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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。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,前者可能導致毒副作用，后者可能導致植入材料失效。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。

 

     來自天津中德應(yīng)用技術(shù)大學機械工程學院和河北光德精密機械股份有限公司的馮雨婷、 胡曉麗、李強等研究人員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)因縮孔導致的力學性能波動問題，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。

 

 

圖1 CoCrMo合金股骨柄鑄件示意

 

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。

 

 

圖2 股骨柄鑄模示意

 

1.2 試驗方法

 

    按照GB/T 228.1—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1。

 

表1 不同試樣的拉伸試驗結(jié)果

 

 

     由表1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。

 

2.2 斷口分析

 

 

圖3 不同試樣的拉伸斷口SEM形貌

 

     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(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，且斷口局部光滑。

 

 

圖4 0-1試樣不同部位的微觀形貌

 

     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(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。

 

    (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?，當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。

 

 

圖5 改進后股骨柄鑄模示意

 

     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2所示。鑄件的合格率大大提高，生產(chǎn)成本明顯下降。

 

表2 工藝改進前后鑄件不合格率對比

 

 

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%。

 

作者：馮雨婷1，胡曉麗1，李 強2，盧寶柱2，馬曉東2，趙強2，孫玉祥2，王秀川2，張慧星1

單位：1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學 機械工程學院；2.河北光德精密機械股份有限公司

來源：《理化檢驗-物理分冊》2021年第11期