автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное обоснование параметров технологических процессов производства и испытаний головок эндопротезов тазобедренного сустава из титанового сплава ВТ6

На правах рукописи

Аспирант Нейман Александр Петрович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ ГОЛОВОК ЭНДОПРОТЕЗОВ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6

Специальность 05.16.09 - «Материаловедение (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005533980

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки материалов» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ).

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Мамонов Андрей Михайлович

Официальные оппоненты:

- Овчинников Алексей Витальевич, доктор технических наук, доцент, Ступинский филиал ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», профессор

- Панин Павел Васильевич, кандидат технических наук, доцент, ФГУП «ВИАМ», старший научный сотрудник

Ведущая организация:

- ОАО «Национальный институт авиационных технологий»

Защита диссертации состоится 18 июля 2013 года в 15— часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 220 А. Отзыв на автореферат в двух экземплярах (заверенных печатью организации) просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ.

Факс: (495)417-89-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 18 июня 2013 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

Скворцова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

1. 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.

2. Показано, что управление в процессе ТВО интенсивностью структурного упрочнения путем снижения температуры вакуумного отжига с 650°С до 630°С при содержании алюминия в заготовках <5,8% и её повышения до 680°С при содержании А1>6,2% позволяет создавать во всех заготовках сплава ВТ6 одинаковую структуру с мелкодисперсной а-фазой и тонкой фрагментированной сс-оторочкой по границам исходных Р-зерен. Это обеспечивает сужение интервала изменения твердости заготовок из разных партий с 36-44 ед. НШГ до 39-41 ед. ГЖС, наилучшую технологичность головок при шлифовании и полировке.

3. 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.

4. 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 680°С в зависимости от содержания алюминия в исходных полуфабрикатах, изменяющегося в диапазоне от 5,6 до 6,5%. Внедрение этих рекомендаций

5

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 А- 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.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В главе приведены биомеханические параметры тазобедренного сустава человека, свойства костных и хрящевых структур, характер и величина функциональных нагрузок при различных видах движения.

Приведены требования международных стандартов к материалам эндопротезов.

Рассмотрены материаловедческие аспекты выбора металлических материалов для эндопротезов. Показаны преимущества титановых сплавов для изготовления ответственных узлов эндопротезов по биохимическим и физико-механическим свойствам. 6

Показано, что ряд важнейших эксплуатационных свойств эндопротезов из титановых сплавов (износостойкость, сопротивление усталости и др.), определяется в значительной мере технологией их изготовления. Обоснована необходимость комплексного подхода к решению материаловедческих, технологических, конструкторских и медико-биологических проблем при проектировании, производстве и применении имплантатов из титановых сплавов.

Более подробно рассмотрена технология термоводородной обработки, являющаяся одной из эффективных технологий обработки высоконагруженных компонентов эндопротезов. Описаны основные физико-химические эффекты, обеспечивающие возможность целенаправленного преобразования структуры и повышения комплекса механических свойств титановых сплавов, в том числе износостойкости компонентов эндопротезов.

Показаны преимущества технологии создания градиентных поверхностных структур в титановых сплавах путем низкотемпературного вакуумного ионно-плазменного азотирования, обеспечивающего повышение стойкости к износу при трении и фреттинг-коррозии.

Показаны возможность и целесообразность сочетания ТВО и низкотемпературного ионного азотирования в комплексной технологии обработки компонентов эндопротезов, подвергающихся фрикционным нагрузкам.

Описаны стандартные методы ресурсных испытаний эндопротезов тазобедренного сустава, в том числе экспресс-методика для испытания пары трения эндопротеза тазобедренного сустава.

Дано заключение по литературному обзору, сформулирована цель и поставлены задачи работы.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ1

Исследования проводились на образцах и заготовках головок эндопротезов тазобедренного сустава, вырезанных из горячекатаных прутков сплава ВТ6, химический состав которых приведен в таблице 1.

Термоводородную обработку образцов и заготовок головок проводили в установках Сивертса. Содержание водорода в образцах после гидрирования определяли взвешиванием на электронных аналитических весах с точностью,

1 Эксперименты проведены с использованием оборудования ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАТИ.

обеспечивающей абсолютную погрешность в содержании водорода не более 0,02% по массе.

Таблица 1

Химический состав прутков из сплава ВТ6, использованных в работе.

Ti Легирующие элементы Примеси, масс.%, не более

А1 V Fe Zr Si О Н N С Проч.

Исследован -ные исходные прутки Осн. 5,5-6,5 3,8-4,3 0,3 - 0,08 0,2 0,01 0,04 0,08 -

ГОСТ 19807-91 Осн. 5,3-6,8 3,5-5,3 0,6 0,3 0,1 0,2 0,015 0,05 0,1 0,3

Вакуумный отжиг заготовок проводили в вакуумной печи марки СНВЭ-1.3.1/16 ИЗ, а также в вакуумно-водородной установке на базе вакуумной системы печи СНВ-1.3.1/16 И1. Контроль остаточного содержания водорода в образцах и изделиях осуществляли спектральным методом.

Анализ микроструктуры образцов и заготовок проводили стандартным металлографическим методом с использованием оптического микроскопа «NEOPHOT-ЗО» при увеличениях до 1000 крат.

Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-7 в фильтрованном К„ медном излучении. По результатам рентгеновской съемки производили качественный и количественный анализ фазового состава.

Измерение твердости проводили по методу Роквелла на приборе BUEHLER Macromet 5100Т.

Шероховатость поверхности измеряли на приборе «HOMMEL TESTER Т500» в соответствии с ГОСТ 2789-73.

Измерение сферичности шаровых головок на различных этапах обработки проводили по стандарту ГОСТ Р ИСО 7206-2 на координатно-измерительной машине CONTURA G2 и методом непрерывной обкатки измерительным алмазным щупом на измерительной машине «Zeiss».

Триботехнические испытания шаровых головок проводили по стандартам ГОСТ Р 52640-2006 и ГОСТ Р ИСО 7206-4 в паре с компонентом из сверхвысокомолекулярного полиэтилена марки «Хирулен».

Экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики. 8

Глава III. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ГОЛОВОК ЭНДОПРОТЕЗОВ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА ИЗ СПЛАВА ВТ6

В главе проведен критический анализ существующей комплексной технологии серийного производства головок эндопротезов тазобедренного сустава из титанового сплава ВТ6, которая обеспечивает их высокие триботехнические характеристики, в том числе износостойкость в паре с полимерным компонентом. Ключевой технологической операцией является термоводородная обработка, формирующая дисперсную субмикрокристаллическую структуру в объеме головки диаметром 28мм, которая обеспечивает высокую твердость заготовки (на уровне 40ед. HRC) и хорошую механическую полируемость поверхности. Проведен анализ причин возникновения микро- и макрогеометрических дефектов поверхности головок в процессах механического шлифования и полирования, проводимых после ТВО.

Установлено влияние химического состава исходных полуфабрикатов, а именно концентрации алюминия, и температурных параметров ТВО на структуру и твердость заготовок головок после ТВО. На основе анализа процессов распада водородосодержащей метастабильной ß-фазы при вакуумном отжиге, металлографического анализа структуры головок, измерения твердости выявлена корреляция между содержанием AI в сплаве, наличием и видом а-оторочки по границам исходных ß-зерен, твердостью и полируемостью головок после ТВО, а также характером и количеством дефектов, появляющихся при шлифовании и полировке.

Показано, что при содержании AI в сплаве в нижнем диапазоне допустимых значений (<5,8%) при ТВО формируется структура с преимущественно сплошной а-оторочкой по границам и мелкодисперсными а-частицами в теле ß-зерна (рис. 1а). Наличие пластичной а-оторочки является причиной явления «наволакивания» металла в процессе полировки и наряду с меньшей степенью твердорастворного и структурного упрочнения - причиной более низкой твердости после ТВО. При максимальном содержании AI в сплаве (>6,2%) а-оторочка в структуре после ТВО практически отсутствует (рис. 16), достигается максимальная твердость заготовок при минимальной пластичности, что приводит к хрупкому выкрашиванию металла на сферической поверхности и появлению глубоких рисок при шлифовании и полировке.

а) б) в)

Рис. 1. Типичные структуры заготовок головок из сплава ВТ6 после ТВО: а) с содержанием А1<5,8%; б) с содержанием А1>6,2%; в) с содержанием А1>6,2% после коррекции температуры вакуумного отжига при ТВО.

Различия в структуре и твердости заготовок головок, обусловленные разной концентрацией А1, при неизменном режиме ТВО с окончательным вакуумным отжигом при температуре 650°С приводят к существенной временной нестабильности процессов шлифования и полировки и повышенной доле бракуемых изделий (табл.2).

Таблица 2

Влияние содержания А1 на структуру, твердость и технологичность при финишной

механической обработке заготовок головок после ТВО.

Условный № партии Содержание А1, масс.% Наличие и вид а-оторочки, её толщина, мкм Твердость тс* Продолжительность шлифования и полировки, мин. Доля брака, % от исх. партии Достигаемая шероховатость поверхности Яа, мкм **

исх. после ТВО

1 5,8 практически сплошная, 1-3 28,2 37,8 35 5 0,04-0,07

2 6,0 фрагментированная, 1 31,1 41,1 25 1 0,03-0,04

3 6,3 практически отсутствует 32,0 43,3 20 5 0,02-0,03

* - средняя по 5 измерениям на каждой головке партии. ** - требование ТУ: Яа<0,05мкм.

Сделан вывод о необходимости коррекции режимов вакуумного отжига при ТВО в зависимости от содержания А1 в сплаве.

Показано, что единственным способом управления структурой и твердостью головок является изменение интенсивности структурного упрочнения сплава в процессе ТВО. Установлено, что снижение температуры второй ступени вакуумного

отжига с 650 до 630°С для заготовок с содержанием А1 <5,8% повышает интенсивность структурного упрочнения и твердость до 38-40 ед. НЯС (рис. 2) и приводит к утонению и фрагментации а-оторочки. Повышение температуры вакуумного отжига заготовок с содержанием А1>6,2% до 680°С снижает интенсивность структурного упрочнения, уменьшает твердость до 39-40 ед. НЯС (см. рис. 2) и приводит к образованию в структуре тонкой фрагментированной а-оторочки (см. рис. 1в).

Рис. 2. Влияние температуры вакуумного отжига и содержания А1 в сплаве ВТб на твердость заготовок головок. Цифры на кривых - содержание А1 в масс.%.

Разработаны технологические рекомендации по корректировке режимов ТВО в зависимости от содержания А1 в сплаве, которое определяется при входном контроле полуфабрикатов. Корректировке подвергаются температурно-временные параметры второй ступени вакуумного отжига заготовок, в процессе которой формируется окончательная структура головок (табл. 3). Внедрение технологических рекомендаций позволило улучшить полируемость головок, снизить количество дефектов при полировке, увеличить производительность финишных операций шлифования и полирования и в 4-5 раз уменьшить долю бракуемых (по причине поверхностных микрогеометрических дефектов) изделий.

Таблица 3

Рекомендуемые режимы 2й ступени вакуумного отжига заготовок головок в зависимости от содержания А1 в сплаве ВТ6.

Содержание А1, Температура, Длительность, Твердость,

масс. % °С час ед. НЯС

<5,8 630 10 38-40

5,9-6,2 650 9 39-41

>6,2 680 8,5 39-41

Прим.: конечная концентрация водорода при всех режимах <0,008%.

Глава IV. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ШЛИФОВАНИЯ И ПОЛИРОВАНИЯ ГОЛОВОК И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО

ВЫБОРУ ИХ РЕЖИМОВ

Глава посвящена совершенствованию технологии механического шлифования и полирования заготовок головок, которые производятся по схеме с одновременным вращением заготовки и инструмента (притира) с нанесенным на него абразивным материалом (рис. 3).

а) б)

Рис. 3. Схема шлифования и полирования (а) и параметры, определяющие перемещение точек головки относительно притира при их совместном вращении (б). V) - векторы линейной скорости на «экваторе» головки.

Результаты измерения сферичности готовых головок показали, что после шлифования и полирования нередки случаи нарушения требований по сферичности, согласно которым отклонения от сферичности не должны превышать Юмкм. При этом требования по диаметру головок и шероховатости поверхности выполнялись. Нарушение требований по сферичности связано с неравномерным съемом материала с поверхности головок в процессе шлифования и полирования. На всех забракованных головках отмечалась типичная картина - наибольшие «отрицательные» значения отклонений от сферичности наблюдаются на полюсе головки и по границе сферической поверхности.

Проведен теоретический анализ процессов шлифования и полирования головок. Показано, что интенсивность обработки (количество удаляемого металла в единицу времени) в каждой точке сферической поверхности заготовки определяется:

- условной «широтой» ф, на которой расположена точка по отношению к «экватору»;

- соотношением угловых скоростей вращения головки сог и притира со„;

-соотношением направлений их вращения («встречное» или «попутное»).

Разработаны математические модели для расчета распределения

интенсивности съема металла по поверхности головки при финишной механической обработке. В качестве интегральной интенсивности обработки принято расстояние L, проходимое каждой точкой поверхности заготовки головки в контакте с абразивом за один оборот головки. В общем случае:

L= 2XÓ(V) , (1)

sin fl(<p,n)

где 5(ф) — длина линии контакта головки с абразивом (рис. 36);

(3 — угол между вектором линейной скорости вращения притира V„ и результирующим вектором V линейной скорости точки головки относительно притира (см. рис. 36);

п - отношение сап/сог;

V = Vr + Vn .

Для точек головки вблизи полюса:

Ln = 2 х л х Цп х п , (2)

где Rn=12MM — радиус притира в месте его контакта с головкой.

Для точек головки, расположенных вблизи границы сферической поверхности:

LrP=S(<p)x\± nxR" , (3)

Rr х cos <р

где Rr — радиус головки, принятый в расчетах равным 14мм;

«+» - для «встречного», «-» - для «попутного» вращения головки и притира.

Расчеты по этим математическим моделям, проведенные в программе MathCad 11а, позволили построить графики распределения интенсивности обработки на разных «широтах» головки при различных коэффициентах п (рис. 4). Расчетами установлено, что интенсивность обработки имеет два пиковых значения -на полюсе и вблизи границы сферической поверхности, и резко падает (особенно при «попутном» вращении) на самой границе сферы при всех значениях п. Отношение максимальной интенсивности обработки к минимальной в разных зонах головки при всех п много больше единицы (рис. 5).

Рис. 4. Зависимость пути (Ь), проходимого точками головки в контакте с притиром за 1 оборот головки, от широты их расположения на сфере (ф) и отношения угловых скоростей головки и притира (я), при «встречном» вращении.

Рис. 5. Влияние отношения п = юп/сог на отношение максимальной и минимальной интенсивности обработки разных зон головок: S = Lmax/Lmin.

Сделан вывод, что при данной технологии шлифования и полирования выбор параметров обработки должен быть таким, чтобы при приемлемой производительности операций (достижении заданных диаметра и чистоты поверхности головки) сферичность головки, достигнутая при чистовом точении на станке с ЧПУ, осталась в поле допуска. При этом с увеличением п неравномерность съема металла в разных зонах головки возрастает. С другой стороны, при уменьшении п (фактически, при уменьшении соп) снижается производительность операций шлифования и полирования. В результате проведенных расчетов представляется целесообразным выбирать отношение п в пределах от 0,3 до 0,5 при встречном направлении вращения головки и притира.

Установленные закономерности были подтверждены экспериментально, причем использовалось только «встречное» вращение, обеспечивающее большую равномерность обработки. Результаты экспериментов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты шлифования и полирования головок из сплава ВТ6 при различных технологических параметрах обработки и встречном направлении вращения головки

и притира*

№№ Твердость заготовок после тво, ед. HRC Параметр п Ra, МКМ Продолжительность шлифования и полирования, мин. Максимальное отклонение от сферичности, мкм.

Установленное требование: <10мкм.

после шлифо -вания после полиро -вания после точения после шлифования после полирования

1 38 0,3 0,4 0,02 32 5,0 7,5 8,0

2 0,5 0,4 0,03 27 5,3 8,5 9,0

3 1 о,з 0,03 24 5,2 12,0 -

* В таблице приведены средние значения по 3 - 5 головкам, изготовленным из одного прутка. Диаметр всех исследованных головок после полирования находился в заданном поле допуска.

Анализ полученных результатов показал, что при отношении скоростей п=1 максимальная интенсивность обработки в области полюса приводит к выходу сферичности за поле допуска уже после шлифования. При отношении скоростей п=0,5 требование по сферичности выдерживается с минимальным запасом. При п=0,3 отклонение от сферичности меньше, чем при п=0,5, однако из-за меньшей скорости вращения притира увеличивается продолжительность обработки. Следовательно, отношение скоростей вращения для соблюдения заданной сферичности и приемлемой продолжительности следует выбирать в интервале от 0,3 до 0,5.

Глава V. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТАНДАРТНЫХ МЕТОДОВ И РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ

ИСПЫТАНИЙ ПАР ТРЕНИЯ ЭНДОПРОТЕЗОВ С ГОЛОВКАМИ ИЗ

СПЛАВА ВТ6

В главе проведен сравнительный теоретический анализ и экспериментальная проверка условий и результатов испытаний металлополимерных узлов трения ЭПТБС, проводимых по стандартам ГОСТ Р ИСО 7206-4, ISO 14242-3 и ГОСТ Р 52640-2006. По двум первым стандартам испытывается на надежность весь

бедренный компонент эндопротеза (ножка, головка и имитатор полимерной чаши), последний стандарт описывает экспресс-методику испытаний только узла трения.

Все методики существенно различаются характером и объемом движения в узле трения, временным законом изменения нагрузки и продолжительностью (базой) испытаний. Так, в методике ГОСТ Р ИСО 7206-4 цикл нагрузки -синусоидальный, в методике ISO 14242-3 нагрузка циклически изменяется по сложному закону, число циклов испытаний - 10б. В экспресс-методике головка вращается в чаше при постоянной нагрузке, база испытаний составляет 300 оборотов.

В качестве интегрального параметра, который учитывал бы все различия в условиях фрикционного нагружения, была выбрана работа, совершаемая в шарнире по преодолению силы трения (далее - работа трения).

Элементарная работа представляется как произведение силы трения в каждой точке поверхности контакта головки и чаши в каждый момент времени на смещение точек контактной поверхности головки относительно поверхности чаши. Интегрирование элементарных работ по всей поверхности контакта и времени эксперимента с учетом цикличности нагрузки и зависимости величины смещения от положения каждой точки на сферической поверхности контакта дает полную работу трения. В то же время именно работа трения является физической причиной износа материалов пары.

Задача была рассмотрена при следующих допущениях:

- деформацию полимерной чаши считали упругой;

- площадь контакта головки и чаши составляла половину площади сферы головки;

- учитывая сложный закон изменения нагрузки в методике ISO 14242-3, её заменяли средним за цикл значением.

Схемы разбиения зоны контакта головки и чаши на элементарные площадки и полосы их движения приведены на рисунке 6.

Разработаны математические модели для расчета интегральной работы трения за 1 цикл нагрузки (один оборот головки в экспресс-методике).

При испытаниях по стандарту ГОСТ Р ИСО 7206-4:

(4)

где |д - коэффициент трения; Т - длительность 1 цикла нагружения; Р(1:) - текущее значение нагрузки в цикле;

Ье(Р,нО - суммарное смещение элементарной площадки в цикле; Р,у - углы, определяющие положение элементарной площадки.

а) б) в)

Рис. 6. Схемы разбиения зоны контакта головки и чаши на элементарные площадки (1) и полосы их движения (2, 3) при испытаниях по методикам: ГОСТ Р ИСО 7206-4 (a), ISO 14242-3 (б) и ГОСТ Р 52640 (в).

При испытаниях по ISO 14242-3:

ЦХРХТ 1

Ац=—-x\\L^(p^)xcoscpdiydcp (5)

п 0 0

где Р - среднее за цикл значение нагрузки;

Li(cp,v|/) - суммарное смещение элементарной площадки зоны контакта; ф, у-углы, определяющие положение элементарной площадки. При испытаниях по ГОСТ Р 52640-2006:

А, = (6)

3

где Р - постоянная нагрузка; D - диаметр головки.

Суммарная работа трения за все испытание: Ае —N-Ац или Ae=N-A,,

где N - база испытаний (число циклов нагрузки или оборотов головки). Результаты расчетов приведены в таблице 5.

Таблица 5

Работа трения в узле подвижности ЭПТБС, рассчитанная по математическим моделям для различных стандартных методик испытаний.

Методика испытания

База испытания

Значение нагрузки, Н

Работа за 1 цикл (оборот), Дж

Полная работа при принятой базе, кДж

ГОСТ Р ИСО 7206-4

1x10 циклов

2300*

0,016

16

1БО 14242-3

1x10 циклов

1300

1,34

1340

ГОСТ Р 52640

300 оборотов

2250

1,98

0,6

* - максимальное значение в цикле.

Анализ полученных результатов показывает, что огромное различие значений работы трения при испытаниях по разным методикам обусловлено прежде всего различием баз испытаний (числа циклов нагрузки или числа оборотов головки во вкладыше при постоянной нагрузке), т.е. продолжительностью фрикционного воздействия, и в меньшей степени - его интенсивностью.

Проведены сравнительные триботехнические испытания пар трения: головка из сплава ВТ6, изготовленная по усовершенствованной в диссертации технологии -вкладыш из СВМПЭ по методике ГОСТ Р 52640 на стандартной и увеличенной в 26 раз (для достижения равенства полных работ трения с ГОСТ Р ИСО 7206-4) базах испытаний, а также по методике ГОСТ Р ИСО 7206-4 с использованием ножки из титанового сплава. Износа головок во всех испытаниях не происходило. Зарегистрирован незначительный визуальный износ полимерного компонента на стадии приработки пары, весового износа СВМПЭ зафиксировать не удалось.

В процессе испытаний по ГОСТ Р 52640 фиксировалась остаточная деформация полиэтиленового компонента в зоне действия максимальной нагрузки. Построена зависимость остаточной деформации от числа оборотов головки во вкладыше (рис. 7). По результатам испытаний сделан вывод о том, что наиболее значимой причиной остаточной деформации, подчиняющейся линейному закону (после окончания стадии приработки), является ползучесть полиэтилена. Величины остаточной деформации как при использовании методики ГОСТ Р 52640 с увеличенной базой (0,4мм), так и методики ГОСТ Р ИСО 7206 (0,5 мм после достижения базового числа циклов) находятся в допустимых пределах, что гарантирует работоспособность пары трения в течение не менее 10 лет эксплуатации.

Рис. 7. Накопление остаточной деформации (ЛЬ) СВМПЭ в полюсе сферической впадины вкладыша при увеличении базы испытаний (п) по ГОСТ Р 52640-2006.

Анализ литературных данных о применении экспресс-методики испытаний по ГОСТ Р 52640 для прогнозирования работоспособности пар трения и полученные результаты расчетов и экспериментов позволили сделать вывод о том, что данная методика является достаточно достоверным и весьма полезным инструментом для анализа работоспособности узлов трения при разработках новых материалов для их изготовления и технологий их производства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлено влияние химического состава исходных полуфабрикатов сплава ВТ6 и температуры вакуумного отжига при ТВО на структуру и твердость заготовок головок. Выявлена корреляция между содержанием А1 в сплаве, наличием и видом а-оторочки, твердостью и полируемостью головок после ТВО, а также характером и количеством микродефектов поверхности, проявляющихся при шлифовании и полировке.

2. Показано, что управление в процессе ТВО интенсивностью структурного упрочнения путем снижения температуры вакуумного отжига с 650°С до 630°С при содержании алюминия в заготовках <5,8% и её повышения до 680°С при содержании А1>6,2% позволяет создавать во всех заготовках сплава ВТ6 одинаковую структуру с мелкодисперсной а-фазой и тонкой фрагментированной а-оторочкой по границам исходных Р-зерен. Это обеспечивает сужение интервала изменения твердости заготовок из разных партий с 36-44 ед. НЯС до 39-41 ед. НЯС, наилучшую технологичность головок при шлифовании и полировке.

3. Разработаны технологические рекомендации по корректировке температуры вакуумного отжига при термоводородной обработке в интервале от 630 до 680°С 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.

4. Проведен анализ причин возникновения недопустимого отклонения от сферичности при шлифовании и полировке головок. 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.

5. 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 обеспечить требуемые параметры шероховатости и сферичности при удовлетворительной производительности операций и снизить долю брака по отклонению от сферичности.

6. Проведен сравнительный теоретический анализ методик испытаний металл-полимерных узлов трения эндопротезов, проводимых по стандартам ГОСТ Р ИСО 7206, ISO 14242 и ГОСТ Р 52640, которые существенно различаются характером движения в паре трения, законом изменения нагрузки и базовым числом циклов. Разработаны математические модели для расчета интегральной работы трения при испытаниях по разным стандартам. Показано, что величины работы трения за 1 цикл (1 оборот) различаются в методиках ГОСТ Р 52640 и ГОСТ Р ИСО 7206 на 3 порядка. Работы трения при полных базах испытаний по разным стандартам различаются в 26-2200 раз при близких значениях нагрузок. Такие различия работы трения обусловлены прежде всего разными базами испытаний, т.е. разной продолжительностью фрикционного воздействия.

7. Экспериментально установлено, что остаточные деформации полимерного компонента пары трения при испытании головок из сплава ВТ6 по методике ГОСТ Р 52640 с увеличенной в 26 раз базой испытаний и методике ГОСТ Р ИСО 7206-4

имеют близкие и допустимые значения - 0,4 и 0,5 мм, соответственно. Причиной остаточной деформации, изменяющейся по линейному закону, является ползучесть полиэтилена. Износа головок не зафиксировано.

8. По результатам расчетов и экспериментов сделан вывод, что экспресс-методика ГОСТ Р 52640-2006 является достаточно достоверным и весьма полезным инструментом для анализа работоспособности узлов трения при разработках новых материалов для их изготовления и технологий их производства.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Мамонов A.M., Спектор B.C., Скворцова C.B., Агаркова Е.О., Нейман А.П. Влияние термоводородной обработки на структуру, механические и технологические свойства литых полуфабрикатов из сплава BT20JI // Титан. 2009, N4(26).-С. 14-18.

2. Мамонов A.M., Нейман А.П., Агаркова Е.О., Митропольская Н.Г. Обоснование технологических параметров механической обработки шаровых головок эндопротезов из титанового сплава TI-6AL-4V // Титан. 2011, N4(34). - С. 45-49.

3. Мамонов A.M., Нейман А.П., Гаврюшенко Н.С., Агаркова Е.О. Теоретический и экспериментальный анализ стандартизированных методов и результатов технических испытаний пар трения эндопротезов из титанового сплава //Титан. 2012, N2(36). - С. 24-28.

4. Мамонов A.M., Скворцова C.B., Спектор B.C., Нейман А.П., Лукина Е.А., Митропольская Н.Г. Принципы построения комплексных технологических процессов производства имплантатов из титановых сплавов, включающих вакуумные ионно-плазменные нанотехнологии // Титан. 2012, N3(37). - С. 45-50.

5. Нейман А.П. Усовершенствование технологии обработки компонентов узлов трения эндопротезов суставов из титановых сплавов // Сб. тезисов докладов МНТК «XXXVII Гагаринские чтения», г. Москва. 2011. - С. 79-80.

6. Нейман А.П. Анализ методов испытаний металлополимерных узлов трения эндопротезов тазобедренного сустава на износостойкость // Сб. тезисов докладов МНТК «XXXVII Гагаринские чтения», г. Москва. 2011. - С. 76-77.

7. Нейман А.П Обоснование и выбор технологических параметров механической обработки компонентов узлов трения эндопротезов из титанового сплава ВТ6 // Сб. трудов XII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов-молодых ученых, г. Екатеринбург. 2011. - С. 321— 323.

8. Нейман А.П, Орешко Е.И., Сафарян А.И. Комплексный технологический подход к повышению износостойкости имплантатов из титановых сплавов // Сб. тезисов докладов МНТК «XXXVIII Гагаринские чтения», г. Москва. 2012. - Том 1, с. 81-83.

9. Мамонов A.M., Нейман А.П., Чернышова A.A., Спектор B.C. Анализ методик и результатов технических испытаний шаровых головок эндопротезов из титанового сплава Ti-6A1-4V // Сб. трудов Международной конференции «Ti—2012 в СНГ», г. Казань. - С. 288-290.

Ю.Мамонов A.M., Нейман А.П., Чернышова Ю.В., Сафарян А.И. Влияние параметров финишной механической обработки на геометрию и качество поверхности шаровых головок эндопротезов из титанового сплава ВТ6 // Сб. трудов Международной конференции «Ti—2012 в СНГ», г. Казань. - С. 291-293.

П.Лукина Е.А., Спектор B.C., Чернышова A.A., Нейман А.П., Макаров A.A. Влияние различных видов поверхностной обработки на коррозионные и механические свойства титанового сплава ВТ20 // Сб. тезисов докладов 7 Международный аэрокосмический конгресс IAC' 12, г. Москва. 2012. - С. 191-192.

12. Ильин A.A., Куделина И.М., Нейман А.П., Мамонтова H.A., Рунова Ю.Э. Создание градиентной структуры в сплаве Ti-6A1-4V с помощью термоводородной обработки // Сб. тезисов докладов 7 Международный аэрокосмический конгресс IAC' 12, г. Москва. 2012. - С. 194-195.

/

Подписано в печать 10.06.2013 г. Объем - 1 пл. Формат 60x84 1/16 Тираж — 90 экз.