摘 要:通過拉伸試驗和斷口分析,對經(jīng)熔模精密鑄造得到的生物醫(yī)用CoCrMo合金鑄件伸長 率不合格的原因進行分析,并結(jié)合金屬凝固理論,提出了相應(yīng)的改進措施。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?，F(xiàn)在提到的生物醫(yī)用材料主要指用于對生物 體進行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增 進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度、良 好的韌性、高抗彎曲疲勞強度和優(yōu)異的加工性能等優(yōu) 點,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
1.1 試驗材料
CoCrMo合金經(jīng)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(xué)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(jīng)熱處理、經(jīng) 固溶處理和固溶+時效處理的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(jié)果及分析
2.1 拉伸試驗
不同試樣的拉伸試驗結(jié)果見表2。由表2可 知:經(jīng)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(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致裂紋擴展 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(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 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,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(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縮能 力,采用底注式澆注系統(tǒng)時這種現(xiàn)象更明顯;冒口沒 有澆滿,會降低冒口的補縮能力,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,進而增 加氣孔缺陷的數(shù)量。
3 工藝改進
綜合以上分析,結(jié)合現(xiàn)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(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行改 造,增加一個內(nèi)澆口,模頭也由二齒變?yōu)槿X,這大 大增強了冒口的補縮能力,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,大大增強了冒口的補縮能力,使鑄件的不 合格率由9.8%降到3.1%。
參考文獻:
[1] 王秀梅.生物材料[J].新型工業(yè)化,2015,5(12):37- 68.
[2] 奚廷斐.我國生物醫(yī)用材料現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國 醫(yī)療器械信息,2013,19(8):1-5.
[3] 周淑千.生物醫(yī)用材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢展望[J].新材 料產(chǎn)業(yè),2019(7):43-47.
[4] 魏利娜,甄珍,奚廷斐.生物醫(yī)用材料及其產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 [J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2018,37(1):1-5.
[5] 馬曉璇,楊曉麗.生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策 研究[J].新材料產(chǎn)業(yè),2018(2):42-45.
[6] 宗斌,王二平,魏建忠.GB/T13298—1991《金屬顯微 組織檢驗方法》的探討[J].金屬熱處理,2010,35(7): 98-100.
[7] 何偉,郭征,杜小平,等.醫(yī)用 TC4ELI鈦合金板材缺 陷分析[J].理化檢驗(物理分冊),2019,55(11):812- 814.
[8] 韓天棋,齊岳峰,王峰,等.AgCuV合金導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部 缺陷產(chǎn)生原因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2020, 56(2):35-38,51.
[9] 李文軍.發(fā)動機曲軸鑄造孔洞缺陷的分析[D].長春: 吉林大學(xué),2013.
[10] 劉宏偉.鑄鋼鑄鐵件縮孔縮松缺陷預(yù)測的數(shù)值模擬研 究及軟件開發(fā)[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2007.
[11] 趙群憲,衣延山,王勇杰.改進澆注系統(tǒng)解決鑄件縮孔 缺陷[J].現(xiàn)代鑄鐵,2012,32(4):51-54.
[12] 張玉松.離合器殼體消失模鑄件的縮孔缺陷控制[J]. 鑄造技術(shù),2011,32(9):1346-1348.
[13] 朱迎松,李毅,馮坤,等.高鉻鑄鐵耐磨襯板斷裂分析 [J].理化檢驗(物理分冊),2018,54(2):134-136,140.
[14] 忻曉霏.耐熱鑄鐵排氣支管開裂失效分析[J].理化檢 驗(物理分冊),2019,55(2):141-143.