВТ6, работающих в паре трения с компонентом из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в условиях интенсивных фрикционных нагрузок. Внедрение этой технологии в серийное производство доказало её высокую эффективность - достигаемые триботехнические характеристики не уступают характеристикам естественного здорового сустава, а также характеристикам лучших образцов применяющихся металл-полимерных и керамических пар трения. Однако в процессе массового производства таких головок на первый план вышли вопросы технико- экономической эффективности производства, связанные с воспроизводимостью и стабильностью технологических свойств головок, повышением производительности всех применяемых технологических операций, минимизацией брака на каждом этапе производства. Это вызвало необходимость дополнительных материаловедческих и технологических исследований, направленных на решение этих вопросов путем оптимизации параметров ряда технологических процессов.
Другой важной проблемой при разработке и оптимизации технологий производства и конструкций компонентов эндопротезов является использование экспресс-методик определения их основных функциональных характеристик. Существующая стандартизированная экспресс-методика испытания головок по силовым и временным условиям работы пары трения существенно отличается от стандартных методов технических испытаний эндопротезов на надежность, включая узел трения. Однако вопрос об идентичности результатов испытаний по разным методикам в части прогнозирования износостойкости компонентов пары трения до настоящего времени не рассматривался.
Целью настоящей диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное обоснование, разработка и оптимизация технологических процессов изготовления и исследование методов технических испытаний шаровых головок эндопротезов тазобедренного сустава из титанового сплава ВТ6, обеспечивающих их высокие триботехнические характеристики, а также технико- экономическую эффективность производства.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние термоводородной обработки на структуру, твердость и технологические свойства заготовок головок из сплава ВТ6 с учетом разницы содержания легирующих элементов в пределах паспортного состава;
разработать режимы термоводородной обработки, обеспечивающие наилучшее сочетание технологических свойств заготовок при финишной механической обработке головок и минимизацию брака по поверхностным микродефектам;
провести теоретическое обоснование и экспериментальную проверку режимов механического шлифования и полирования, обеспечивающих заданные параметры сферичности и чистоты поверхности головок и наилучшую производительность этих операций;
провести сравнительный теоретический анализ интегральных фрикционных нагрузок в парах трения при различных стандартных методиках технических испытаний эндопротезов;
провести испытания металл-полимерных пар трения с головками из сплава ВТ6, изготовленными по разработанным технологиям, по различным стандартным методикам и сравнительный анализ их результатов.
Научная новизна
-
-
Экспериментально установлено влияние содержания алюминия в разных партиях исходных полуфабрикатов сплава ВТ6 и температурных параметров термоводородной обработки (ТВО) на особенности формирования структуры, твердость и полируемость головок после ТВО, а также характер, количество и механизм образования микрогеометрических дефектов поверхности, возникающих при механическом шлифовании и полировке.
-
Показано, что управление в процессе ТВО интенсивностью структурного упрочнения путем снижения температуры вакуумного отжига с 650С до 630С при содержании алюминия в заготовках <5,8% и её повышения до 680С при содержании Al>6,2% позволяет создавать во всех заготовках сплава ВТ6 одинаковую структуру с мелкодисперсной а-фазой и тонкой фрагментированной а- оторочкой по границам исходных в-зерен. Это обеспечивает сужение интервала изменения твердости заготовок из разных партий с 36-44 ед. HRC до 39-41 ед. HRC, наилучшую технологичность головок при шлифовании и полировке.
-
Разработаны математические модели для расчета интенсивности удаления металла в разных зонах сферических головок при механическом шлифовании и полировании. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что наиболее равномерное удаление металла с поверхности происходит при отношении скоростей вращения инструмента и заготовки в интервале 0,3-0,5.
-
Разработаны математические модели для расчета интегральной работы трения в узлах движения эндопротезов при их испытаниях на надежность. Расчетами показано, что работа трения, являющаяся физической причиной износа, в разных стандартных методиках испытаний различается на 1-4 порядка, что обусловлено прежде всего разной базовой продолжительностью фрикционного воздействия. Экспериментально установлено, что методика ГОСТ Р ИСО 7206-4 и экспресс-методика ГОСТ Р 52640 с увеличенной базой испытаний дают практически одинаковые результаты по величине остаточной деформации полимерного компонента пары и износу головки из сплава ВТ6.
Практическая значимость
1. Разработаны технологические рекомендации по корректировке температуры вакуумного отжига при термоводородной обработке в интервале от 630 до 680С в зависимости от содержания алюминия в исходных полуфабрикатах, изменяющегося в диапазоне от 5,6 до 6,5%. Внедрение этих рекомендаций
позволило повысить производительность и временную стабильность операций механического шлифования и полировки головок и в 4-5 раз снизить долю изделий, бракуемых по микрогеометрическим дефектам поверхности.
2. Разработаны технологические рекомендации по выбору оптимальных параметров механического шлифования и полирования заготовок головок, а именно - использования соотношения угловых скоростей вращения инструмента (притира) и заготовки в диапазоне 0,3-0,5 при «встречном» направлении вращений. Это позволяет снизить долю головок, бракуемых по отклонению от сферичности.
Технологические рекомендации внедрены в производство головок ЭПТБС в ЗАО «Имплант МТ», что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы.
Материалы диссертации доложены на Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (2011, 2012 гг., г. Москва), Международной конференции «Ti-2012 в СНГ», 2012г. (г. Казань, Россия), Международной научно- технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (2011г., г. Екатеринбург) и Международном аэрокосмическом конгрессе IAC'12 (2012г., г. Москва).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах, в том числе в 4х статьях в ведущих рецензируемых журналах, определенных перечнем ВАК РФ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Объем диссертации и её структура. Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и 15 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 118 наименований.
Похожие диссертации на Теоретическое и экспериментальное обоснование параметров технологических процессов производства и испытаний головок эндопротезов тазобедренного сустава из титанового сплава ВТ6
-
