CN104164669B - 一种带有梯度层的合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有梯度层的合金材料，其创新点在于：由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层；所述基材层为纯镁或纯铁；所述耐磨防腐层为包含铜、锌、锡、硅和锰的金属材料层；所述抗金属粉化层为包括碳、硅、锰、磷、铬、铝和钴金属材料层。本发明的带有梯度层的合金材料分别由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层组成，可避免应力屏蔽效应，从而增加生物相容性，其中耐磨防腐层和抗金属粉化层，更加有利于骨组织的生长，提高植入人体的生物活性，可以用于医疗领域。合金材料的制备方法，工艺步骤简单，操作方便，且操作参数下制备的合金品质优秀，节约成本的同时，更加保证了较高的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有梯度层的合金材料，本发明还涉及一种带有梯度层的合金材料的制备方法，属于金属合金领域。
背景技术
合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。合金的生成常会改善元素单质的性质，例如，钢的强度大于其主要组成元素铁。合金的物理性质，例如密度、反应性、杨氏模量、导电性和导热性可能与合金的组成元素尚有类似之处，但是合金的抗拉强度和抗剪强度却通常与组成元素的性质有很大不同。
众所周知，硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钴具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，伴随下游产业的发展，硬质合金市场需求不断加大。并且未来高新技术武器装备制造、尖端科学技术的进步以及核能源的快速发展，将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金产品的需求。
但是众多的金属材料无法直接进行医用的金属材料，当前医用的不锈钢、镍铬钴合金和钛合金等金属硬组织植入材料已被成功应用于临床，但这些金属植入人体之后会释放铬或镍等离子，可能导致严重的炎症反应和减小生物相容性以及引起组织损伤；此外，这些植入人体的弹性模量与天然骨不匹配，造成应力遮挡效应，从而影响植入的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种带有梯度层的合金材料及其制备方法，更加有利于骨组织的生长，提高植入人体的生物活性，可以用于医疗领域。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种带有梯度层的合金材料，其创新点在于：由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层；所述基材层为纯镁或纯铁；所述耐磨防腐层为包含铜、锌、锡、硅和锰的金属材料层；所述抗金属粉化层为包括碳、硅、锰、磷、铬、铝和钴金属材料层。
进一步的，所述耐磨防腐层具体包含以下成分的重量份的金属材料：铜40～46.6份、锌30.2～42.8份、锡2.4～4.5份、硅2.4～4.5份和锰1.6～3.2份。
进一步的，所述抗金属粉化层具体包含以下成分的重量份的金属材料：碳0.02～0.08份、10～25份硅、0.4～0.8份锰、0.02份以下磷、12～22份铬、8～15份铝和6～8份钴。
进一步的，所述耐磨防腐层具体包含以下成分的重量份的金属材料：铜42～43.8份、锌33.2～40.1份、锡2.8～3.9份、硅3.6～4.2份和锰1.9～2.6份。
进一步的，所述抗金属粉化层具体包含以下成分的重量份的金属材料：碳0.04～0.06份、16～22份硅、0.5～0.7份锰、0.01份以下磷、15～20份铬、10～13份铝和6～8份钴。
本发明的另一个目的是提供一种带有梯度层的合金材料的制备方法，其创新点在于：具体步骤如下：
（1）制备基材，根据特定需要，将纯镁或纯铁加工成特定形状的试件；
（2）预制耐磨防腐层：将第一步获得的试件，通过喷涂的方式涂覆耐磨防腐层，控制涂覆的厚度为3～10mm，喷涂时间为0.3～0.6h，喷涂速度为0.5～1m/min；
（3）预制抗金属粉化层：将第二部获得的试件，自然冷却凝固后，放入不锈钢电解槽中，保证试件完全浸入到不锈钢电解槽中，且与不锈钢电解槽之间保持绝缘，施加脉冲电压的峰值为100～300V，频率为200～400HZ，控制脉冲时间为10～20min。
进一步的，所述步骤（2）中的耐磨防腐层涂覆的厚度为6mm。
进一步的，所述步骤（2）中的喷涂时间为0.4h。
进一步的，所述步骤（3）中施加脉冲电压的峰值为185V。
进一步的，所述步骤（3）中施加脉冲频率为257HZ。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的带有梯度层的合金材料分别由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层组成，可避免应力屏蔽效应，从而增加生物相容性，其中耐磨防腐层和抗金属粉化层，更加有利于骨组织的生长，提高植入人体的生物活性，可以用于医疗领域。
（2）本发明的带有梯度层的合金材料中耐磨防腐层中，添加的铜40～46.6份、锌30.2～42.8份、锡2.4～4.5份、硅2.4～4.5份和锰1.6～3.2份，选用合适的配比和原料，能够有效改善金属材料的机械性能，耐磨性和防腐性，具有很高的实用品质。
（3）本发明的带有梯度层的合金材料中抗金属粉化层中，碳0.02～0.08份、10～25份硅、0.4～0.8份锰、0.02份以下磷、12～22份铬、8～15份铝和6～8份钴，选用合适的配比和原料，可以确保在体温环境下，拥有良好的耐腐蚀性和抗氧化性。
（4）本发明的带有梯度层的合金材料的制备方法，工艺步骤简单，操作方便，且操作参数下制备的合金品质优秀，节约成本的同时，更加保证了较高的生产效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。
实施例1
一种带有梯度层的合金材料，其创新点在于：由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层；基材层为纯镁或纯铁；耐磨防腐层为包含铜、锌、锡、硅和锰的金属材料层；抗金属粉化层为包括碳、硅、锰、磷、铬、铝和钴金属材料层。
耐磨防腐层具体包含以下成分的重量份的金属材料：铜40～46.6份、锌30.2～42.8份、锡2.4～4.5份、硅2.4～4.5份和锰1.6～3.2份。
抗金属粉化层具体包含以下成分的重量份的金属材料：碳0.02～0.08份、10～25份硅、0.4～0.8份锰、0.02份以下磷、12～22份铬、8～15份铝和6～8份钴。
一种带有梯度层的合金材料的制备方法，其创新点在于：具体步骤如下：
（1）制备基材，根据特定需要，将纯镁或纯铁加工成特定形状的试件；
（2）预制耐磨防腐层：将第一步获得的试件，通过喷涂的方式涂覆耐磨防腐层，控制涂覆的厚度为3～10mm，喷涂时间为0.3～0.6h，喷涂速度为0.5～1m/min；
（3）预制抗金属粉化层：将第二部获得的试件，自然冷却凝固后，放入不锈钢电解槽中，保证试件完全浸入到不锈钢电解槽中，且与不锈钢电解槽之间保持绝缘，施加脉冲电压的峰值为100～300V，频率为200～400HZ，控制脉冲时间为10～20min。
本实施例由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层组成，可避免应力屏蔽效应，从而增加生物相容性，其中耐磨防腐层和抗金属粉化层，更加有利于骨组织的生长，提高植入人体的生物活性，可以用于医疗领域。
实施例2
一种带有梯度层的合金材料，其创新点在于：由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层；所述基材层为纯镁或纯铁；所述耐磨防腐层为包含铜、锌、锡、硅和锰的金属材料层；所述抗金属粉化层为包括碳、硅、锰、磷、铬、铝和钴金属材料层。
耐磨防腐层具体包含以下成分的重量份的金属材料：铜42～43.8份、锌33.2～40.1份、锡2.8～3.9份、硅3.6～4.2份和锰1.9～2.6份。
抗金属粉化层具体包含以下成分的重量份的金属材料：碳0.04～0.06份、16～22份硅、0.5～0.7份锰、0.01份以下磷、15～20份铬、10～13份铝和6～8份钴。
一种带有梯度层的合金材料的制备方法，其创新点在于：具体步骤如下：
（1）制备基材，根据特定需要，将纯镁或纯铁加工成特定形状的试件；
（2）预制耐磨防腐层：将第一步获得的试件，通过喷涂的方式涂覆耐磨防腐层，控制涂覆的厚度为3～10mm，喷涂时间为0.3～0.6h，喷涂速度为0.5～1m/min；
（3）预制抗金属粉化层：将第二部获得的试件，自然冷却凝固后，放入不锈钢电解槽中，保证试件完全浸入到不锈钢电解槽中，且与不锈钢电解槽之间保持绝缘，施加脉冲电压的峰值为100～300V，频率为200～400HZ，控制脉冲时间为10～20min。
采用本实施例的方式制备的合金材料，在模拟体液的腐蚀电位时，腐蚀电位测量值比普通医用合金明显提高。
实施例3
在实施例1或2的基础之上，改变制备方法步骤中的步骤（2）中的耐磨防腐层涂覆的厚度为6mm；步骤（2）中的喷涂时间为0.4h；步骤（3）中施加脉冲电压的峰值为185V；步骤（3）中施加脉冲频率为257HZ。
采用本实施例的方式制备的合金材料，耐磨性比普通合金材料高出10～20%，抗金属粉化层的加入更加有利于骨组织的生长，提高植入人体的生物活性，可以用于医疗领域。
Claims (10)
1.一种带有梯度层的合金材料，其特征在于：由内而外依次是基材层、耐磨防腐层和抗金属粉化层；所述基材层为纯镁或纯铁；所述耐磨防腐层为包含铜、锌、锡、硅和锰的金属材料层；所述抗金属粉化层为包括碳、硅、锰、磷、铬、铝和钴金属材料层。
2.根据权利要求1所述的带有梯度层的合金材料，其特征在于：所述耐磨防腐层具体包含以下成分的重量份的金属材料：铜40～46.6份、锌30.2～42.8份、锡2.4～4.5份、硅2.4～4.5份和锰1.6～3.2份。
3.根据权利要求1所述的带有梯度层的合金材料，其特征在于：所述抗金属粉化层具体包含以下成分的重量份的金属材料：碳0.02～0.08份、10～25份硅、0.4～0.8份锰、0.02份以下磷、12～22份铬、8～15份铝和6～8份钴。
4.根据权利要求2所述的带有梯度层的合金材料，其特征在于：所述耐磨防腐层具体包含以下成分的重量份的金属材料：铜42～43.8份、锌33.2～40.1份、锡2.8～3.9份、硅3.6～4.2份和锰1.9～2.6份。
5.根据权利要求3所述的带有梯度层的合金材料，其特征在于：所述抗金属粉化层具体包含以下成分的重量份的金属材料：碳0.04～0.06份、16～22份硅、0.5～0.7份锰、0.01份以下磷、15～20份铬、10～13份铝和6～8份钴。
6.一种权利要求1所述的带有梯度层的合金材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）制备基材，根据特定需要，将纯镁或纯铁加工成特定形状的试件；
（2）预制耐磨防腐层：将步骤（1）获得的试件，通过喷涂的方式涂覆耐磨防腐层，控制涂覆的厚度为3～10mm，喷涂时间为0.3～0.6h，喷涂速度为0.5～1m/min；
（3）预制抗金属粉化层：将步骤（2）获得的试件，自然冷却凝固后，放入不锈钢电解槽中，保证试件完全浸入到不锈钢电解槽中，且与不锈钢电解槽之间保持绝缘，施加脉冲电压的峰值为100～300V，频率为200～400HZ，控制脉冲时间为10～20min。
7.根据权利要求6所述的带有梯度层的合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的耐磨防腐层涂覆的厚度为6mm。
8.根据权利要求6所述的带有梯度层的合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的喷涂时间为0.4h。
9.根据权利要求6所述的带有梯度层的合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中施加脉冲电压的峰值为185V。
10.根据权利要求6所述的带有梯度层的合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中施加脉冲频率为257HZ。
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