專利名稱：含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法及含氮Co-Cr-Mo合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用做人工膝、股關(guān)節(jié)用移植材料及齒科用移植材料實際效果好的 含氮C0-Cr-M0合金的晶粒微細(xì)化方法以及由該方法制得的含氮Co-Cr-Mo合金。
背景技術(shù)：
由于C0-Cr-Mo合金具有優(yōu)異的機械特性、耐磨損性及耐蝕性，因此將其作為人工 膝、股關(guān)節(jié)用移植材料及用于齒科的移植材料使用實際效果很好。其產(chǎn)品主要通過鑄造法 成型加工制得。Co-Cr-Mo合金中具有代表性的ASTM標(biāo)準(zhǔn)F75合金，其組織主要由枝狀晶 體組織構(gòu)成，所述枝狀晶體組織主要包括富Co的γ (F. C. C.)相、在富Cr條件下含有Co和 Mo WM23C6碳化物相及富Cr、Mo的ο相。該鑄造材料具有多種鑄造缺陷，如質(zhì)硬且脆的析 出物、偏析、縮孔或氣泡，這些缺陷的存在成為了加工時產(chǎn)生損壞、裂紋的原因，從而導(dǎo)致材 料的力學(xué)可靠性受到損害。因此，通過實施均質(zhì)化熱處理來改善韌性及延展性，但因熱處理引起的析出物的 消失會導(dǎo)致鑄造材料的晶粒粗大化，存在屈服強度和疲勞強度受損的問題。為了解決該問 題，一般采用可調(diào)節(jié)鑄造材料熱處理過程的熱鍛造。通過熱鍛造來瓦解鑄造材料具有的內(nèi) 部缺陷，并破壞枝狀晶體組織，因此能夠改善力學(xué)可靠性。并且，由于熱鍛造時所表現(xiàn)出的 動態(tài)再結(jié)晶，能夠獲得微細(xì)組織(例如，參見專利文獻(xiàn)1)。除此之外，通過在Co-Cr-Mo合金中添加氮元素，使得阻礙可塑性的質(zhì)硬且脆的σ 相消失，能夠制得具有Y相、且Y相的相比例以體積分?jǐn)?shù)計占80%以上的晶體結(jié)構(gòu)的生物 體用Co基合金，能夠獲得可塑性優(yōu)異的合金(例如，參見專利文獻(xiàn)幻。這時，為了使晶粒微 細(xì)化、提高可塑性，也需要進(jìn)行熱鍛造?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1特開2002-363675號公報專利文獻(xiàn)2特開2008-111177號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，專利文獻(xiàn)1及專利文獻(xiàn)2中所描述的方法存在如下問題，即當(dāng)熱鍛造時被 導(dǎo)入的塑性應(yīng)變不均勻時，難以使鍛造品的整個截面形成均勻且微細(xì)的晶粒組織。例如， 如圖10所示，當(dāng)通過熱鍛加工制成圓棒材料時，鍛造時所導(dǎo)入的塑性應(yīng)變在表面附近與中 心部位不同時，能夠確認(rèn)制成的圓棒材料的表面附近與中心部處的晶體粒徑不同。并且， Co-Cr-Mo合金的熱鍛造中，還存在需要詳細(xì)把握被加工物的溫度，需要操作人員具有高級 專業(yè)技術(shù)的問題。本發(fā)明著眼于上述問題而完成，其目的在于提供一種含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒 微細(xì)化方法以及含氮Co-Cr-Mo合金，所述晶粒微細(xì)化方法不實施利用再結(jié)晶的熱鍛造類 的加工，僅通過熱處理就能夠容易地得到均勻且微細(xì)的晶粒組織。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于， 將包括Cr 26-35重量％、Mo :2_8重量％、N :0. 1-0. 3重量％、余量為Co的含氮Co-Cr-Mo 合金經(jīng)固溶處理后，在670-830°C下保持一定時間進(jìn)行恒溫時效處理，通過恒溫時效效果形 成由ε相與Cr氮化物構(gòu)成的多相組織；冷卻后，加熱至870 1100°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 逆相變處理，通過逆相變由ε相和Cr氮化物的多相組織逆相變?yōu)閅單相。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法與基于利用再結(jié)晶的熱鍛造使晶 粒微細(xì)化的方法不同，其不實施加工，僅通過利用逆相變的熱處理就能夠容易地得到均勻 且微細(xì)的晶粒組織。通過該晶粒微細(xì)化，能夠提高含氮Co-Cr-Mo合金的力學(xué)可靠性。并且， 由于僅通過熱處理就能夠?qū)嵤?，因此即使操作人員沒有高級的專業(yè)技術(shù)也能夠得到均勻且 微細(xì)的晶粒組織。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，因為不實施加工，因此與適合材 料的形狀及大小無關(guān)，即使是小型材料、具有復(fù)雜形狀的材料、現(xiàn)成的產(chǎn)品等也可以進(jìn)行晶 粒微細(xì)化。并且，由于不需要大型的鍛造裝置、也不需要操作人員具有鍛造技術(shù)，因此具有 優(yōu)異的廣泛應(yīng)用性。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，與如何制得無關(guān)，能 適用于通過恒溫時效處理形成由ε相和Cr氮化物構(gòu)成的多相組織的含氮Co-Cr-Mo合金， 富于實用性。并且，本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，通過逆相變處理實質(zhì) 上逆相變?yōu)閅單相即可，也可以混入2-5%左右的其他相。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，如果在高于1100°C的高溫下進(jìn) 行逆相變處理，隨著保持時間的延長，會引起晶粒的顯著粗大化，因此，為了獲得微細(xì)的晶 粒組織，需要在1100°c以下進(jìn)行逆相變處理。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方 法，在恒溫時效處理后進(jìn)行急冷，進(jìn)一步優(yōu)選為在逆相變處理后也進(jìn)行急冷。在本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，進(jìn)行所述固溶處理的所述 含氮Co-Cr-Mo合金還可以含有0. 2重量％以下比例的Ni。另外，還可以含有0. 35重量％ 以下比例的C。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，所述恒溫時效處理的保持時間 優(yōu)選為63000秒以上。這時，基于恒溫時效效果，合金的整個組織能夠形成由ε相和Cr氮 化物構(gòu)成的多相組織。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，所述逆相變處理優(yōu)選在 920-1000°C的溫度范圍內(nèi)保持300秒以上。或者，所述逆相變處理優(yōu)選在1000-1100°C的溫 度范圍內(nèi)保持50秒以上。這些情況下，能夠使合金的整個組織從ε相和Cr氮化物的多相 組織逆相變?yōu)閅單相。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，在進(jìn)行所述逆相變處理后冷卻， 還可以進(jìn)一步反復(fù)進(jìn)行上述恒溫時效處理及上述逆相變處理。這時，能夠使晶粒進(jìn)一步微 細(xì)化。恒溫時效處理及逆相變處理的重復(fù)進(jìn)行，可以進(jìn)行一個循環(huán)，也可以進(jìn)行多個循環(huán)。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金，其特征在于，其為通過本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金 的晶粒微細(xì)化方法制得，所述含氮Co-Cr-Mo合金實質(zhì)上由平均晶體粒徑在25 μ m以下的、 單相構(gòu)成。本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金能夠通過本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化 方法容易地得到。由于本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金實質(zhì)上由平均晶體粒徑在25 μ m以下的Y單相的均勻且微細(xì)的晶粒組織構(gòu)成，因此在加工時難以產(chǎn)生損壞和裂紋，力學(xué)可靠性 高。并且，本發(fā)明的含氮Co-Cr-Mo合金實質(zhì)上是γ單相即可，也可以混入2-5%左右的其 他相。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法以及含氮 Co-Cr-Mo合金，所述晶粒微細(xì)化方法不實施利用再結(jié)晶的熱鍛造這類的加工，僅通過熱處 理就能夠容易地得到均勻且微細(xì)的晶粒組織。


圖1為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法的熱處理流程示 意圖。圖2為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，經(jīng)恒溫時效處 理后的樣品的TTT圖(等溫轉(zhuǎn)變圖)。圖3為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，經(jīng)800°C、24 小時恒溫時效處理所得到的多相組織的掃描電子顯微鏡照片。圖4為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，經(jīng)逆相變處理 后的樣品的TTT圖(等溫轉(zhuǎn)變圖)。圖5為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，經(jīng)(a)固溶 處理后、(b)恒溫時效處理后、(c)逆相變處理后的合金通過EBSD (Electron BackScatter Diffraction Pattern ；電子背散射衍射)法得到的 IQ 像(ImageQuality map)。圖6為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，經(jīng)(a)固溶處 理后、(b)第一次逆相變處理后、(c)第二次逆相變處理后的合金通過EBSD法得到的IQ像。圖7為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，實施了各種 熱處理(1 固溶處理后、2 恒溫時效處理后、3 逆相變處理后)的含氮Co-Cr-Mo合金的應(yīng) 力-應(yīng)變曲線。圖8為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，經(jīng)(a)固溶化 處理后的燒結(jié)體的初始組織、(b)實施了逆相變處理后的組織通過EBSD法得到的晶粒邊界 (boundary map)。圖9為本發(fā)明實施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法中，(a)MIM材料 的初始組織、(b)實施了逆相變處理后的組織通過EBSD法得到的晶粒邊界圖(boundary map) ο圖10為通過熱鍛加工制得的圓棒材料(直徑15)的截面(a)表面附近、(b)中心 部的光學(xué)顯微鏡照片。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式進(jìn)行說明。 如圖1所示，本發(fā)明實施方式中，含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法首先將包 括 Cr :洸-；35 重量％、Mo :2_8 重量％、N :0. 1-0. 3 重量％、Ni :0 0. 2 重量％、C :0 0. ；35 重 量％、余量為Co的含氮Co-Cr-Mo合金固溶處理，使其形成Y單相組織、進(jìn)行水冷(W. Q.)。 然后在670-830°C下保持一定時間，進(jìn)行恒溫時效處理，通過恒溫時效效果形成由ε相和Cr氮化物構(gòu)成的多相組織，然后水冷(W.Q.)。然后加熱至870-1100°C的溫度范圍內(nèi)，進(jìn)行 逆相變處理，通過逆相變使其從ε相和Cr氮化物的多相組織逆相變?yōu)閅單相。實施例11、實驗方法如表1所示，利用高頻感應(yīng)熔煉法熔制成含氮Co-Cr-Mo合金的鑄錠，使得樣品合 金的組成為Cr量為27. 5重量％、Mo量為5. 5重量％、Ni量為0. 12重量％、C量為0. 04 重量％、N量為0. 16重量％、Co量為66. 68重量％。氮的添加方法采用了添加Cr2N粉末的 方法。并且，將該熔制材料進(jìn)行均質(zhì)化熱處理后，為了破壞鑄造組織而實施了熱鍛造。將其 作為起始樣品，進(jìn)行了各種熱處理。表 權(quán)利要求
1.一種含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于，將包括Cr :26-35重量％、 Mo 2-8重量％、N 0. 1-0. 3重量％、余量為Co的含氮Co-Cr-Mo合金經(jīng)固溶處理后，在 670-830°C下保持一定時間進(jìn)行恒溫時效處理，基于恒溫時效效果形成由ε相和Cr氮化物 構(gòu)成的多相組織；冷卻后，加熱至870 1100°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行逆相變處理，通過逆相變 從ε相和Cr氮化物的多相組織逆相變?yōu)閅單相。
2.如權(quán)利要求1所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于，進(jìn)行所述 固溶處理的所述含氮Co-Cr-Mo合金包括0. 2重量％以下比例的Ni。
3.如權(quán)利要求1或2所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于，進(jìn)行 所述固溶處理的所述含氮Co-Cr-Mo合金包括0. 35重量％以下比例的C。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于， 所述恒溫時效處理的保持時間為63000秒以上。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于， 所述逆相變處理在920-1000°C的溫度范圍內(nèi)保持300秒以上。
6.如權(quán)利要求1-4任一項所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于， 所述逆相變處理在1000-1100°c的溫度范圍內(nèi)保持50秒以上。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法，其特征在于， 在所述逆相變處理后進(jìn)行冷卻，且進(jìn)一步反復(fù)進(jìn)行所述恒溫時效處理及所述逆相變處理。
8.一種含氮Co-Cr-Mo合金，其特征在于，其通過權(quán)利要求1-7任一項所述的含氮 Co-Cr-Mo合金的晶粒微細(xì)化方法制得，所述含氮Co-Cr-Mo合金實質(zhì)上由平均晶體粒徑在 25 μ m以下的γ單相構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明在制備包括Cr26-35重量％、Mo2-8重量％、N0.1-0.3重量％、余量為Co的含氮Co-Cr-Mo合金時，不實施利用再結(jié)晶的熱鍛造類的加工，僅通過熱處理得到均勻且微細(xì)的晶粒組織，為此本發(fā)明在固溶處理后，在670-830℃下保持一定時間進(jìn)行恒溫時效處理，形成由ε相和Cr氮化物構(gòu)成的多相組織；然后經(jīng)冷卻后，再加熱至870～1100℃的溫度范圍，進(jìn)行逆相變處理，使其從ε相和Cr氮化物的多相組織逆相變?yōu)棣脝蜗唷?br> 文檔編號A61L27/00GK102131948SQ20098013266
公開日2011年7月20日 申請日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者千葉晶彥, 松本洋明, 黑須信吾 申請人:國立大學(xué)法人東北大學(xué)