一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種醫(yī)療用Zr?2.5Nb合金鑄錠的制備方法，具體為：以核級海綿鋯，與高純Nb粉和高純ZrO2為原料，采用混布料方法進行混料；將混好的物料壓制為電極塊，并采用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極；采用真空自耗電弧爐對得到的自耗電極進行3?5次真空熔煉，即得到醫(yī)療用Zr?2.5Nb合金鑄錠。本發(fā)明一種醫(yī)療用Zr?2.5Nb合金鑄錠的制備方法，通過合理的合金比例進行混料，對自耗電極進行多次真空熔煉并合理控制熔煉的工藝參數(shù)，能使Zr?2.5Nb合金鑄錠各組元成分充分合金化和均勻化，雜質(zhì)元素含量低，鑄錠質(zhì)量水平較高。
【專利說明】
一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[00011本發(fā)明屬于有色金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Zr-2.5Nb合金名義成分為:Zr-2.5Nb-0.10,由于其良好的耐腐蝕性能和生物相容 性能，主要使用在核電和醫(yī)用植入方面。醫(yī)用植入材料對材料的雜質(zhì)元素含量水平要求非 常嚴(yán)格，一些雜質(zhì)元素含量的超標(biāo)會大幅度降低合金的耐腐蝕性，一些雜質(zhì)元素含量的超 標(biāo)會對人體健康帶來危害。因此控制Zr-2.5Nb合金的雜質(zhì)元素含量是鑄錠生產(chǎn)的關(guān)鍵。
[0003] 此鋯合金含有3個主元素，其中Nb元素為高熔點難熔、易偏析元素，且Nb元素與0元 素成分范圍較窄。此外，標(biāo)準(zhǔn)還要求了 20多個雜質(zhì)元素的控制。雜質(zhì)元素含量的控制水平需 非常高(如Hf彡0.01 %、N彡0.008%、H彡0.0025%等），否則會影響后續(xù)棒材力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，能夠有效控制 Zr-2.5Nb合金鑄錠中雜質(zhì)元素的含量。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，具體包 括以下步驟：
[0006] 步驟1，混料：
[0007]以核級海綿鋯，與高純Nb粉和高純Zr02為原料，采用混布料方法進行混料；
[0008] 步驟2,自耗電極壓制及焊接：
[0009] 將步驟1混好的物料壓制為電極塊，并采用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的 電極塊焊接為自耗電極；
[0010] 步驟3,熔煉：
[0011] 采用真空自耗電弧爐對步驟2得到的自耗電極進行3-5次真空熔煉，即得到醫(yī)療用 Zr-2.5Nb合金鑄錠。
[0012] 本發(fā)明的特點還在于，
[0013] 步驟1中海綿鋯、Nb粉和Zr〇2混合后元素質(zhì)量百分比為:Nb為2.0%~3.0%、0為 0.07%~0.15%，其余為Zr，以上組分質(zhì)量百分比之和為100%。
[0014] 步驟2中壓強彡15MPa，保壓時間彡3s。
[0015] 步驟2中焊接的電流多250A，焊接電壓多40V。
[0016]步驟3中第一次真空熔煉的參數(shù)為：結(jié)晶器規(guī)格Φ 160~Φ 280mm，熔前真空彡 2. OPa，熔煉電壓20~40V，熔煉電流3~15KA，漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用直流1~ 10A，熔煉后冷卻時間大于等于4小時。
[0017]步驟3中第二次真空熔煉的參數(shù)為：結(jié)晶器規(guī)格Φ 220mm~Φ 360mm，熔前真空< l.OPa，熔煉電壓20~40V，熔煉電流5~20kA;漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流1~ 15A之間，熔煉后冷卻時間彡5小時。
[0018] 步驟3中第三次真空熔煉的參數(shù)為：結(jié)晶器規(guī)格Φ 280mm~Φ440πιπι，熔前真空彡 0.8Pa，熔煉電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流5~ 20A之間，熔煉后冷卻時間彡6小時。
[0019]步驟3中第四次真空熔煉的參數(shù)為：結(jié)晶器規(guī)格Φ 360mm~Φ 560mm，熔前真空彡 0.8Pa，熔煉電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流5~ 20A之間，熔煉后冷卻時間彡7小時。
[0020] 步驟3中第五次真空熔煉的參數(shù)為:結(jié)晶器規(guī)格Φ 640mm，熔前真空<0.8Pa，熔煉 電壓25~45V，熔煉電流10~30kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流8~20A之間，熔 煉后冷卻時間彡8小時。
[0021] 步驟3中每次熔煉后將鑄錠做平頭處理，并掉頭進行下一次熔煉。
[0022]本發(fā)明的有益效果是，一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，通過合理的合 金比例進行混料，對自耗電極進行多次真空熔煉并合理控制熔煉的工藝參數(shù)，能使Zr-2.5Nb合金鑄錠各組元成分充分合金化和均勻化，雜質(zhì)元素含量低，鑄錠質(zhì)量水平較高。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0024]本發(fā)明一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，具體包括以下步驟：
[0025] 步驟1，混料：
[0026] 按照元素質(zhì)量百分比為:Nb為2.0%~3.0%、0為0.07%~0.15%，其余為Zr，以上 組分質(zhì)量百分比之和為100%，選用核級海綿鋯，與高純Nb粉以及高純Zr02按比例配入，采 用混布料方法進行混料；
[0027]步驟2,自耗電極壓制及焊接：
[0028]將步驟1混好的物料料壓制為電極塊，壓制的壓強多15MPa，保壓時間多3s，并采用 非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極，焊接的電流多250A，焊接電 壓彡40V;
[0029] 步驟3,熔煉：
[0030]采用真空自耗電弧爐對步驟2得到的自耗電極進行3-5次真空熔煉，具體為：
[0031] 一次熔煉:結(jié)晶器規(guī)格Φ160~Φ280πιπι，熔前真空彡2.0Pa，熔煉電壓20~40V，熔 煉電流3~15KA，漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用直流1~10A，熔煉后冷卻時間大于等于 4小時，熔煉完成后需在車床上做平頭處理；
[0032]二次熔煉:平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 220mm~Φ 360mm，熔前真空< l.OPa，熔煉電壓20~40V，熔煉電流5~20kA;漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流1~ 15A之間，熔煉后冷卻時間彡5小時；
[0033]三次熔煉：將二次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉；結(jié)晶器規(guī)格Φ 280mm~Φ 440_，熔前真空彡0.8Pa，熔煉電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧 電流采用交流5~20A之間，熔煉后冷卻時間彡6小時；
[0034]四次熔煉：將三次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉；結(jié)晶器規(guī)格Φ 360mm~Φ 560mm，熔前真空彡0.8Pa，熔煉電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧 電流采用交流5~20A之間，熔煉后冷卻時間彡7小時；
[0035]五次熔煉:將四次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 640mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔煉電壓25~45 V，熔煉電流10~30kA;漏氣率彡0.5Pa/mi η，穩(wěn)弧電流采用交流 8~20Α之間，熔煉后冷卻時間彡8小時。
[0036] 一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，通過合理的合金比例進行混料，對自 耗電極進行多次真空熔煉并合理控制熔煉的工藝參數(shù)，能使Zr-2.5Nb合金鑄錠各組元成分 充分合金化和均勻化，雜質(zhì)元素含量低，鑄錠質(zhì)量水平較高。
[0037] 實施例1
[0038] 步驟1混料：
[0039] 選用核級海綿鋯，與高純Nb粉按Nb含量2.0%比例配入，Zr02按0含量0.15%比例 配入，采用混布料方法進行混料，得到合金配比的質(zhì)量百分比為：Nb為2.0%，0元素為 0.15%，其余為Zr，各元素質(zhì)量百分比之和為100%;
[0040]步驟2自耗電極壓制及焊接：
[0041] 采用大型油壓機對步驟1混好的料進行電極壓制，壓制壓強15MPa，保壓時間10s， 采用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極，焊接電流多250A，焊接 電壓彡40V;
[0042]步驟3采用真空自耗電弧爐進行三次真空熔煉：
[0043] 一次熔煉:結(jié)晶器規(guī)格Φ 160mm，熔前真空彡2. OPa，熔煉電壓20~35V，熔煉電流3 ~12kA，漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用直流1~10A，熔煉后冷卻時間彡4小時，熔煉完 成后需在車床上做平頭處理；
[0044]二次熔煉:平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 220mm，恪前真空< 1. OPa，熔 煉電壓20~35V，熔煉電流5~15kA;漏氣率<0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流1~15A之間，熔 煉后冷卻時間彡5小時；
[0045]三次熔煉:將二次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ280πιπι，熔前真 空彡0.8Pa，熔煉電壓25~35V，熔煉電流10~20kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流 5~20A之間，熔煉后冷卻時間彡6小時。
[0046]最終制得成分合格的合金鑄錠，鑄錠的部分化學(xué)成份如表1所示。
[0047]表1實施例1鑄錠的化學(xué)成分
[0048]
[0049] (α+β)/β 相變點 915°C ~920°C
[0050] 實施例2
[0051] 步驟1混料：
[0052] 選用核級海綿鋯，與高純Nb粉按Nb含量3.0%比例配入，Zr02按0含量0.07 %比例 配入，采用混布料方法進行混料，得到合金配比的質(zhì)量百分比為：Nb為3.0%，0元素為 0.07%，其余為Zr，各元素質(zhì)量百分比之和為100% ;
[0053]步驟2自耗電極壓制及焊接：
[0054] 采用大型油壓機對步驟1混好的料進行電極壓制，壓制壓強18MPa，保壓時間7s，采 用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極，焊接電流多250A，焊接電 壓彡40V;
[0055]步驟3采用真空自耗電弧爐進行四次真空熔煉：
[0056] 一次熔煉:結(jié)晶器規(guī)格Φ 280mm，熔前真空彡1. OPa，熔煉電壓25~40V，熔煉電流5 ~15kA，漏氣率控制在0.8Pa/min以下，穩(wěn)弧電流采用直流5~10A，熔煉后冷卻時間彡4小 時，熔煉完成后需在車床上做平頭處理；
[0057]二次熔煉:平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 360mm，熔前真空< 1. OPa，熔 煉電壓25~40V，熔煉電流10~20kA;漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流8~15A之間， 熔煉后冷卻時間多5小時；
[0058]三次熔煉:將二次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 440mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔煉電壓35~45V，熔煉電流15~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流 5~20A之間，熔煉后冷卻時間彡6小時。
[0059]四次熔煉:將三次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 560mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔煉電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流 5~20A之間，熔煉后冷卻時間彡7小時。
[0060]最終制得成分合格的合金鑄錠。鑄錠的部分化學(xué)成份如表2所示。
[00611表2實施例2鑄錠的化學(xué)成分
[0062]
[0063] (α+β)/β 相變點 90(TC ~905Γ
[0064] 實施例3
[0065] 步驟1混料：
[0066] 選用核級海綿鋯，與高純Nb粉按Nb含量2.5%比例配入，Zr〇2按0含量0.10 %比例 配入，采用混布料方法進行混料，得到合金配比的質(zhì)量百分比為：Nb為2.5%，0元素為 0.10%，其余為Zr，各元素質(zhì)量百分比之和為100%;
[0067]步驟2自耗電極壓制及焊接：
[0068] 采用大型油壓機對步驟1混好的料進行電極壓制，壓制壓強20MPa，保壓時間3s，采 用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極塊焊接為自耗電極，焊接電流多250A，焊接電 壓彡40V;
[0069]步驟3采用真空自耗電弧爐進行五次真空熔煉：
[0070] 一次熔煉：結(jié)晶器規(guī)格φ 280mm，熔前真空彡1. OPa，熔煉電壓25~40V，熔煉電流5 ~15kA，漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用直流5~10A，熔煉后冷卻時間大于等于4小時， 熔煉完成后需在車床上做平頭處理；
[0071] 二次熔煉:平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格φ 360mm，熔前真空< 1. OPa，熔 煉電壓25~40V，熔煉電流10~20kA;漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流8~15A之間， 熔煉后冷卻時間多5小時；
[0072]三次熔煉:將二次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 440mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔煉電壓35~45V，熔煉電流15~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流 5~20A之間，熔煉后冷卻時間彡6小時。
[0073]四次熔煉:將三次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 560mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔煉電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流 5~20A之間，熔煉后冷卻時間彡7小時。
[0074]五次熔煉:將四次熔煉后平頭處理的鑄錠掉頭熔煉;結(jié)晶器規(guī)格Φ 640mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔煉電壓25~45 V，熔煉電流10~30kA;漏氣率彡0.5Pa/mi η，穩(wěn)弧電流采用交流 8~20Α之間，熔煉后冷卻時間彡8小時。
[0075]最終制得成分合格的合金鑄錠。鑄錠的部分化學(xué)成份如表3所示。
[0076]表3實施例3鑄錠的化學(xué)成分
[0079] (α+β)/β 相變點 91(TC ~915°C
[0080] 由實施例1-3可知，采用本發(fā)明的方法生產(chǎn)的規(guī)格為Φ 280~Φ 640mm的Zr-2.5Nb 合金鑄錠，其成分的均勻性好，雜質(zhì)含量低，鑄錠質(zhì)量優(yōu)異。
【主權(quán)項】
1. 一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟： 步驟1，混料： 以核級海綿鋯，與高純Nb粉和高純ZrO2為原料，采用混布料方法進行混料； 步驟2,自耗電極壓制及焊接： 將步驟1混好的物料壓制為電極塊，并采用非鎢極氬氣保護等離子箱將壓制好的電極 塊焊接為自耗電極； 步驟3,熔煉： 采用真空自耗電弧爐對步驟2得到的自耗電極進行3-5次真空熔煉，即得到醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 1中所述海綿鋯、Nb粉和ZrO2混合后元素質(zhì)量百分比為:Nb為2.0 %~3.0 %、0為0.07 %~ 0.15%，其余為Zr，以上組分質(zhì)量百分比之和為100%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 2中所述壓強彡15MPa，保壓時間彡3s。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 2中所述焊接的電流多250A，焊接電壓多40V。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 3中所述第一次真空熔煉的參數(shù)為:結(jié)晶器規(guī)格Φ 160~Φ 280mm，熔前真空<2. OPa，熔煉電 壓20~40V，熔煉電流3~15KA，漏氣率彡0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用直流1~10A，熔煉后冷卻 時間大于等于4小時。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 3中所述第二次真空熔煉的參數(shù)為:結(jié)晶器規(guī)格Φ 220mm~Φ 360mm，熔前真空< I.OPa，熔煉 電壓20~40V，熔煉電流5~20kA;漏氣率<0.8Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流1~15A之間，恪煉 后冷卻時間彡5小時。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 3中所述第三次真空熔煉的參數(shù)為:結(jié)晶器規(guī)格Φ 280mm~Φ 440mm，熔前真空<0.8Pa，熔煉 電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流5~20A之間，熔 煉后冷卻時間彡6小時。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 3中所述第四次真空熔煉的參數(shù)為:結(jié)晶器規(guī)格Φ 360mm~Φ 560mm，熔前真空<0.8Pa，熔煉 電壓25~45V，熔煉電流10~25kA;漏氣率彡0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流5~20A之間，熔 煉后冷卻時間彡7小時。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，步驟 3中所述第五次真空熔煉的參數(shù)為：結(jié)晶器規(guī)格Φ 640mm，熔前真空< 0.8Pa，熔煉電壓25~ 45V，熔煉電流10~30kA;漏氣率< 0.5Pa/min，穩(wěn)弧電流采用交流8~20A之間，熔煉后冷卻 時間多8小時。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種醫(yī)療用Zr-2.5Nb合金鑄錠的制備方法，其特征在于，所 述步驟3中每次熔煉后將鑄錠做平頭處理，并掉頭進行下一次熔煉。
【文檔編號】C22C1/02GK105950912SQ201610504184
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】尚金金, 何永勝, 羅文忠, 張曉園, 鄭念慶, 何濤, 王瑋東, 賴運金, 付寶全
【申請人】西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司