阅读说明：本技术 Co-Cr-Mo-N合金及其制备方法 (Co-Cr-Mo-N alloy and preparation method thereof ) 是由 陈业高 邵国友 彭伟平 彭剑凌 丹斌 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及材料加工领域,公开了一种Co-Cr-Mo-N合金的制备方法,包括以下步骤：真空熔炼-真空浇铸-热处理-轧制-切割。将Co-Cr-Mo-N合金真空熔炼浇铸后,加热至1150~1350℃,星型轧制,单次轧制量10%~18%,终轧直径8~10mm。本发明使用轧制的方法对Co-Cr-Mo-N合金进行加工成形为细杆,不仅加工工艺简单,有效提高了加工效率,而且制品组织细化,粗大相破碎,致密度提高,提升了材料的力学性能。(The invention relates to the field of material processing, and discloses a preparation method of a Co-Cr-Mo-N alloy, which comprises the following steps: vacuum melting, vacuum casting, heat treatment, rolling and cutting. After the Co-Cr-Mo-N alloy is subjected to vacuum melting and casting, heating to 1150-1350 ℃, performing star rolling, wherein the single rolling amount is 10% -18%, and the final rolling diameter is 8-10 mm. According to the invention, the Co-Cr-Mo-N alloy is processed and formed into the thin rod by using a rolling method, so that the processing technology is simple, the processing efficiency is effectively improved, the product structure is refined, the coarse phase is crushed, the compactness is improved, and the mechanical property of the material is improved.)

Co-Cr-Mo-N合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，特别涉及一种Co-Cr-Mo-N合金及其制备方法。

背景技术

由于 Co-Cr-Mo 合金具有优异的机械特性、耐磨损性及耐蚀性，因此将其作为人工膝、股关节用移植材料及用于齿科的移植材料使用实际效果很好。其产品主要通过铸造法成型加工制得。Co-Cr-Mo 合金中具有代表性的 ASTM 标准 F75 合金，其组织主要由枝状晶体组织构成，枝状晶体组织主要包括富Co的γ(F.C.C.) 相、在富Cr 条件下含有Co和Mo的M23C6碳化物相及富Cr、Mo的σ相。该铸造材料具有多种铸造缺陷，如质硬且脆的析出物、偏析、缩孔或气泡，这些缺陷的存在成为了加工时产生损坏、裂纹的原因，从而导致材料的力学可靠性受到损害。

当Co-Cr-Mo合金用于人工假牙等领域时，需要加工成较细的细杆状，由于Co-Cr-Mo合金质硬且脆的性质，目前对该Co-Cr-Mo合金的成型普遍使用熔模铸造的方法，但是熔模铸造工艺复杂，效率较低，且铸造会导致产品组织粗大，致密度低，影响材料的使用性能。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种Co-Cr-Mo-N合金及其制备方法，使用轧制的方法对Co-Cr-Mo-N合金进行加工成形为细杆，不仅加工工艺简单，有效提高了加工效率，而且制品组织细化，粗大相破碎，致密度提高，提升了材料的力学性能。

技术方案：本发明提供了一种Co-Cr-Mo-N合金的制备方法，包括以下步骤：真空熔炼：真空度≤10^-2Pa，熔炼温度1550~1680℃；将钴、铬、钼各单组元或其两元或者其三元合金原料预处理后同时加入坩埚，抽真空至真空度≤10^-2Pa；升温熔化，温度控制在1620~1680℃之间，保温1~3h；成分调控，使除N元素之外的其他元素成分合理；加入N，并进行电磁搅拌，使其满足成分和均匀性要求；保温0.5~1h，成分检测，调控成分至合格；真空浇铸：熔体降温至1480~1520℃，保温0.1~0.5h后，于真空浇铸室内浇铸成长度为50~2000mm，直径为30~80mm的棒材；待棒材温度降至1200℃以下转移到热处理炉；热处理：炉温控制在1050~1250℃，保温时间3~20h，出炉空冷；将冷却后的棒材再加热至300~550℃，保温1~20h，然后迅速升温至1150~1350℃，保温0.2~1h；轧制：将上述棒材在高温状态下进行星型轧制，单次轧制量10%~18%，终轧直径8~10mm；切割：按需切割，长度20~50mm。

优选地，在所述轧制步骤中，所述星型轧制的轧辊法向角度为90°或120°，轧制速度为1-10m/min。

优选地，在所述熔炼步骤中，通过加入氮化物的方法加N。

优选地，在所述真空熔炼步骤中，所述钴、铬、钼的二元合金原料为钴-铬合金、钴-钼合金。

优选地，在所述真空熔炼步骤中，所述钴、铬、钼的三元合金原料为钴-铬-钼合金。

优选地，在所述真空熔炼步骤中，所述预处理的方法为以下任意一种或其组合：干燥、清洗、脱脂、破碎。

优选地，所述氮化物为氮化铬。

优选地，在所述熔炼步骤中，通过在1320~1480℃下通入氮气、保温1~3h的方法加N。1320~1480℃为固液相温度区间，在该温度下通入氮气能够最大限度地固溶氮，氮气在此温度下分解成游离的氮原子，氮原子在浓度趋势下向熔体内部扩散，固溶于晶格内，或形成氮化物，从而达到增氮的目的。

本发明还提供了一种Co-Cr-Mo-N合金，由上述的制备方法制备而成。

优选地，上述的Co-Cr-Mo-N合金，由以下重量百分比的组分组成：Cr 27~30%，Mo 5~7%，N 0.1~0.5%，C 0.2~0.35%，Mn ≤1%，Si ≤1%，Ni≤0.5%，Fe≤0.75%，W≤0.2%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al≤0.03%，Ti≤0.1%，B≤0.01%，余量为Co。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1.Co-Cr-Mo-N合金为四元合金，固液相温度区间大，凝固时补缩困难，易形成缩孔缩松缺陷，轧制使Co-Cr-Mo-N合金的铸造孔隙闭合，提高致密度；

2.非急冷条件下浇铸四元系Co-Cr-Mo-N合金，容易在晶界处形成粗大的第二相，形成魏氏组织，使材料塑性和韧性急剧下降，恶化材料性能，轧制使材料产生大量塑性变形，破碎脆硬的的魏氏组织，改善材料性能；

3. 轧制使Co-Cr-Mo-N合金材料具有各向异性特点，第二相沿着轧制方向排列，使材料在此单方向抗压性能提高，正好满足齿科和骨科材料单方向受力要求，因此轧制产品更好地满足使用要求；

4. 与熔模铸造Co-Cr-Mo-N合金杆相比，轧制棒材具有工艺简单、生产效率高、成本低的优势；

5. 经过热处理后的棒材成分均匀，消除晶界粗大相，降低应力。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细的介绍。

实施方式1：

本实施方式提供了一种Co-Cr-Mo-N合金的制备方法，包括以下步骤：

真空熔炼：真空度≤10^-2Pa，熔炼温度1550~1680℃；将钴、铬、钼铸坯原料经干燥、清洗、脱脂、破碎后同时加入坩埚，抽真空至真空度≤10^-2Pa；升温熔化，温度控制在1620~1680℃之间，保温3h；成分调控，使除N元素之外的其他元素成分合理；加入氮化铬，使其满足成分和均匀性要求；保温1h，成分检测，调控成分；

真空浇铸：熔体降温至1480~1520℃，保温0.5h后，于真空浇铸室内浇铸成长度为1000mm，直径为60mm的棒材；待棒材温度降至1200℃以下转移到热处理炉；

热处理：炉温控制在1050~1250℃，保温时间10h，出炉空冷；将冷却后的棒材再加热至450℃，保温10h，然后迅速升温至1150~1350℃，保温0.2~1h。

轧制：将上述棒材在高温状态下、以轧辊法向角度为90°进行星型轧制，单次轧制量15%，轧制速度为5m/min，终轧直径6mm；上述棒材的加热方式为在线感应加热，棒材从线圈中心以轧制速度通过，进入轧辊进行轧制。

切割：按需切割，长度30mm。

通过上述方法制备出来的Co-Cr-Mo-N合金，由以下重量百分比的组分组成：Cr27%，Mo 7%，N 0.5%，C 0.2%，Mn 0.5%，Si 0.5%，Ni0.2%，Fe0.6%，W0.1%，P0.01%，S0.005%，Al0.02%，Ti0.05%，B0.01%，余量为Co。

实施方式2：

本实施方式提供了一种Co-Cr-Mo-N合金的制备方法，包括以下步骤：

真空熔炼：真空度≤10^-2Pa，熔炼温度1550~1680℃；将钴-铬合金、钴-钼合金经干燥、清洗、脱脂、破碎后同时加入坩埚，抽真空至真空度≤10^-2Pa；升温熔化，温度控制在1620~1680℃之间，保温3h；成分调控，使除N元素之外的其他元素成分合理；在1320~1480℃下通入氮气、保温3h，使其满足成分和均匀性要求；保温1h，成分检测，调控成分；

真空浇铸：熔体降温至1480~1520℃，保温0.5h后，于真空浇铸室内浇铸成长度为1500mm，直径为80mm的棒材；待棒材温度降至1200℃以下转移到热处理炉；

热处理：炉温控制在1050~1250℃，保温时间10h，出炉空冷；将冷却后的棒材再加热至450℃，保温10h，然后迅速升温至1150~1350℃，保温0.2~1h；

轧制：将上述棒材在高温状态下、以轧辊法向角度为90°进行星型轧制，单次轧制量15%，终轧直径10mm；

切割：按需切割，长度50mm。

通过上述方法制备出来的Co-Cr-Mo-N合金，由以下重量百分比的组分组成：Cr30%，Mo 5%，N 0.2%，C 0.3%，Mn 1%，Si 0.4%，Ni0.3%，Fe0.5%，W0.1%，P0.01%，S0.005%，Al0.02%，Ti0.05%，B0.01%，余量为Co。

实施方式3：

本实施方式提供了一种Co-Cr-Mo-N合金的制备方法，包括以下步骤：

真空熔炼：真空度≤10^-2Pa，熔炼温度1550~1680℃；将钴-铬-钼合金铸坯原料经干燥、清洗、脱脂、破碎后同时加入坩埚，抽真空至真空度≤10^-2Pa；升温熔化，温度控制在1620~1680℃之间，保温3h；成分调控，使除N元素之外的其他元素成分合理；在1320~1480℃下通入氮气、保温3h，使其满足成分要求；保温1h，成分检测，调控成分；

真空浇铸：熔体降温至1480~1520℃，保温0.5h后，于真空浇铸室内浇铸成长度为500mm，直径为50mm的棒材；待棒材温度降至1200℃以下转移到热处理炉；

热处理：炉温控制在1050~1250℃，保温时间10h，出炉空冷；将冷却后的棒材再加热至550℃，保温20h，然后迅速升温至1150~1350℃，保温0.2~1h；

轧制：将上述棒材在高温状态下、以轧辊法向角度为90°进行星型轧制，单次轧制量18%，终轧直径8mm；

切割：按需切割，长度20mm。

通过上述方法制备出来的Co-Cr-Mo-N合金，由以下重量百分比的组分组成：Cr28%，Mo6%，N 0.4%，C 0.25%，Mn 0.8%，Si 0.5%，Ni0.2%，Fe0.6%，W0.1%，P0.01%，S0.005%，Al0.01%，Ti0.07%，B0.005%，余量为Co。

通过上述实施方式1至3的方法制备出来的Co-Cr-Mo-N合金，显微组织得到改善。与传统铸造发相比，轧制出的合金等效晶粒尺寸为0.5~20微米，而铸造合金的等效晶粒尺寸为50~140微米，晶粒细化；铸坯魏氏组织消除，晶界粗大连续的第二相被破碎，应力降低。轧制合金致密度能够达到理论密度的99~99.8%，而铸造的致密度仅为90~99%，合金内部孔隙被消除，减少裂纹源头。力学性能方面，轧制合金较铸造合金有较大提升，耐磨系数比铸造制备出来的Co-Cr-Mo-N合金提高了20~50%；轧制方向单方向的抗压强度比铸造提高了30~80%；屈服强度能够达到1200~1400MPa，而铸造制备出来的Co-Cr-Mo-N合金的屈服强度仅300~800MPa。可见轧制出的棒材组织更加均匀，能够细化晶粒，减少孔隙，消除魏氏组织和晶界粗大相，降低应力，提高性能。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。