含铌锆合金酸洗研究

2021-04-05张永刚杨晓康乔军伟

中国金属通报 2021年1期

张永刚，杨晓康，乔军伟，王海

（1西安建筑科技大学，陕西西安 710000；2西安赛特思迈钛业股份有限公司，陕西西安 710000）

锆合金由于其优异的力学性能，耐腐蚀性能，良好的机械加工性能，生物相容性，同时弹性模量接近于自然骨，被广泛用于外科植入领域，在医学上，锆合金制成膝关节和髋关节植入物，可减低摩擦，增加耐磨性，同时保持整体性能（可制造性、断裂韧性和延展性），为医疗植入提供了良好的解决方案[1]。锆合金用于医用材料，外观质量是影响其应用的主要因素之一，在实际生产过程中，锆合金成品酸洗过程中，表面易出现较严重的色斑和色差等表面质量问题，本文通过化学溶解方法和紫光可见分光光度计研究、分析了锆合金酸洗残留物的构成，找出了彻底清除含铌锆合金酸洗残留物的方法。

1 试验材料、试剂及仪器

1.1 试验材料及规格

本试验选用Zr-Nb系锆合金，99.95%锡箔，99.95%铌箔，99.95%铁屑，99.95%铬箔作为试验材料，Zr-Nb系锆合金其成分如表1所示。

表1 锆合金板材成分及其含量

1.2 酸洗试剂

40%工业氢氟酸，68%工业硝酸。

1.3 仪器

紫外可见分光光度计

2 酸洗与酸洗残留物宏观分析

使用不同浓度的酸洗液（2%~10%氢氟酸，20%~40%硝酸，余量水）分别与锆合金进行反应，酸洗后在空气中滞留30s后转移至水中冲洗，观察酸洗残留物。发现锆合金表面存在白色物质疑似氟化物残留[2]，如图1。

图1 锆合金板材酸洗残留物

该残留物状态稳定，采用擦拭的方法不能消除。将酸洗残留物置于热水、氢氟酸、硝酸、或氢氟酸和硝酸混合酸液中再清洗10s，观察酸洗残留物去除情况。经热水清洗后残留物不溶解，无法去除；经氢氟酸和硝酸混合酸液清洗后不易去除干净；该残留物经氢氟酸处理，可溶解，但又会继续生成；经硝酸清洗后，白色残留物被有效去除，无任何痕迹，且其他部位表面光洁度也显著提高，如图2。

图3 氢氟酸与Sn、Nb、Fe、Cr的反应

图2 经硝酸处理的锆合金板材

根据文献资料[3]，经进一步研究发现，使用浓度为10%~68%的硝酸均可去除锆合金酸洗后表面酸斑等酸洗残留物，硝酸浓度为20%~25%时去除效果最佳。

3 酸洗残留物构成化学分析

使用氢氟酸分别与锡箔、铌箔、铁屑、铬箔进行反应4h，观察酸洗残留物。

图3中为锡、铌、铁、铬分别与10mL氢氟酸（40%）反应4h后的照片。锡几乎不与氢氟酸反应，其表面生成一层致密氟化锡，阻止了氢氟酸进一步反应；铌与氢氟酸反应非常缓慢，反应产物为黑色的氟化铌，不溶于氢氟酸；铁与氢氟酸反应很缓慢，反应产物为黄色的氟化铁，微溶于氢氟酸；铬与氢氟酸反应比较缓慢，反应产物为深蓝色的氟化铬，且反应产物体积明显膨大，分析实际为氟化铬的水合物，不溶于氢氟酸。

经研究发现，锆合金表面酸斑等酸洗残留物依据其颜色分别为：白色酸洗残留物主要应为氟化锆，黄色酸洗残留物主要应为氟化铁，蓝色酸洗残留物主要应为氟化铬。