CN105132843B - 一种提高金属材料弹性变形能力的磁处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高金属材料弹性变形能力的磁处理方法，主要是通过磁场处理降低材料弹性模量，进而提高材料变形能力，属于材料制备技术领域，该方法是在室温的环境下对金属材料进行静磁场处理，目的在于提高金属材料的弹性变形能力，使用该方法后可减小材料使用中的应力遮挡效应，提高金属材料特别是铝、镁、钛合金的生物力学相容性。
Description
技术领域
本发明涉及高弹性变形能力金属材料的制备技术领域，主要是通过一种静磁场处理方法来提高金属材料的弹性变形能力。
背景技术
近几十年来，许多的金属材料因为具有较高的机械强度、弹性和良好的加工性能，被广泛地应用于生物医学领域，例如在修复和替代骨组织方面起着非常重要的作用，现有的能够应用于医学领域的金属生物材料有不锈钢、镍钴铬合金、钛合金和镁合金等，但是这些金属生物材料的弹性模量普遍较大，与骨弹性模量的10～20GPa和牙本质弹性模量的0～15GPa相比，普遍偏大，与骨不能良好的匹配而造成应力遮挡效应，使骨的生长和重塑得不到应有的刺激和强化，使骨骼强度降低，愈合迟缓，因此，急待研究一种一定范围内降低金属生物材料弹性模量的处理方法，使得金属材料的生物相容性得到提高，更好地与人体骨骼相匹配。
从现有的技术来看，金属材料的弹性模量主要与其本身的化学成分有关，目前改变金属材料弹性模量的方法多数是通过热处理、合金化等影响金属的键合强度来实现的；经文献检索发现：现有提高金属材料的弹性变形能力（减小弹性模量）的专利有：中国专利：一种低弹性模量的铸造钛合金CN200910248863.X，采用常用的铸造或锻造的方法来改变合金本身的化学成分，使钛合金的弹性模量减小；中国专利：TiO2纳米复合强化低弹性模量钛合金的制备方法CN201410838700.8，通过钛合金表面构型设计,控制外加纳米级TiO2粒子的分布,结合搅拌摩擦表面处理技术对低弹性模量Ti35Nb3Zr2Ta(wt％)钛合金进行强塑性表面改性,来制备新型TiO2纳米复合强化低弹性模量医用钛合金；中国专利CN200510027155.5，主要提供一种纳米化降低钛和钛合金弹性模量的方法；中国专利：一种低弹性模量高强度钛合金及其制备方法CN201110432126.2，采用真空自耗/非自耗电弧炉熔炼成Ti-Nb-Zr(Hf)铸锭,将铸锭进行均匀化处理后开坯锻造,然后进行中间锻造,逐渐从1000℃降温至900℃,锻成中间板坯,板坯进行固溶处理,冷却,获得具有一定比例斜方马氏体相和残余β相的组织；冷轧,变形量大于60％,获得弹性模量为50～60GPa,室温下轧制方向抗拉强度超过850MPa，延伸率6～15％的低弹模高强钛合金板材，该方法对降低材料的弹性模量具有一定的局限性；中国专利 CN201410036212.5，主要提供一种不同的热处理来降低钛合金弹性模量的方法，而且其方法仅限于亚稳β钛合金，对其他金属材料同样有局限性，以上几种降低金属材料弹性模量的方法的研究对象都是钛合金，现有文献对其他种类金属、合金及其复合材料弹性模量参数的研究较少；本发明提供一种降低多种金属材料弹性模量的方法，意在提高金属材料的弹性变形能力。
弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来看，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是反映了原子、离子或分子之间的键合强度，凡是影响键合强度的因素均可以影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等，由此想到，如果找到一种新方法能够改变金属材料的晶体结构，通过影响键合强度来降低材料的弹性模量，则有望达到提高金属材料弹性变形能力的目的，本发明以强静磁场作为材料改性方法，将金属晶体置于强静磁场中处理一定时间，起到了改变晶体微观结构状态和键合强度的作用，有助于降低材料弹性模量、提高材料弹性变形能力。
本发明利用强静磁场对试样进行一定参数下的处理，促使金属材料微观结构发生变化，针对利用强静磁场降低金属材料的弹性模量的研究方法，文献检索表明目前未见相关报道，发明开辟了一条提高金属材料弹性变形能力的可行性途径，与其他降低弹性模量的方法相比，具有成本低、效率高、通用性好的优势，“成本低”是指不需要改变材料的成分和温度状态等，“效率高”体现在磁场短时处理就可达到作用效果，弹性模量降低幅度20~30%，弹性变形能力提高，“通用性好”是指该方法可适用于常规的金属材料，比如铝、镁和钛合金等。
发明内容
本发明主要内容是在室温条件下，对金属材料进行静磁场一定时间内的持续处理，引发材料微观结构发生变化，主要表现为原子间结合键能降低，磁场处理后的材料弹性模量减小，弹性变形能力提高，是一种提高金属材料弹性变形能力的新方法。
本方明的目的是通过以下技术方案来实现的：
对已经完成热处理、变形和机加工后的金属材料在室温条件下进行强静磁场处理，即将已经定型定尺后的金属材料制成的试样或零件放入静磁场进行一定时间的处理，磁场处理参数主要包括：磁感应强度和处理时间，根据不同的材料选择不同的磁场处理参数，研究表明：能起到作用的磁感应强度范围为0.5~15T，磁场处理时间为10~400s，低于范围下限时起不到预期作用，高于范围上限时磁场作用效果趋于饱和，该范围内随着参数值增加，磁场作用效果增加，综合来看，与磁场处理前的值相比，磁场处理后材料弹性模量下降幅度在20~30%。
所述的金属材料为Al、Mg或Ti的合金材料。
与现有的技术相比，本发明具有以下特点和效果：
1)本发明不需要改变材料成分，也不需要热处理、塑性加工等，相比于与这些常规降
低弹性模量的方法，本发明所提供的处理方法在具有低消耗的同时，对材料尺寸、强度和塑性的影响小，而弹性模量却有显著下降，因此本发明提供的材料改性方法具有低成本、高质量的优势；
2）本发明涉及的处理方法能适用于多种不同的铝、镁、钛系合金组成的金属材料，而现有的发明大多局限于钛和钛合金，因此本发明在金属材料中具有普遍适应性；
3）强静磁场作为电磁场的一种重要形式，具有材料电磁加工的共同优势，即高效率、无污染，本发明要求的磁场处理时间短，因此兼有低成本的优势。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
实施实例一：静磁场处理提高2024铝合金的弹性变形能力
2024是一种形变铝合金，将商品供应的2024铝合金（3.04%Cu，0.556%Mg,0.513%Mn,余量为Al）棒材加工成标准拉伸试样，在室温条件下将试样置于强静磁场设备进行处理，磁感应强度为1T，磁场处理时间为25s，对磁场处理前后的试样进行拉伸性能比较，结果表明：处理前铝合金试样的弹性模量为70GPa，处理后铝合金试样的弹性模量为56GPa，降低了14GPa，降幅20%，该实施例说明静磁场处理后的2024铝合金的弹性模量下降明显，弹性变形能力提高明显。
实施实例二：静磁场处理提高TC4钛合金的弹性变形能力
将商品供应的TC4钛合金（6.2%Al，3.8%V，余量为Ti）加工成标准拉伸试样，在室温条件下将试样置于强静磁场设备进行处理，磁感应强度6T，磁场处理时间200s，对磁场处理前后的试样进行拉伸性能比较，结果表明：处理前试样的弹性模量为110GPa，处理后试样的弹性模量为83GPa，降低了27GPa，降幅24.5%，该实施例说明静磁场处理后的TC4钛合金的弹性模量下降明显，弹性变形能力提高明显。
实施实例三：静磁场处理提高AZ31镁合金的弹性变形能力
将商品供应的AZ31镁合金（Al 3.19%,Zn0.81%，Mn0.334%，余量为Mg）加工成标准拉伸试样，在室温条件下将试样置于强静磁场设备进行处理，磁感应强度14T，磁场处理时间380s，对磁场处理前后的试样进行拉伸性能比较，结果表明：处理前试样的弹性模量为45GPa，处理后试样的弹性模量为32GPa，降低了13GPa，降幅28.9%，该实施例说明静磁场处理后的AZ31镁合金的弹性模量下降明显，弹性变形能力提高明显。
Claims (1)
1.一种提高金属材料弹性变形能力的磁处理方法，其特征在于：在室温条件下对金属材料施加一定时间的强静磁场，处理后的材料弹性模量减小、弹性变形能力提高，具体步骤如下：将商品供应的TC4钛合金加工成标准拉伸试样，所述TC4钛合金的成份含量为：6.2％Al，3.8％V，余量为Ti，在室温条件下将试样置于强静磁场设备进行处理，磁感应强度6T，磁场处理时间200s，对磁场处理前后的试样进行拉伸性能比较，结果表明：处理前试样的弹性模量为110GPa，处理后试样的弹性模量为83GPa，降低了27GPa，降幅24.5％；或将商品供应的AZ31镁合金加工成标准拉伸试样，所述AZ31镁合金的成份含量为：Al 3.19％,Zn0.81％，Mn0.334％，余量为Mg，在室温条件下将试样置于强静磁场设备进行处理，磁感应强度14T，磁场处理时间380s，对磁场处理前后的试样进行拉伸性能比较，结果表明：处理前试样的弹性模量为45GPa，处理后试样的弹性模量为32GPa，降低了13GPa，降幅28.9％。
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