CN103643062A - 一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于口腔医学材料领域，特别是制备一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料的方法。通过二氧化碳、甲烷、氩气和氧气的混合气体将活性炭、石墨、石英砂粉、镍粉中的至少两种组合的混合粉末吹入镍铬合金熔体中，通过反应生成增强粒子，本发明因增强粒子颗粒是在是在镍铬合金熔体中反应生成，解决了外加粒子与基体合金润湿性差、易发生界面反应以及组织稳定性差等问题。材料的室温力学性能和耐磨性能显著提高，尤其适合于口腔医学材料、航空航天关键零部件等方面的应用，还可应用于要求高强度和高耐磨性的零部件，如模具冲头表面和高强度螺栓组件。

Description

一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料

技术领域

本发明属于口腔医学材料领域，特别是制备一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料的方法。

背景技术

目前，镍铬合金的应用非常广泛，其中镍铬合金材料在口腔医学方面需求量很大，镍铬合金材料由于不含有毒元素，具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性和可加工型目前在口腔医学牙齿材料方面得到了很好的应用。

对于烤瓷牙用铸造合金口腔医学材料，要求合金要有高的强度、良好的韧性、高的耐磨性；同时要求合金有很好的组织稳定性；同时在口腔中使用，要求合金要有很好的抗氧化性、耐腐蚀性。但是，目前烤瓷牙用铸造镍铬合金口腔医学材料的使用寿命一般为15年，而大多数患者的要求为终生使用，因此镍铬合金口腔医学材料需要更高的强度、良好的韧性和硬度，从而能达到更高的疲劳寿命和耐磨性。

基于上述目的，采用在镍铬合金中添加无毒、无污染的氧化镍-碳化硅颗粒来增强镍铬合金材料的强度、良好的韧性和硬度的方法。本发明镍铬合金基体材料的化学成分为：C：<0.8，Si<1.95，Cr11-14,Mo<3.5,Ti：0.2-3,Ni：82-77；目前我国现有的镍铬合金材料在专利102277524A中，经研究、分析表明均有像Ti和Ag等贵金属元素添加，虽然使用性能提高，但是制造成本高昂。因此，在本发明中通过添加氧化镍-碳化硅颗粒达到增强镍铬合金材料的目的。

发明内容

本发明专利的目的是：在于克服上述现有技术不足，提供一种加工工艺稳定、生产成本低廉、无污染排放、可在常规熔炼条件下组织生产的氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料的制备方法，较传统的镍铬合金口腔医学材料的强度、韧性和硬度大幅提升。

本发明专利的技术方案是：本发明是一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料的制备方法，通过二氧化碳、甲烷、氩气和氧气的混合气体将活性炭、石墨、石英砂粉、石油焦(或煤焦)、镍粉中的至少两种组合的混合粉末吹入镍铬合金熔体重，通过反应生成增强颗粒，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金材料。活性炭和石墨用于提供碳元素，石英砂粉用于提供碳化硅和硅元素，镍粉为缓冲剂，用于控制反应速度及颗粒的分布。

上述制备方法中将石英砂粉末采用加入无水乙醇并搅拌均匀,通过超声振荡处理5分钟-10分钟后,然后加入纳米尺寸的活性炭粉末,继续超声振荡处理10分钟-50分钟后转移到坩埚中,然后在真空炉中1550-1800℃高温煅烧下并保温3小时左右,随炉冷却然后研磨;最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细石英砂和碳化硅混合粉末颗粒：

SiO2+3C=（电炉）SiC+2CO↑

上述制备方法中各混合气体的体积含量为甲烷8-45%，氩气8-35%，氧气8-35%，二氧化碳8-70%；混合气体的压力为0.05-0.3Mpa，气体流量0.02-0.15m³/Min。 二氧化碳用于提供C元素，二氧化碳和氧气用于提供O元素。氩气为稀释剂，用于调节反应速度及颗粒生长速度。

氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料的制备方法，由于镍铬合金基体材料熔体含有质量百分比为0-1.95 的Si元素，镍铬合金熔体的温度1860-2000℃。反应生成增强颗粒的时间为10-60分钟，颗粒含量要求越高反应生成增强颗粒的时间越长。

（1）反应增强相为熔体状态下合成的SiC和NiO颗粒，在熔体状态下主要发生如下反应：

CO₂+Ni=2NiO+[C]

CO₂+Si=SiC+2[O]

SiO₂+3[C]=SiC+2CO↑

O₂+2Ni=2NiO

C+Si=SiC

CH₄+Si=SiC+2H₂

而且两种生成物的反应相互之间也有分解及进一步的反应,是一个互相促进和分解的平衡过程，从而达到最终的平衡反应速度。增强颗粒的尺寸为0.1-1μm。通过对反应时间、反应温度、混合气体的组成等进行相关调节，可以控制反应生成增强颗粒的组成（SiC和NiO的比例）、颗粒尺寸、数量及分布，从而满足不同部位的使用要求。

本发明的基体使用合金的化学成分为：C：<0.8，Si<1.95，Cr11-14,Mo<3.5,Ti：0.2-3,Ni：82-77，可以通过上述成分要求合金熔炼进行熔炼提供。在镍铬合金基体材料在电阻加热坩埚炉内熔炼，最终可获得强度、韧性和硬度大幅提升的镍铬合金口腔医学材料。

该氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料无需专用设备（无需采用真空熔炼炉、高温高压等设备），在常规镍铬合金厂即可组织生产，将熔炼后的合金直接浇入预先制备好的铸型内，冷却后取件，最终将铸件与瓷粉在高温下烧结成假牙，本发明投资少，见效快，能快速收回投资成本。

与现有镍铬合金技术相比，氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料的制备方法具有如下优点：

（1）耐磨性、强度显著提高，间隔2小时浇注试样的力学性能差小于6%，这将有利于大批量、小尺寸口腔医学材料的稳定生产。增强颗粒尺寸细小，分布均匀，组织稳定性高，表面无污染，与在镍铬合金基体结合良好。材料的室温力学性能和耐磨性能显著提高，尤其适合于口腔医学材料、航空航天关键零部件等方面的应用，还可应用于要求高强度和高耐磨性的零部件，如模具冲头表面；

（2）合金组织稳定性好，不会分解有毒气体或溶解物，对顾客的身体健康有好处，本发明因增强颗粒是在是在镍铬合金熔体中反应生成，解决了外加颗粒与基体合金润湿性差、易发生界面反应以及组织稳定性差等问题。因生成的颗粒尺寸小，因比重差导致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生产的工艺稳定性高。 

具体实施方式

下面给出本发明的最佳实施例：根据化学成分范围，在电阻加热坩埚炉内熔炼本发明镍铬合金。本发明镍铬合金基体材料的化学成分为：C：0.6，Si：1.5，Cr：13,Mo：2.5,Ti：1.4,Ni：81。待其融化并过热到1430℃，扒渣，变质、精炼、浇注铸型；将合金熔体加热到1580℃，用混合气体（二氧化碳65%，氩气35%）将混合粉末（熔剂50%+石英砂和碳化钛纳米粉30%+20%活性炭）吹入合金熔体中，气体压力0.1Mpa，气体流量0.05 m3/Min，时间10分钟，混合粉末加入量为合金熔体重量的5%，再进行变质处理和精炼处理，浇注铸型，再保温，并分别于20分、40分、80分浇注铸型。然后进行T6处理，并进行性能测试。实验结果表明氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料抗拉强度为79.2Mpa，延伸率为9.21%，布氏硬度292，腐蚀性能：失重比例为0.01577%，成本为105元/Kg。随着保温时间的延长性能有所下降，但即使保温80分钟后，其性能差也小于5%。如保温80分钟后室温抗拉强度75.1 Mpa，延伸率为9.17%，布氏硬度288，腐蚀性能：失重比例为0.01598%，成本为106元/Kg。由此可见同时本发明氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料的价格虽然略高于传统镍铬合金，但是本发明材料的抗拉强度，耐磨性、尤其硬度和组织稳定性都显著提高，而且生产工艺稳定性好，便于大批量生产。

Claims (3)

1.一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料，其特征是利用含通过二氧化碳、甲烷、氩气和氧气的混合气体将活性炭、石墨、石英砂粉、镍粉中的至少两种组合的混合粉末吹入镍铬合金熔体重，通过反应生成增强颗粒，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金材料：

（a）镍铬合金基体材料的化学成分为：C：0.6，Si：1.5，Cr：13,Mo：2.5,Ti：1.4,Ni：81；

（b）混合气体中各组分的体积含量为甲烷8-45%，氩气8-35%，氧气8-35%，二氧化碳8-70%；混合气体的压力为0.05-0.3Mpa，气体流量0.02-0.15m3/Min；

（c）石英砂粉末、无水乙醇和活性炭粉末在真空炉中1550-1800℃高温煅烧下并保温3小时左右，随炉冷却然后研磨；最后得到平均颗粒度为40纳米-100纳米的超细石英砂和碳化硅混合粉末颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料，其特征是镍铬合金基体材料熔体含有质量百分比为0-1.95的Si元素，镍铬合金熔体的温度1860-2000℃。

3.根据权利要求1所述的一种氧化镍-碳化硅颗粒增强镍铬合金口腔医学材料，其特征是：反应生成增强颗粒的时间为10-50分钟，颗粒含量要求越高反应生成增强颗粒的时间越长。