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医用钽丝生产工艺研究
作者:管理员    发布于:2017-07-19 08:52:19    文字:【】【】【

介绍医用钽丝的坯料提纯方法和生产工艺。采用冶金级钽粉经三次熔炼锭坯、电子轰击一次锭坯和二次熔炼锭坯3种方法提纯坯料。给出钽丝生产过程控制要点:(1)压缩率控制在12%~15%;(2)热处理温度控制在800~1100℃;(3)拉拔过程保持模具完全浸泡在润滑油中,防止温度过高产生表面增氧、增碳。经比对可知,采用二次高真空电子束熔炼得到的高纯钽坯制得的医用钽丝纯度可达99.99%,产品延伸率达20.9%,生物相容性较好,广泛应用于医疗领域。

引言

钽丝主要用于电容器和医疗领域。随着医疗科学技术的进步,特别是外科创伤技术的快速发展,对钽丝的纯度、表面质量、尺寸精度等提出了更高的要求。但国内高纯钽丝质量尚存在问题,主要是纯度水平与表面精度偏低,不能满足尖端医疗技术水平的要求,大部分高纯钽丝依靠进口。高纯难熔金属丝材的制取,其首要问题是高纯坯料的获得,而合理的加工工艺以及主要工艺参数则是获取高质量丝材的关健,笔者从提纯方法和加工工艺2方面进行了研究。

实验方法

冶金级钽粉杂质成分见表1。在210MPa的冷等静压压力机上冷压成型,选择3种实验方案。方案1是对冷压成型后的钽棒进行三次真空垂熔炉烧结,真空度保持在1×10-3Pa以上,制成25mm×800mm的坯料。方案2是冷压成型后的钽棒经600kW的高真空电子束炉进行一次熔炼提纯,然后经锻造、挤压制成25mm×800mm的坯料。方案3是对一次熔炼后的钽锭进行二次熔炼提纯,然后经锻造、挤压制成25mm×800mm的坯料。加工工艺采用高纯钽坯轧制、酸洗、退火、表面气相氧化、多模拉拔等工艺。

实验结果分析

(1)3种方法坯料提纯效果比较

对3种方案制得的高纯钽坯料进行密度测试(阿基米德定律测试方法),结果见表2;取样分析其杂质成分,见表3。

比较3种方案制得的坯料密度和杂质含量分析三次垂熔烧结、一次熔炼、二次熔炼后的坯料与原始钽粉相比,金属及非金属元素都有大幅度的下降,多次烧结对Fe等金属元素以及高熔点杂质元素提纯效果欠佳; 而高真空电子束一次熔炼坯和二次熔炼坯提纯效果更好,杂质含量更低、纯度水平最高,达到了高纯医用钽丝标准所需的99.99 的要求。真空烧结的提纯作用比电子束熔炼差,主要是由于部分气体杂质在坯条中的存在形式是以元素或化合物形态夹杂在金属的孔隙或晶粒间,一些重金属和非金属元素以固溶体形态溶解于金属中,因此在水、有机物的蒸发、坯条的收缩、孔隙的密闭过程中不易解吸和挥发,导致坯料的致密化和精炼提纯效果不好。而电子束熔炼法是难熔金属有效的提纯方法之一,它将铸造与提纯结合起来,可同时进行脱气、精炼,并且电子束熔炼易于控制、真空度高不易吸附其他杂质,污染小,对一般金属元素以及非金属元素都有较好的提纯效果。但对一些熔点或蒸气压与钽接近的金属杂质去除效果欠佳,因此表现出二次熔炼的效果比多次烧结和一次熔炼要好。

 (2)坯料对钽丝性能影响

比较3种坯料制成的钽丝样品,冶金级钽粉经多次烧结制坯和电子束熔炼制坯制作的钽丝的抗拉强度和表面硬度存在很大差异,而二次电子束熔炼坯制作的钽丝在高纯度性能方面更优良(表4)。 

分析认为,3种产品在性能上的差异与原始坯料结晶过程有非常大的关系。烧结钽棒在烧结过程中由于杂质(尤其是金属杂质) 不可能完全在其烧结过程中挥发,因此大量的杂质元素在钽的晶界处堆积,极大地抑制了钽金属的再结晶过程。而富集在晶界上的杂质相对少,晶界迁移所受阻力小,因此表现出金属纯度越高、温度越高,其结晶后的晶粒表现更大、长大的速度越快。其中二次电子束熔炼比一次熔炼大,一次熔炼比多次烧结的大。如图1、图2所示。这在后续的锻造、挤压、轧制过程中,在相同的加工量下,晶粒破碎程度更完全,表现出的加工性能更好。另一方面根据位错原理,金属的致密度越高,后续加工不易产生大量的位错,因而随金属变形量的增加,其抗变形的应力增加相比致密度差的金属而言要小,有利于金属大加工量变形,进而减少中间产品的热处理次数。此外,高纯钽金属的纯度高、再结晶温度低、速度快,在热处理时设置的温度条件相应要低,保温时间要短。  

(3)钽丝加工过程控制

医用钽丝工艺控制应注意几点:(1)医用高纯钽丝的塑性非常好,尤其是二次熔炼后的高纯钽,如果压缩率过大,会造成钽丝不均匀变形,尺寸时大时小,因此其压缩率一般在12%~15%。(2)高纯钽的再结晶温度低,因此热处理温度一般控制在800~1100℃。温度过高会导致表面晶粒长大,出现麻皮现象。在拉拔时大晶粒的破碎还会引起表面沟槽的产生。(3)高纯钽的塑性好、硬度低,极易黏附在模具上。这就要求拉拔前热处理过程要谨慎,不能让其完全再结晶或晶粒长大,在拉拔过程中要让模具完全浸泡在润滑油中,尽可能把变形过程中的热量带走,并防止温度过高产生表面增氧、增碳。

结论

采用二次高真空电子束熔炼得到的高纯钽坯,用其制得的高纯医用钽丝纯度可达99.99%,产品延伸率达20.9%,在医用领域由于其生物相容性较好而被广泛应用。


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