摘 要:通過拉伸試驗和斷口分析,對經熔模精密鑄造得到的生物醫用CoCrMo合金鑄件伸長 率不合格的原因進行分析,并結合金屬凝固理論,提出了相應的改進措施。結果表明: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;在嚴格控制熔煉和澆注工藝 的基礎上,通過優化鑄型結構,使鑄件不合格率由9.8%降低到3.1%。
關鍵詞:CoCrMo合金;熔模精密鑄造;鑄型結構;縮孔缺陷
中圖分類號:TG113 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)11-0010-03
生物醫用材料是指以醫療為目的,與活體結合的 人工非生命材料,即“用于取代、修復活組織的天然或 人造材料”。其定義隨著醫用材料的快速發展而不斷 改變。現在提到的生物醫用材料主要指用于對生物 體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增 進其功能的新型高技術材料。金屬生物醫用材料的 應用歷史悠久,近幾年來生物醫用鈷基合金在臨床醫 療和科研中使用廣泛。鈷基合金鑄件具有高強度、良 好的韌性、高抗彎曲疲勞強度和優異的加工性能等優 點,以及還有許多其他醫用材料不可替代的優良性 能[1-2]。但是,生物醫用鈷基合金鑄件所處的生理環 境具有腐蝕性,這會使金屬離子向周圍組織擴散以及 植入材料自身性質的退變,前者可能導致毒副作用, 后者可能導致植入材料失效[3]。因此,研究和開發性 能更優、生物相容性更好的新型鈷基合金生物醫用材 料是醫用材料研究人員不斷追求的目標[4-5]。
筆者 主 要 針 對 外 科 植 入 物———骨 關 節 假 體 CoCrMo合金股骨柄鑄件(見圖1)因縮孔導致的力 學性能波動問題,分析其型殼的生產工藝和鑄件的 澆注工藝,探索伸長率不合格的原因及降低縮孔率 的措施,以提高產品質量和生產效率。
1 試驗
1.1 試驗材料
CoCrMo合金經真空熔煉后,采用熔模精密鑄 造工藝進行澆注,采用組樹工藝,每組8個型模,形 成8個股骨柄,鑄模如圖2所示。CoCrMo合金的 化學成分如表1所示[6]。
1.2 試驗方法
按照 GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,分別將未經熱處理、經 固溶處理和固溶+時效處理的3種狀態 CoCrMo 合金股骨柄鑄件加工成尺寸為?8mm×10mm的 拉伸試樣(標距是直徑的5倍),每種狀態設置兩 個平行試樣,分別記為0-1,0-2,1-1,1-2,2-1,2-2, 采用 MTS萬能拉伸機進行拉伸試驗,拉伸速度為 2mm·min-1。試驗后,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)進行觀察。
2 試驗結果及分析
2.1 拉伸試驗
不同試樣的拉伸試驗結果見表2。由表2可 知:經固溶處理后試樣的抗拉強度均有不同程度增 加,固溶處理后試樣的抗拉強度達1150MPa,固溶 +時效處理后試樣的抗拉強度達1110MPa,標準 要求抗拉強度不小于600MPa;不同熱處理工藝試 樣的斷后伸長率大都低于5%,未達到標準要求的 大于5%。因此,需要通過斷口分析進一步研究斷 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,導致裂紋擴展 發生斷裂;1-1試樣也為脆性斷口,可見鑄態枝晶形 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過程中,材料中縮 孔會成為裂紋源,嚴重影響材料的連續性,在外力作 用下材料快速斷裂失效。結合型模的制作工藝、鑄 件的澆 注 工 藝,分 析 認 為 熔 模 精 密 鑄 造 過 程 中 CoCrMo合金鑄件產生縮孔缺陷的原因主要有以下 幾個方面[9-14]。
(1)鑄件結構:鑄件的壁厚不均勻,在壁厚較大 部位散熱較慢,熱節增多,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,導致孔壁處產生縮孔和疏松。
(2)熔煉:爐料不干凈、鐵銹存在和吸潮等原因 導致金屬液的含氣量升高,當出爐溫度和澆注溫度 不穩定時,金屬液流動性變差,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補 縮,產生縮孔或疏松。
(3)澆注:澆注溫度不穩定,溫度太高導致金 屬液的收縮量增加,溫度太低會降低冒口的補縮能 力,采用底注式澆注系統時這種現象更明顯;冒口沒 有澆滿,會降低冒口的補縮能力,導致鑄件產生縮孔 或疏松;澆注速度偏低,澆注時間偏長,會導致金屬 液溫度降低較多,黏度變大,氣泡難以上浮,進而增 加氣孔缺陷的數量。
3 工藝改進
綜合以上分析,結合現有鑄模特點及存在的問 題,考慮到試樣充型和補縮困難,在嚴格控制熔煉和 澆注工藝的基礎上,對現有鑄件鑄型的模頭進行改 造,增加一個內澆口,模頭也由二齒變為三齒,這大 大增強了冒口的補縮能力,降低了縮孔發生的概率, 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,生產成本明顯 下降。
4 結論
(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澆口,增設三齒模 頭等方法,大大增強了冒口的補縮能力,使鑄件的不 合格率由9.8%降到3.1%。
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