生物醫(yī)用CoCrMo合金鑄件縮孔缺陷分析及其工藝改進(jìn)

馮雨婷, 胡曉麗, 李 強(qiáng), 盧寶柱, 馬曉東, 趙 強(qiáng), 孫玉祥, 王秀川, 張慧星

(1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300350;2.河北光德精密機(jī)械股份有限公司, 黃驊 061100)

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(duì)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(lái)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(huì)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(kāi)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(duì)外科植入物——骨關(guān)節(jié)假體CoCrMo合金股骨柄鑄件(見(jiàn)圖1)因縮孔導(dǎo)致的力學(xué)性能波動(dòng)問(wèn)題，分析其型殼的生產(chǎn)工藝和鑄件的澆注工藝，探索伸長(zhǎng)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。

圖1 CoCrMo合金股骨柄鑄件示意Fig.1 Schematic diagram of CoCrMo alloy femoral stem casting

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(shù)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]。

圖2 股骨柄鑄模示意Fig.2 Schematic diagram of femoral stem casting mold

表1 CoCrMo合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of CoCrMo alloy

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 228.1-2010《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φ8 mm×10 mm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(wàn)能拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm·min-1。試驗(yàn)后，在拉斷試樣斷口附近截取高為10 mm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(jiàn)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)1 150 MPa，固溶+時(shí)效處理后試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)1 110 MPa，標(biāo)準(zhǔn)要求抗拉強(qiáng)度不小于600 MPa；不同熱處理工藝試樣的斷后伸長(zhǎng)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(guò)斷口分析進(jìn)一步研究斷后伸長(zhǎng)率不合格的原因[7]。

表2 不同試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile test results of different samples

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(jiàn)完整的枝晶形貌，說(shuō)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(zhǎng)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(jiàn)鑄態(tài)枝晶形貌，說(shuō)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(zhǎng)大，裂紋沿晶界擴(kuò)展[8]，且斷口局部光滑。

圖3 不同試樣的拉伸斷口SEM形貌Fig.3 Tensile fracture SEM morphology of different samples:a) 0-1, low magnification; b) 1-1, low magnification; c) 2-1, low magnification; d) 0-1, high magnification;e) 1-1, high magnification; f) 2-1, high magnification

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(jiàn)大量縮孔，心部縮孔較多。

圖4 0-1試樣不同部位的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of different parts of 0-1 sample: a) side; b) center

在鑄件使用和試樣拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，材料中縮孔會(huì)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(guò)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?qū)е陆饘僖旱暮瑲饬可?，?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(guò)程中氣體沒(méi)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(huì)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(méi)有澆滿，會(huì)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(zhǎng)，會(huì)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(wèn)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(duì)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。

圖5 改進(jìn)后股骨柄鑄模示意Fig.5 Schematic diagram of improved femoral stem casting mold

對(duì)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。

表3 工藝改進(jìn)前后鑄件不合格率對(duì)比Tab.3 Comparison of casting unqualified rate before andafter process improvement

4 結(jié)論

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

(2) 通過(guò)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%。