摘 要:通過拉伸試驗(yàn)和斷口分析,對經(jīng)熔模精密鑄造得到的生物醫(yī)用CoCrMo合金鑄件伸長 率不合格的原因進(jìn)行分析,并結(jié)合金屬凝固理論,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。結(jié)果表明:CoCrMo合 金鑄件斷后伸長率不合格的主要原因是鑄件中存在大量的縮孔缺陷;在嚴(yán)格控制熔煉和澆注工藝 的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化鑄型結(jié)構(gòu),使鑄件不合格率由9.8%降低到3.1%。

關(guān)鍵詞:CoCrMo合金;熔模精密鑄造;鑄型結(jié)構(gòu);縮孔缺陷

中圖分類號:TG113 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)11-0010-03

生物醫(yī)用材料是指以醫(yī)療為目的,與活體結(jié)合的 人工非生命材料,即“用于取代、修復(fù)活組織的天然或 人造材料”。其定義隨著醫(yī)用材料的快速發(fā)展而不斷 改變。現(xiàn)在提到的生物醫(yī)用材料主要指用于對生物 體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增 進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料。金屬生物醫(yī)用材料的 應(yīng)用歷史悠久,近幾年來生物醫(yī)用鈷基合金在臨床醫(yī) 療和科研中使用廣泛。鈷基合金鑄件具有高強(qiáng)度、良 好的韌性、高抗彎曲疲勞強(qiáng)度和優(yōu)異的加工性能等優(yōu) 點(diǎn),以及還有許多其他醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性 能[1-2]。但是,生物醫(yī)用鈷基合金鑄件所處的生理環(huán) 境具有腐蝕性,這會使金屬離子向周圍組織擴(kuò)散以及 植入材料自身性質(zhì)的退變,前者可能導(dǎo)致毒副作用, 后者可能導(dǎo)致植入材料失效[3]。因此,研究和開發(fā)性 能更優(yōu)、生物相容性更好的新型鈷基合金生物醫(yī)用材 料是醫(yī)用材料研究人員不斷追求的目標(biāo)[4-5]。

筆者 主 要 針 對 外 科 植 入 物———骨 關(guān) 節(jié) 假 體 CoCrMo合金股骨柄鑄件(見圖1)因縮孔導(dǎo)致的力 學(xué)性能波動(dòng)問題,分析其型殼的生產(chǎn)工藝和鑄件的 澆注工藝,探索伸長率不合格的原因及降低縮孔率 的措施,以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

CoCrMo合金經(jīng)真空熔煉后,采用熔模精密鑄 造工藝進(jìn)行澆注,采用組樹工藝,每組8個(gè)型模,形 成8個(gè)股骨柄,鑄模如圖2所示。CoCrMo合金的 化學(xué)成分如表1所示[6]。

1.2 試驗(yàn)方法

按照 GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,分別將未經(jīng)熱處理、經(jīng) 固溶處理和固溶+時(shí)效處理的3種狀態(tài) CoCrMo 合金股骨柄鑄件加工成尺寸為?8mm×10mm的 拉伸試樣(標(biāo)距是直徑的5倍),每種狀態(tài)設(shè)置兩 個(gè)平行試樣,分別記為0-1,0-2,1-1,1-2,2-1,2-2, 采用 MTS萬能拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為 2mm·min-1。試驗(yàn)后,在拉斷試樣斷口附近截取 高為10mm的圓柱形試樣,采用PHILIP型ZEISS 掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

不同試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可 知:經(jīng)固溶處理后試樣的抗拉強(qiáng)度均有不同程度增 加,固溶處理后試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)1150MPa,固溶 +時(shí)效處理后試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)1110MPa,標(biāo)準(zhǔn) 要求抗拉強(qiáng)度不小于600MPa;不同熱處理工藝試 樣的斷后伸長率大都低于5%,未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的 大于5%。因此,需要通過斷口分析進(jìn)一步研究斷 后伸長率不合格的原因[7]。

2.2 斷口分析

不同試樣的斷口SEM 形貌如圖3所示。由圖 3可知:0-1試樣斷口屬于脆性斷口,斷口可見完整 的枝晶形貌,說明枝晶間存在原始缺陷,這些缺陷均 成為裂紋源,在拉力作用下聚集長大,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展 發(fā)生斷裂;1-1試樣也為脆性斷口,可見鑄態(tài)枝晶形 貌,說明固溶處理后未能消除缺陷;2-1試樣斷口呈 沿晶斷裂特征,晶粒明顯長大,裂紋沿晶界擴(kuò)展[8], 且斷口局部光滑。

圖4為0-1試樣不同部位的微觀形貌。由圖4 可知,試樣邊部到心部均可見大量縮孔,心部縮孔 較多。

在鑄件使用和試樣拉伸試驗(yàn)過程中,材料中縮 孔會成為裂紋源,嚴(yán)重影響材料的連續(xù)性,在外力作 用下材料快速斷裂失效。結(jié)合型模的制作工藝、鑄 件的澆 注 工 藝,分 析 認(rèn) 為 熔 模 精 密 鑄 造 過 程 中 CoCrMo合金鑄件產(chǎn)生縮孔缺陷的原因主要有以下 幾個(gè)方面[9-14]。

(1)鑄件結(jié)構(gòu):鑄件的壁厚不均勻,在壁厚較大 部位散熱較慢,熱節(jié)增多,壁厚增加致使鑄孔直徑變 小,鑄孔石蠟受熱后大大降低了鑄孔表面金屬的凝 固速度,導(dǎo)致孔壁處產(chǎn)生縮孔和疏松。

(2)熔煉:爐料不干凈、鐵銹存在和吸潮等原因 導(dǎo)致金屬液的含氣量升高,當(dāng)出爐溫度和澆注溫度 不穩(wěn)定時(shí),金屬液流動(dòng)性變差,在鑄件冷卻過程中氣 體沒能完全逸出,阻止鄰近的金屬液向該處流動(dòng)補(bǔ) 縮,產(chǎn)生縮孔或疏松。

(3)澆注:澆注溫度不穩(wěn)定,溫度太高導(dǎo)致金 屬液的收縮量增加,溫度太低會降低冒口的補(bǔ)縮能 力,采用底注式澆注系統(tǒng)時(shí)這種現(xiàn)象更明顯;冒口沒 有澆滿,會降低冒口的補(bǔ)縮能力,導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔 或疏松;澆注速度偏低,澆注時(shí)間偏長,會導(dǎo)致金屬 液溫度降低較多,黏度變大,氣泡難以上浮,進(jìn)而增 加氣孔缺陷的數(shù)量。

3 工藝改進(jìn)

綜合以上分析,結(jié)合現(xiàn)有鑄模特點(diǎn)及存在的問 題,考慮到試樣充型和補(bǔ)縮困難,在嚴(yán)格控制熔煉和 澆注工藝的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)有鑄件鑄型的模頭進(jìn)行改 造,增加一個(gè)內(nèi)澆口,模頭也由二齒變?yōu)槿X,這大 大增強(qiáng)了冒口的補(bǔ)縮能力,降低了縮孔發(fā)生的概率, 改造后的鑄模如圖5所示。

對CoCrMo合金鑄件的制模工藝及澆注工藝 改進(jìn)后,使鑄件的不合格率由9.8%降到3.1%,如表3所示。鑄件的合格率大大提高,生產(chǎn)成本明顯 下降。

4 結(jié)論

(1)CoCrMo合金鑄件斷后伸長率不合格的主 要原因是鑄件中存在大量縮孔缺陷。

(2)通過增加合金鑄型的內(nèi)澆口,增設(shè)三齒模 頭等方法,大大增強(qiáng)了冒口的補(bǔ)縮能力,使鑄件的不 合格率由9.8%降到3.1%。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>57卷>11期(pp:10-12)>