一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种医疗用Zr?2.5Nb合金铸锭的制备方法，具体为：以核级海绵锆，与高纯Nb粉和高纯ZrO2为原料，采用混布料方法进行混料；将混好的物料压制为电极块，并采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极；采用真空自耗电弧炉对得到的自耗电极进行3?5次真空熔炼，即得到医疗用Zr?2.5Nb合金铸锭。本发明一种医疗用Zr?2.5Nb合金铸锭的制备方法，通过合理的合金比例进行混料，对自耗电极进行多次真空熔炼并合理控制熔炼的工艺参数，能使Zr?2.5Nb合金铸锭各组元成分充分合金化和均匀化，杂质元素含量低，铸锭质量水平较高。
【专利说明】
一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法
技术领域
[00011本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制 备方法。
【背景技术】
[0002] Zr-2.5Nb合金名义成分为:Zr-2.5Nb-0.10,由于其良好的耐腐蚀性能和生物相容 性能，主要使用在核电和医用植入方面。医用植入材料对材料的杂质元素含量水平要求非 常严格，一些杂质元素含量的超标会大幅度降低合金的耐腐蚀性，一些杂质元素含量的超 标会对人体健康带来危害。因此控制Zr-2.5Nb合金的杂质元素含量是铸锭生产的关键。
[0003] 此锆合金含有3个主元素，其中Nb元素为高熔点难熔、易偏析元素，且Nb元素与0元 素成分范围较窄。此外，标准还要求了 20多个杂质元素的控制。杂质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），否则会影响后续棒材力学性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，能够有效控制 Zr-2.5Nb合金铸锭中杂质元素的含量。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，具体包 括以下步骤：
[0006] 步骤1，混料：
[0007]以核级海绵锆，与高纯Nb粉和高纯Zr02为原料，采用混布料方法进行混料；
[0008] 步骤2,自耗电极压制及焊接：
[0009] 将步骤1混好的物料压制为电极块，并采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的 电极块焊接为自耗电极；
[0010] 步骤3,熔炼：
[0011] 采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行3-5次真空熔炼，即得到医疗用 Zr-2.5Nb合金铸锭。
[0012] 本发明的特点还在于，
[0013] 步骤1中海绵锆、Nb粉和Zr〇2混合后元素质量百分比为:Nb为2.0%~3.0%、0为 0.07%~0.15%，其余为Zr，以上组分质量百分比之和为100%。
[0014] 步骤2中压强彡15MPa，保压时间彡3s。
[0015] 步骤2中焊接的电流多250A，焊接电压多40V。
[0016]步骤3中第一次真空熔炼的参数为：结晶器规格Φ 160~Φ 280mm，熔前真空彡 2. OPa，熔炼电压20~40V，熔炼电流3~15KA，漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用直流1~ 10A，熔炼后冷却时间大于等于4小时。
[0017]步骤3中第二次真空熔炼的参数为：结晶器规格Φ 220mm~Φ 360mm，熔前真空< l.OPa，熔炼电压20~40V，熔炼电流5~20kA;漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用交流1~ 15A之间，熔炼后冷却时间彡5小时。
[0018] 步骤3中第三次真空熔炼的参数为：结晶器规格Φ 280mm~Φ440πιπι，熔前真空彡 0.8Pa，熔炼电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流5~ 20A之间，熔炼后冷却时间彡6小时。
[0019]步骤3中第四次真空熔炼的参数为：结晶器规格Φ 360mm~Φ 560mm，熔前真空彡 0.8Pa，熔炼电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流5~ 20A之间，熔炼后冷却时间彡7小时。
[0020] 步骤3中第五次真空熔炼的参数为:结晶器规格Φ 640mm，熔前真空<0.8Pa，熔炼 电压25~45V，熔炼电流10~30kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流8~20A之间，熔 炼后冷却时间彡8小时。
[0021] 步骤3中每次熔炼后将铸锭做平头处理，并掉头进行下一次熔炼。
[0022]本发明的有益效果是，一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，通过合理的合 金比例进行混料，对自耗电极进行多次真空熔炼并合理控制熔炼的工艺参数，能使Zr-2.5Nb合金铸锭各组元成分充分合金化和均匀化，杂质元素含量低，铸锭质量水平较高。
【具体实施方式】
[0023]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0024]本发明一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，具体包括以下步骤：
[0025] 步骤1，混料：
[0026] 按照元素质量百分比为:Nb为2.0%~3.0%、0为0.07%~0.15%，其余为Zr，以上 组分质量百分比之和为100%，选用核级海绵锆，与高纯Nb粉以及高纯Zr02按比例配入，采 用混布料方法进行混料；
[0027]步骤2,自耗电极压制及焊接：
[0028]将步骤1混好的物料料压制为电极块，压制的压强多15MPa，保压时间多3s，并采用 非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接的电流多250A，焊接电 压彡40V;
[0029] 步骤3,熔炼：
[0030]采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行3-5次真空熔炼，具体为：
[0031] 一次熔炼:结晶器规格Φ160~Φ280πιπι，熔前真空彡2.0Pa，熔炼电压20~40V，熔 炼电流3~15KA，漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用直流1~10A，熔炼后冷却时间大于等于 4小时，熔炼完成后需在车床上做平头处理；
[0032]二次熔炼:平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 220mm~Φ 360mm，熔前真空< l.OPa，熔炼电压20~40V，熔炼电流5~20kA;漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用交流1~ 15A之间，熔炼后冷却时间彡5小时；
[0033]三次熔炼：将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼；结晶器规格Φ 280mm~Φ 440_，熔前真空彡0.8Pa，熔炼电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧 电流采用交流5~20A之间，熔炼后冷却时间彡6小时；
[0034]四次熔炼：将三次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼；结晶器规格Φ 360mm~Φ 560mm，熔前真空彡0.8Pa，熔炼电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧 电流采用交流5~20A之间，熔炼后冷却时间彡7小时；
[0035]五次熔炼:将四次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 640mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔炼电压25~45 V，熔炼电流10~30kA;漏气率彡0.5Pa/mi η，稳弧电流采用交流 8~20Α之间，熔炼后冷却时间彡8小时。
[0036] 一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，通过合理的合金比例进行混料，对自 耗电极进行多次真空熔炼并合理控制熔炼的工艺参数，能使Zr-2.5Nb合金铸锭各组元成分 充分合金化和均匀化，杂质元素含量低，铸锭质量水平较高。
[0037] 实施例1
[0038] 步骤1混料：
[0039] 选用核级海绵锆，与高纯Nb粉按Nb含量2.0%比例配入，Zr02按0含量0.15%比例 配入，采用混布料方法进行混料，得到合金配比的质量百分比为：Nb为2.0%，0元素为 0.15%，其余为Zr，各元素质量百分比之和为100%;
[0040]步骤2自耗电极压制及焊接：
[0041] 采用大型油压机对步骤1混好的料进行电极压制，压制压强15MPa，保压时间10s， 采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流多250A，焊接 电压彡40V;
[0042]步骤3采用真空自耗电弧炉进行三次真空熔炼：
[0043] 一次熔炼:结晶器规格Φ 160mm，熔前真空彡2. OPa，熔炼电压20~35V，熔炼电流3 ~12kA，漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用直流1~10A，熔炼后冷却时间彡4小时，熔炼完 成后需在车床上做平头处理；
[0044]二次熔炼:平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 220mm，恪前真空< 1. OPa，熔 炼电压20~35V，熔炼电流5~15kA;漏气率<0.8Pa/min，稳弧电流采用交流1~15A之间，熔 炼后冷却时间彡5小时；
[0045]三次熔炼:将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ280πιπι，熔前真 空彡0.8Pa，熔炼电压25~35V，熔炼电流10~20kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流 5~20A之间，熔炼后冷却时间彡6小时。
[0046]最终制得成分合格的合金铸锭，铸锭的部分化学成份如表1所示。
[0047]表1实施例1铸锭的化学成分
[0048]
[0049] (α+β)/β 相变点 915°C ~920°C
[0050] 实施例2
[0051] 步骤1混料：
[0052] 选用核级海绵锆，与高纯Nb粉按Nb含量3.0%比例配入，Zr02按0含量0.07 %比例 配入，采用混布料方法进行混料，得到合金配比的质量百分比为：Nb为3.0%，0元素为 0.07%，其余为Zr，各元素质量百分比之和为100% ;
[0053]步骤2自耗电极压制及焊接：
[0054] 采用大型油压机对步骤1混好的料进行电极压制，压制压强18MPa，保压时间7s，采 用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流多250A，焊接电 压彡40V;
[0055]步骤3采用真空自耗电弧炉进行四次真空熔炼：
[0056] 一次熔炼:结晶器规格Φ 280mm，熔前真空彡1. OPa，熔炼电压25~40V，熔炼电流5 ~15kA，漏气率控制在0.8Pa/min以下，稳弧电流采用直流5~10A，熔炼后冷却时间彡4小 时，熔炼完成后需在车床上做平头处理；
[0057]二次熔炼:平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 360mm，熔前真空< 1. OPa，熔 炼电压25~40V，熔炼电流10~20kA;漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用交流8~15A之间， 熔炼后冷却时间多5小时；
[0058]三次熔炼:将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 440mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔炼电压35~45V，熔炼电流15~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流 5~20A之间，熔炼后冷却时间彡6小时。
[0059]四次熔炼:将三次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 560mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔炼电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流 5~20A之间，熔炼后冷却时间彡7小时。
[0060]最终制得成分合格的合金铸锭。铸锭的部分化学成份如表2所示。
[00611表2实施例2铸锭的化学成分
[0062]
[0063] (α+β)/β 相变点 90(TC ~905Γ
[0064] 实施例3
[0065] 步骤1混料：
[0066] 选用核级海绵锆，与高纯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，采用混布料方法进行混料，得到合金配比的质量百分比为：Nb为2.5%，0元素为 0.10%，其余为Zr，各元素质量百分比之和为100%;
[0067]步骤2自耗电极压制及焊接：
[0068] 采用大型油压机对步骤1混好的料进行电极压制，压制压强20MPa，保压时间3s，采 用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流多250A，焊接电 压彡40V;
[0069]步骤3采用真空自耗电弧炉进行五次真空熔炼：
[0070] 一次熔炼：结晶器规格φ 280mm，熔前真空彡1. OPa，熔炼电压25~40V，熔炼电流5 ~15kA，漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用直流5~10A，熔炼后冷却时间大于等于4小时， 熔炼完成后需在车床上做平头处理；
[0071] 二次熔炼:平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格φ 360mm，熔前真空< 1. OPa，熔 炼电压25~40V，熔炼电流10~20kA;漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用交流8~15A之间， 熔炼后冷却时间多5小时；
[0072]三次熔炼:将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 440mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔炼电压35~45V，熔炼电流15~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流 5~20A之间，熔炼后冷却时间彡6小时。
[0073]四次熔炼:将三次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 560mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔炼电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流 5~20A之间，熔炼后冷却时间彡7小时。
[0074]五次熔炼:将四次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼;结晶器规格Φ 640mm，熔前真 空彡0.8Pa，熔炼电压25~45 V，熔炼电流10~30kA;漏气率彡0.5Pa/mi η，稳弧电流采用交流 8~20Α之间，熔炼后冷却时间彡8小时。
[0075]最终制得成分合格的合金铸锭。铸锭的部分化学成份如表3所示。
[0076]表3实施例3铸锭的化学成分
[0079] (α+β)/β 相变点 91(TC ~915°C
[0080] 由实施例1-3可知，采用本发明的方法生产的规格为Φ 280~Φ 640mm的Zr-2.5Nb 合金铸锭，其成分的均匀性好，杂质含量低，铸锭质量优异。
【主权项】
1. 一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤： 步骤1，混料： 以核级海绵锆，与高纯Nb粉和高纯ZrO2为原料，采用混布料方法进行混料； 步骤2,自耗电极压制及焊接： 将步骤1混好的物料压制为电极块，并采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极 块焊接为自耗电极； 步骤3,熔炼： 采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行3-5次真空熔炼，即得到医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭。2. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 1中所述海绵锆、Nb粉和ZrO2混合后元素质量百分比为:Nb为2.0 %~3.0 %、0为0.07 %~ 0.15%，其余为Zr，以上组分质量百分比之和为100%。3. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 2中所述压强彡15MPa，保压时间彡3s。4. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 2中所述焊接的电流多250A，焊接电压多40V。5. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 3中所述第一次真空熔炼的参数为:结晶器规格Φ 160~Φ 280mm，熔前真空<2. OPa，熔炼电 压20~40V，熔炼电流3~15KA，漏气率彡0.8Pa/min，稳弧电流采用直流1~10A，熔炼后冷却 时间大于等于4小时。6. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 3中所述第二次真空熔炼的参数为:结晶器规格Φ 220mm~Φ 360mm，熔前真空< I.OPa，熔炼 电压20~40V，熔炼电流5~20kA;漏气率<0.8Pa/min，稳弧电流采用交流1~15A之间，恪炼 后冷却时间彡5小时。7. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 3中所述第三次真空熔炼的参数为:结晶器规格Φ 280mm~Φ 440mm，熔前真空<0.8Pa，熔炼 电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流5~20A之间，熔 炼后冷却时间彡6小时。8. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 3中所述第四次真空熔炼的参数为:结晶器规格Φ 360mm~Φ 560mm，熔前真空<0.8Pa，熔炼 电压25~45V，熔炼电流10~25kA;漏气率彡0.5Pa/min，稳弧电流采用交流5~20A之间，熔 炼后冷却时间彡7小时。9. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，步骤 3中所述第五次真空熔炼的参数为：结晶器规格Φ 640mm，熔前真空< 0.8Pa，熔炼电压25~ 45V，熔炼电流10~30kA;漏气率< 0.5Pa/min，稳弧电流采用交流8~20A之间，熔炼后冷却 时间多8小时。10. 根据权利要求1所述的一种医疗用Zr-2.5Nb合金铸锭的制备方法，其特征在于，所 述步骤3中每次熔炼后将铸锭做平头处理，并掉头进行下一次熔炼。
【文档编号】C22C1/02GK105950912SQ201610504184
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】尚金金, 何永胜, 罗文忠, 张晓园, 郑念庆, 何涛, 王玮东, 赖运金, 付宝全
【申请人】西部超导材料科技股份有限公司