一种电渣重熔炉冶炼外科植入用含氮钴铬钼合金的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冶金领域，涉及一种电渣炉冶炼外科植入用含氮钴铬钼合金的方法。
【背景技术】
[0002] 钴铬钼合金具有优良的力学性能，耐腐蚀性能和生物相容性，是骨科金属植入物 的重要材料。而锻造的钴铬钼合金以其更加优异的力学性能应用于高端钴铬钼人工关节。
[0003] ISO钴基合金标准中可锻造钴铬钼合金IS05832-12 :2007规定了高碳和低碳两个 系列的合金标准成分，如表1所不：
[0004] 表1化学成分
[0005]
[0006] 高碳系列钴铬钼合金，一般控制其氮元素含量在较低水平，其存在着强度较高但 韧性较低的不足，而低碳高氮钴铬钼合金可以在不显著降低强度的前提下提高钴铬钼合金 的韧性，这是由于钴基合金中主要的碳化物是Cr 23C6，在一定温度条件下缓慢冷却时在晶界 和枝晶间析出细小的碳化物，能阻止晶界滑移，对合金的强化效果明显，但过多的碳化物 严重降低合金的冷加工性能；氮是稳定奥氏体组织的合金元素，氮的加入还会降低铬在奥 氏体中的扩散，减少晶界碳化物的析出，提高韧性；以固溶形式存在于奥氏体钢中的氮元 素形成细小稳定的碳氮化物提供弥散析出强化，提高材料的强度及硬度。
[0007] 电渣重熔可以有效提高合金纯净度，降低合金中硫等有害元素含量，同时采用电 渣重熔工艺制备的合金具有良好的凝固组织。但是，对于电渣重熔高氮钴铬钼合金，既需要 解决合金易偏析元素（如钼元素）含量高，工艺选择不当引起铸锭的偏析，同时需要严格控 制合金中氮元素的烧损及其分布的均匀情况，对熔炼工艺提出了更高的要求。
【发明内容】
[0008] 针对高氮钴铬钼合金的电渣重熔存在的问题，本发明提出一种电渣重熔炉冶炼外 科植入用含氮钴铬钼合金的方法。本发明提供的工艺方案是，
[0009] I、电极、渣料准备
[0010] 将钴铬钼合金电极棒与假电极焊接在一起，渣料加入器加入重熔渣料；引弧板使 用直径与电极直径一致的钴铬钼合金切片，厚度约为20~30mm，
[0011] 渣料采用四元渣：其重量比为 CaF2:45-55%，CaO :25-30%，A1 203:15-20%，MgO : 3-5% ；
[0012] II、合炉充氮气
[0013] 以lOOL/min的速率向电渣重熔炉供应氮气5分钟后，开启冷却循环系统；
[0014] III、起弧化渣
[0015] 以2. 5~3. Okg/min的速度匀速加入渣料，进行起弧化渣；渣料加入量为渣料熔化 后，渣池深度在12~14cm之间，渣料加入量的计算公式如式（1)。
[0016] ff = Ji X (D/2) X (D/2) X p Xh...........................式（1)
[0017] 式中：
[0018] W-加渣量，kg
[0019] D-锭型直径，m
[0020] h-渣池深度，m
[0021] P -熔渣密度，kg/m3，
[0022] IV、氮气保护
[0023] 加渣完成后，持续供应氮气，流量为10L/min，一直供应至熔炼结束；
[0024] V、熔炼
[0025] 起弧阶段结束后，熔炼期开始，稳定熔化速率5kg/min ;
[0026] VI、热封顶
[0027] 采取阶梯式降功率方式四阶段递减功率补缩，分别在热封顶开始后的Omin、 10min、20min、40min降低熔炼阶段末期功率的10%，最后恒功率保温，直至熔炼结束；
[0028] VII、炉内冷却、脱模。
[0029] 炉内冷却90min后脱模。
[0030] 本发明具有的优点和有益效果，使用本方法生产的钴铬钼合金铸锭氮元素头尾分 布均匀，其烧损量小于5% ;所使用的四元重用渣系有较好的脱硫效果，使用该渣系熔炼的 钴络钼合金中硫含量低于lOppm;使合金中无卷渣、夹杂等冶金缺陷；铸锭表面光滑，无渣 沟缺陷；使用该重熔工艺过程控制稳定，起弧化渣良好，铸锭底部无未熔渣块；铸锭顶部补 缩良好，铸徒成材率有所提尚。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合实例详细说明本发明的【具体实施方式】，但本发明的【具体实施方式】不局限 于下述的实例：
[0032] I电极、渣料准备
[0033] 将电极棒与假电极焊接在一起，自动喂渣器中加入重熔渣料；引弧锭使用直径与 电极直径一致的钴铬钼合金切片，厚度约为20~30mm，对中结晶器底部放置；必要时对自 耗电极棒进行烘烤，去除表面水分。
[0034] 渣料采用密封的预熔四元渣，其配比如下：CaF2:45-55%，CaO :25-30%，A1 203: 15-20%, MgO ：3-5% ；
[0035] 渣料加入量一般应保证渣料熔化后，渣池深度在12~14cm之间，冶炼完成后，保 证渣帽厚度不小于8cm。具体高度可根据锭长而定，锭子长，渣皮多，渣料则应多加入一些。
[0036] 渣料加入量的计算公式如式（1)。
[0037] ff =jiX (D/2) X (D/2) X p Xh...........................式（1)
[0038] 式中：
[0039] W-加渣量，kg
[0040] D-锭型直径，m
[0041] h-渣池深度，m
[0042] P-熔渣密度，kg/m3
[0043] II合炉充氮气
[0044] 关闭密封罩，以100L/min的流量连续供应5分钟氮气后关闭气体供应，此时氮气 充满整个炉体，开启冷却水循环系统；
[0045] III起弧化渣
[0046] 18~22V低电压起弧，低功率送电，3~10分钟后提高电压至40~50V，大功率送 电，同时以2. 5~3. Okg/min的速度匀速加入渣料；
[0047] IV氮气保护
[0048] 加渣完成后，持续供应氮气，流量为10NL/min，直至熔炼结束；
[0049] V 熔炼
[0050] 起弧阶段结束后，熔炼期开始，稳定熔化速率5kg/min，熔炼过程控制渣阻 3. 5m Q~4. 5m Q，渣摆0. 5m Q，保证电极端头插入浅平；
[0051] VI热封顶
[0052] 热封顶过程采取四阶段阶梯式降功率补缩，分别在热封顶开始后的0min、10min、 20min、40min降低熔炼阶段末期功率的10%，最后恒功率保温；逐渐增加渣阻及渣摆，使剩 余电极棒与渣池趋近分离；
[0053] VII炉内冷却、脱模。
[0054] 炉内冷却90min后脱模。
[0055] 实施例
[0056] 电极中氮元素含量及分布如表2所示：
[0057] 表2钴铬钼电极棒中氮元素含量及分布
[0058]
[0059] 电极尺寸：cp 350mm X 2113mm
[0060] 结晶器直径：<P
[0061] 渣料采用四元渣：CaF2:45-55%，Ca0 :25-30%，Al 203:15-20%，Mg0 :3-5%。渣量 55kg ；
[0062] I电极、渣料准备
[0063] 将电极棒与假电极焊接在一起，自动喂渣器中加入60kg重熔渣料；引弧锭使用直 径350mm的钴铬钼合金切片，厚度约为26mm。
[0064] II合炉充氮气
[0065] 100L/min连续供应5分钟氮气后关闭气体供应，开启冷却水循环系统；
[0066] III起弧化渣
[0067] 18V低电压起弧，150kw送电，3~10分钟后提高电压至40~50V，400kw送电，同 时以2. 5~3. Okg/min的速度匀速加入渣料；
[0068] IV氮气保护
[0069] 加渣完成后，持续供应氮气，流量为10NL/min ;
[0070] V 熔炼
[0071] 起弧阶段结束后，稳定熔化速率5kg/min，熔炼过程控制渣阻3. 5mQ~4. 5mQ，渣 摆 0.5mQ ;
[0072] VI热封顶
[0073] 四阶段阶梯式降功率补缩，每阶段分别降601^、201^、401^、51^，最后恒功率保温； 逐渐增加渔阻至5. OmQ~6. OmQ，渔摆控制0. 5mQ~0. 6mQ ;
[0074] VII炉内冷却、脱模。
[0075] 炉内冷却90min后脱模。
[0076] 电渣锭中元素含量及分布如表3所示：
[0077] 表3钴铬钼电渣锭中氮元素含量及分布
[0078]
[0079] 锭中硫含量由电极的84ppm降低至6ppm，锭身光滑无渣沟缺陷。
【主权项】
1. 一种电渣重熔炉冶炼外科植入用含氮钴铬钼合金的方法，其特征是，它包括下述依 次的步骤： I、电极、渣料准备 将钴铬钼合金电极棒与假电极焊接在一起，渣料加入器加入重熔渣料；引弧板使用直 径与电极直径一致的钴铬钼合金切片，厚度约为20~30mm， 渣料采用四元渣：其重量比为 CaF2:45-55 %，Ca0:25-30 %，Al 203:15-20 %，MgO: 3-5%； II、 合炉充氮气 以lOOL/min的速率向电渣重熔炉供应氮气5分钟后，开启冷却循环系统； III、 起弧化渣 以2. 5~3. Okg/min的速度匀速加入渣料，进行起弧化渣；渣料加入量为渣料熔化后， 渣池深度在12~14cm之间，渣料加入量的计算公式如式（1)。 W = JT X (D/2) X (D/2) XpXh...........................式（1) 式中： W-加渣量，kg D-锭型直径，m h-渣池深度，m P -熔渣密度，kg/m3， IV、 氮气保护 加渣完成后，持续供应氮气，流量为l〇L/min，一直供应至熔炼结束； V、 熔炼 起弧阶段结束后，熔炼期开始，稳定熔化速率5kg/min ; VI、 热封顶 采取阶梯式降功率方式四阶段递减功率补缩，分别在热封顶开始后的〇min、10min、 20min、40min降低熔炼阶段末期功率的10%，最后恒功率保温，直至熔炼结束； VII、 炉内冷却、脱模 炉内冷却90min后脱模。
【专利摘要】本发明属于冶金领域,涉及一种电渣炉冶炼外科植入用含氮钴铬钼合金的方法。它包括下述的步骤:I电极、渣料准备，将钴铬钼合金电击棒与假电极焊接在一起，渣料加入器加入重熔渣料；II合炉充氮气，连续供应2分钟后关闭氮气供应，开启冷却循环系统；III起弧化渣，采取功率、电流、电压、渣阻综合控制法；IV加渣完成后，持续供应氮气；V起弧阶段结束后，熔炼期开始，采取熔速+渣摆控制法，稳定熔化速率5kg/min；VI热封顶过程采取阶梯式降功率法；VII炉内冷却、脱模。采用该方法重熔的钴铬钼合金电渣锭偏析控制良好，N元素分布均匀，烧损小于5％，硫含量低于10ppm,铸锭表面无渣沟缺陷。
【IPC分类】C22C19/07, C22C1/02, C22B9/18
【公开号】CN105132703
【申请号】CN201510567571
【发明人】于昂, 李超, 孟宇, 张华霞, 唐辉
【申请人】中国航空工业集团公司北京航空材料研究院
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月8日