[发明专利]假肢体锌铝合金材料

说明书

本发明属于假肢体材料，人体肢体人造代用品或取代物。

目前，假肢合金主要为钛合金或不锈钢。用钛合金生产的假肢具有质量轻、耐腐蚀和综合力学性能好等优点。但这种合金制造成本高、价格昂贵。不锈钢做为假肢合金在力学性能上虽然也能满足要求，而且其成本较钛合金低，但其比重大，给患者带来不便，患者难以接受。因此，研制和开发具有良好综合力学性能，耐腐蚀、比重小、成本低的新型假肢合金具有现实意义。

ZA27合金是一种新型铸造合金。它具有比重小、熔点低和综合力学性能好等优点，是一种良好的工程材料。特别是其良好的耐磨性使这种合金在取代锡青铜方面取得了良好的经济效益。然而，由于锌基合金易产生晶间腐蚀，产生“老化”现象，即机械性能和尺寸稳定性随时间的延续而降低，严重时导致铸件的开裂，使锌基合金的应用受到限制。尤其在潮湿气氛中，“老化”现象更为严重。为延迟“老化”现象，众多学者曾进行过大量研究，发现镁是延迟锌基合金“老化”的元素之一。但是，由于镁加入量过大会带来热脆性，而且据我们观察，含镁的ZA27合金长期在潮湿气氛中仍然有“老化”现象，故锌铝合金的“老化”仍然是一个没有根本解决的问题。这一问题成为将ZA27合金用作假肢材料的一大障碍。

本发明的目的在于克服锌铝（ZA27）合金的“老化”问题，研制开发具有良好的综合力学性能、质量小，没有老化现象、成本低的新型假肢合金材料。

本发明的内容是在ZA27合金中同时添加钛和混合稀土微量元素，提高ZA27合金抗：老化”能力，同时使其具有良好的晶体组织和力学性能，用这种合金代替钛合金和不锈钢制造部分假肢零部件。

本发明通过添加稀土和钛提高ZA27合金的耐蚀性，从而有效地解决ZA27合金的“老化”问题。同时，稀土和钛还能够使锌铝合金的晶粒细化，使枝晶的二次臂间距减小，从而显著地提高ZA27合金的力学性能，使其满足作为假肢体材料的要求。在实验的基础上，确定ZA27假肢体合金的化学成分为（见表1）：

表1    ZA27假肢体合金化学成分

元素    含量（wt%）

Al    26-28

Cu    1.5-2.5

Mg    0.07-0.15

Ti    0.10-0.25

RE    0.10-0.15

Zn    余量

这种新型ZA27合金与普通ZA27合金相比较，其机械性能、耐磨性能、耐蚀性能分别列于表2至表4。这些数据表明，新型ZA27合金与普通ZA27合金相比，机械性能相近，耐磨性能和耐蚀性能有大幅度提高。

表2    ZA27合金机械性能

合金种类    普通ZA27    新型ZA27

σb（MPa）    350.5    497.0

δ（%）    7.5    3.8

HB    104.6    111.3

aK（J/cm²） 7.5 5.0

新型ZA27合金作为假肢体材料与钛合金假肢体材料（TA7）相比更耐水蒸汽腐蚀（见表5），与不锈钢假肢体材料（R45）相比具有质量轻的优点（见表6）。特别是这种合金优良的耐磨性和低成本（不足钛合金的十分之一），使这种合金成为替代不锈钢和钛合金用作假肢体生产的良好材料。

本发明生产的部分假肢体零件见附图1，其化学成分为含铝

表3    ZA27合金润滑条件下耐磨性能

合金种类    普通ZA27    新型ZA27

试样硬度（HB）    104.6    111.3

对磨副硬度（HB）    226    226

润滑油    中极压油    中极压油磨损率（mg/10⁶cm） 15.67 1.19

磨擦系数（μ）    0.216    0.108

表4 ZA27合金在95℃水蒸汽介质中增重（mg/cm³）

合金种类 增重（mg/cm³）

普通ZA27    2.40

新型ZA27    0.29

表5    新型ZA27和TA7在95℃水蒸汽介质中增重

合金 增重（mg/cm³）

TA7    0.37

ZA27    0.29

表6    三种合金的比重

合金 比重（g/cm³）

R45    7.68