摘 要:通过拉伸试验和断口分析,对经熔模精密铸造得到的生物医用CoCrMo合金铸件伸长 率不合格的原因进行分析,并结合金属凝固理论,提出了相应的改进措施。结果表明:CoCrMo合 金铸件断后伸长率不合格的主要原因是铸件中存在大量的缩孔缺陷;在严格控制熔炼和浇注工艺 的基础上,通过优化铸型结构,使铸件不合格率由9.8%降低到3.1%。 

关键词:CoCrMo合金;熔模精密铸造;铸型结构;缩孔缺陷 

中图分类号:TG113                      文献标志码:A                 文章编号:1001-4012(2021)11-0010-03

生物医用材料是指以医疗为目的,与活体结合的 人工非生命材料,即“用于取代、修复活组织的天然或 人造材料”。其定义随着医用材料的快速发展而不断 改变。现在提到的生物医用材料主要指用于对生物 体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增 进其功能的新型高技术材料。金属生物医用材料的 应用历史悠久,近几年来生物医用钴基合金在临床医 疗和科研中使用广泛。钴基合金铸件具有高强度、良 好的韧性、高抗弯曲疲劳强度和优异的加工性能等优 点,以及还有许多其他医用材料不可替代的优良性 能[1-2]。但是,生物医用钴基合金铸件所处的生理环 境具有腐蚀性,这会使金属离子向周围组织扩散以及 植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用, 后者可能导致植入材料失效[3]。因此,研究和开发性 能更优、生物相容性更好的新型钴基合金生物医用材 料是医用材料研究人员不断追求的目标[4-5]。

笔者 主 要 针 对 外 科 植 入 物———骨 关 节 假 体 CoCrMo合金股骨柄铸件(见图1)因缩孔导致的力 学性能波动问题,分析其型壳的生产工艺和铸件的 浇注工艺,探索伸长率不合格的原因及降低缩孔率 的措施,以提高产品质量和生产效率。 

1 试验 

1.1 试验材料 

CoCrMo合金经真空熔炼后,采用熔模精密铸 造工艺进行浇注,采用组树工艺,每组8个型模,形 成8个股骨柄,铸模如图2所示。CoCrMo合金的 化学成分如表1所示[6]。

1.2 试验方法 

按照 GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,分别将未经热处理、经 固溶处理和固溶+时效处理的3种状态 CoCrMo 合金股骨柄铸件加工成尺寸为?8mm×10mm的 拉伸试样(标距是直径的5倍),每种状态设置两 个平行试样,分别记为0-1,0-2,1-1,1-2,2-1,2-2, 采用 MTS万能拉伸机进行拉伸试验,拉伸速度为 2mm·min-1。试验后,在拉断试样断口附近截取 高为10mm的圆柱形试样,采用PHILIP型ZEISS 扫描电镜(SEM)进行观察。

2 试验结果及分析 

2.1 拉伸试验 

不同试样的拉伸试验结果见表2。由表2可 知:经固溶处理后试样的抗拉强度均有不同程度增 加,固溶处理后试样的抗拉强度达1150MPa,固溶 +时效处理后试样的抗拉强度达1110MPa,标准 要求抗拉强度不小于600MPa;不同热处理工艺试 样的断后伸长率大都低于5%,未达到标准要求的 大于5%。因此,需要通过断口分析进一步研究断 后伸长率不合格的原因[7]。 

2.2 断口分析 

不同试样的断口SEM 形貌如图3所示。由图 3可知:0-1试样断口属于脆性断口,断口可见完整 的枝晶形貌,说明枝晶间存在原始缺陷,这些缺陷均 成为裂纹源,在拉力作用下聚集长大,导致裂纹扩展 发生断裂;1-1试样也为脆性断口,可见铸态枝晶形 貌,说明固溶处理后未能消除缺陷;2-1试样断口呈 沿晶断裂特征,晶粒明显长大,裂纹沿晶界扩展[8], 且断口局部光滑。 

图4为0-1试样不同部位的微观形貌。由图4 可知,试样边部到心部均可见大量缩孔,心部缩孔 较多。 

在铸件使用和试样拉伸试验过程中,材料中缩 孔会成为裂纹源,严重影响材料的连续性,在外力作 用下材料快速断裂失效。结合型模的制作工艺、铸 件的浇 注 工 艺,分 析 认 为 熔 模 精 密 铸 造 过 程 中 CoCrMo合金铸件产生缩孔缺陷的原因主要有以下 几个方面[9-14]。 

(1)铸件结构:铸件的壁厚不均匀,在壁厚较大 部位散热较慢,热节增多,壁厚增加致使铸孔直径变 小,铸孔石蜡受热后大大降低了铸孔表面金属的凝 固速度,导致孔壁处产生缩孔和疏松。 

(2)熔炼:炉料不干净、铁锈存在和吸潮等原因 导致金属液的含气量升高,当出炉温度和浇注温度 不稳定时,金属液流动性变差,在铸件冷却过程中气 体没能完全逸出,阻止邻近的金属液向该处流动补 缩,产生缩孔或疏松。

(3)浇注:浇注温度不稳定,温度太高导致金 属液的收缩量增加,温度太低会降低冒口的补缩能 力,采用底注式浇注系统时这种现象更明显;冒口没 有浇满,会降低冒口的补缩能力,导致铸件产生缩孔 或疏松;浇注速度偏低,浇注时间偏长,会导致金属 液温度降低较多,黏度变大,气泡难以上浮,进而增 加气孔缺陷的数量。

3 工艺改进 

综合以上分析,结合现有铸模特点及存在的问 题,考虑到试样充型和补缩困难,在严格控制熔炼和 浇注工艺的基础上,对现有铸件铸型的模头进行改 造,增加一个内浇口,模头也由二齿变为三齿,这大 大增强了冒口的补缩能力,降低了缩孔发生的概率, 改造后的铸模如图5所示。 

对CoCrMo合金铸件的制模工艺及浇注工艺 改进后,使铸件的不合格率由9.8%降到3.1%,如表3所示。铸件的合格率大大提高,生产成本明显 下降。 

4 结论 

(1)CoCrMo合金铸件断后伸长率不合格的主 要原因是铸件中存在大量缩孔缺陷。 

(2)通过增加合金铸型的内浇口,增设三齿模 头等方法,大大增强了冒口的补缩能力,使铸件的不 合格率由9.8%降到3.1%。

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<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:10-12)>