专利名称：含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法及含氮Co-Cr-Mo合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用做人工膝、股关节用移植材料及齿科用移植材料实际效果好的 含氮C0-Cr-M0合金的晶粒微细化方法以及由该方法制得的含氮Co-Cr-Mo合金。
背景技术：
由于C0-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，所述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 WM23C6碳化物相及富Cr、Mo的ο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。因此，通过实施均质化热处理来改善韧性及延展性，但因热处理引起的析出物的 消失会导致铸造材料的晶粒粗大化，存在屈服强度和疲劳强度受损的问题。为了解决该问 题，一般采用可调节铸造材料热处理过程的热锻造。通过热锻造来瓦解铸造材料具有的内 部缺陷，并破坏枝状晶体组织，因此能够改善力学可靠性。并且，由于热锻造时所表现出的 动态再结晶，能够获得微细组织(例如，参见专利文献1)。除此之外，通过在Co-Cr-Mo合金中添加氮元素，使得阻碍可塑性的质硬且脆的σ 相消失，能够制得具有Y相、且Y相的相比例以体积分数计占80%以上的晶体结构的生物 体用Co基合金，能够获得可塑性优异的合金(例如，参见专利文献幻。这时，为了使晶粒微 细化、提高可塑性，也需要进行热锻造。现有技术文献专利文献1特开2002-363675号公报专利文献2特开2008-111177号公报
发明内容
但是，专利文献1及专利文献2中所描述的方法存在如下问题，即当热锻造时被 导入的塑性应变不均勻时，难以使锻造品的整个截面形成均勻且微细的晶粒组织。例如， 如图10所示，当通过热锻加工制成圆棒材料时，锻造时所导入的塑性应变在表面附近与中 心部位不同时，能够确认制成的圆棒材料的表面附近与中心部处的晶体粒径不同。并且， Co-Cr-Mo合金的热锻造中，还存在需要详细把握被加工物的温度，需要操作人员具有高级 专业技术的问题。本发明着眼于上述问题而完成，其目的在于提供一种含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒 微细化方法以及含氮Co-Cr-Mo合金，所述晶粒微细化方法不实施利用再结晶的热锻造类 的加工，仅通过热处理就能够容易地得到均勻且微细的晶粒组织。
为实现上述目的，本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于， 将包括Cr 26-35重量％、Mo :2_8重量％、N :0. 1-0. 3重量％、余量为Co的含氮Co-Cr-Mo 合金经固溶处理后，在670-830°C下保持一定时间进行恒温时效处理，通过恒温时效效果形 成由ε相与Cr氮化物构成的多相组织；冷却后，加热至870 1100°C的温度范围内进行 逆相变处理，通过逆相变由ε相和Cr氮化物的多相组织逆相变为Y单相。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法与基于利用再结晶的热锻造使晶 粒微细化的方法不同，其不实施加工，仅通过利用逆相变的热处理就能够容易地得到均勻 且微细的晶粒组织。通过该晶粒微细化，能够提高含氮Co-Cr-Mo合金的力学可靠性。并且， 由于仅通过热处理就能够实施，因此即使操作人员没有高级的专业技术也能够得到均勻且 微细的晶粒组织。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，因为不实施加工，因此与适合材 料的形状及大小无关，即使是小型材料、具有复杂形状的材料、现成的产品等也可以进行晶 粒微细化。并且，由于不需要大型的锻造装置、也不需要操作人员具有锻造技术，因此具有 优异的广泛应用性。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，与如何制得无关，能 适用于通过恒温时效处理形成由ε相和Cr氮化物构成的多相组织的含氮Co-Cr-Mo合金， 富于实用性。并且，本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，通过逆相变处理实质 上逆相变为Y单相即可，也可以混入2-5%左右的其他相。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，如果在高于1100°C的高温下进 行逆相变处理，随着保持时间的延长，会引起晶粒的显著粗大化，因此，为了获得微细的晶 粒组织，需要在1100°c以下进行逆相变处理。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方 法，在恒温时效处理后进行急冷，进一步优选为在逆相变处理后也进行急冷。在本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，进行所述固溶处理的所述 含氮Co-Cr-Mo合金还可以含有0. 2重量％以下比例的Ni。另外，还可以含有0. 35重量％ 以下比例的C。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，所述恒温时效处理的保持时间 优选为63000秒以上。这时，基于恒温时效效果，合金的整个组织能够形成由ε相和Cr氮 化物构成的多相组织。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，所述逆相变处理优选在 920-1000°C的温度范围内保持300秒以上。或者，所述逆相变处理优选在1000-1100°C的温 度范围内保持50秒以上。这些情况下，能够使合金的整个组织从ε相和Cr氮化物的多相 组织逆相变为Y单相。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，在进行所述逆相变处理后冷却， 还可以进一步反复进行上述恒温时效处理及上述逆相变处理。这时，能够使晶粒进一步微 细化。恒温时效处理及逆相变处理的重复进行，可以进行一个循环，也可以进行多个循环。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金，其特征在于，其为通过本发明的含氮Co-Cr-Mo合金 的晶粒微细化方法制得，所述含氮Co-Cr-Mo合金实质上由平均晶体粒径在25 μ m以下的、 单相构成。本发明的含氮Co-Cr-Mo合金能够通过本发明的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化 方法容易地得到。由于本发明的含氮Co-Cr-Mo合金实质上由平均晶体粒径在25 μ m以下的Y单相的均勻且微细的晶粒组织构成，因此在加工时难以产生损坏和裂纹，力学可靠性 高。并且，本发明的含氮Co-Cr-Mo合金实质上是γ单相即可，也可以混入2-5%左右的其 他相。根据本发明，能够提供一种含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法以及含氮 Co-Cr-Mo合金，所述晶粒微细化方法不实施利用再结晶的热锻造这类的加工，仅通过热处 理就能够容易地得到均勻且微细的晶粒组织。
图1为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法的热处理流程示 意图。图2为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，经恒温时效处 理后的样品的TTT图(等温转变图)。图3为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，经800°C、24 小时恒温时效处理所得到的多相组织的扫描电子显微镜照片。图4为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，经逆相变处理 后的样品的TTT图(等温转变图)。图5为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，经(a)固溶 处理后、(b)恒温时效处理后、(c)逆相变处理后的合金通过EBSD (Electron BackScatter Diffraction Pattern ；电子背散射衍射)法得到的 IQ 像(ImageQuality map)。图6为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，经(a)固溶处 理后、(b)第一次逆相变处理后、(c)第二次逆相变处理后的合金通过EBSD法得到的IQ像。图7为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，实施了各种 热处理(1 固溶处理后、2 恒温时效处理后、3 逆相变处理后)的含氮Co-Cr-Mo合金的应 力-应变曲线。图8为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，经(a)固溶化 处理后的烧结体的初始组织、(b)实施了逆相变处理后的组织通过EBSD法得到的晶粒边界 (boundary map)。图9为本发明实施方式的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法中，(a)MIM材料 的初始组织、(b)实施了逆相变处理后的组织通过EBSD法得到的晶粒边界图(boundary map) ο图10为通过热锻加工制得的圆棒材料(直径15)的截面(a)表面附近、(b)中心 部的光学显微镜照片。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明实施方式进行说明。 如图1所示，本发明实施方式中，含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法首先将包 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％、余量为Co的含氮Co-Cr-Mo合金固溶处理，使其形成Y单相组织、进行水冷(W. Q.)。 然后在670-830°C下保持一定时间，进行恒温时效处理，通过恒温时效效果形成由ε相和Cr氮化物构成的多相组织，然后水冷(W.Q.)。然后加热至870-1100°C的温度范围内，进行 逆相变处理，通过逆相变使其从ε相和Cr氮化物的多相组织逆相变为Y单相。实施例11、实验方法如表1所示，利用高频感应熔炼法熔制成含氮Co-Cr-Mo合金的铸锭，使得样品合 金的组成为Cr量为27. 5重量％、Mo量为5. 5重量％、Ni量为0. 12重量％、C量为0. 04 重量％、N量为0. 16重量％、Co量为66. 68重量％。氮的添加方法采用了添加Cr2N粉末的 方法。并且，将该熔制材料进行均质化热处理后，为了破坏铸造组织而实施了热锻造。将其 作为起始样品，进行了各种热处理。表 权利要求
1.一种含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于，将包括Cr :26-35重量％、 Mo 2-8重量％、N 0. 1-0. 3重量％、余量为Co的含氮Co-Cr-Mo合金经固溶处理后，在 670-830°C下保持一定时间进行恒温时效处理，基于恒温时效效果形成由ε相和Cr氮化物 构成的多相组织；冷却后，加热至870 1100°C的温度范围内进行逆相变处理，通过逆相变 从ε相和Cr氮化物的多相组织逆相变为Y单相。
2.如权利要求1所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于，进行所述 固溶处理的所述含氮Co-Cr-Mo合金包括0. 2重量％以下比例的Ni。
3.如权利要求1或2所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于，进行 所述固溶处理的所述含氮Co-Cr-Mo合金包括0. 35重量％以下比例的C。
4.如权利要求1-3任一项所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于， 所述恒温时效处理的保持时间为63000秒以上。
5.如权利要求1-4任一项所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于， 所述逆相变处理在920-1000°C的温度范围内保持300秒以上。
6.如权利要求1-4任一项所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于， 所述逆相变处理在1000-1100°c的温度范围内保持50秒以上。
7.如权利要求1-6任一项所述的含氮Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法，其特征在于， 在所述逆相变处理后进行冷却，且进一步反复进行所述恒温时效处理及所述逆相变处理。
8.一种含氮Co-Cr-Mo合金，其特征在于，其通过权利要求1-7任一项所述的含氮 Co-Cr-Mo合金的晶粒微细化方法制得，所述含氮Co-Cr-Mo合金实质上由平均晶体粒径在 25 μ m以下的γ单相构成。
全文摘要
本发明在制备包括Cr26-35重量％、Mo2-8重量％、N0.1-0.3重量％、余量为Co的含氮Co-Cr-Mo合金时，不实施利用再结晶的热锻造类的加工，仅通过热处理得到均匀且微细的晶粒组织，为此本发明在固溶处理后，在670-830℃下保持一定时间进行恒温时效处理，形成由ε相和Cr氮化物构成的多相组织；然后经冷却后，再加热至870～1100℃的温度范围，进行逆相变处理，使其从ε相和Cr氮化物的多相组织逆相变为γ单相。
文档编号A61L27/00GK102131948SQ20098013266
公开日2011年7月20日 申请日期2009年9月2日 优先权日2008年9月5日
发明者千叶晶彦, 松本洋明, 黑须信吾 申请人:国立大学法人东北大学