喬 鎮(zhèn),賀 娟,黃永玲,李國華

(1北京百慕航材高科技股份有限公司,北京100095;2中國礦業(yè)大學機電與信息工程學院,北京100083)

鈷鉻鉬多孔關節(jié)燒結(jié)工藝的研究

喬 鎮(zhèn)1,賀 娟1,黃永玲2,李國華2

(1北京百慕航材高科技股份有限公司,北京100095;2中國礦業(yè)大學機電與信息工程學院,北京100083)

研究了鈷鉻鉬合金關節(jié)與珠粒燒結(jié)時不同冷卻制度對零件組織和性能的影響。即A組鑄件按照原生產(chǎn)工藝經(jīng)固溶處理后,進行1280℃高溫真空燒結(jié),爐冷;B組鑄件直接進行1280℃高溫真空燒結(jié),隨爐冷卻至1200℃充入氬氣快速冷卻至室溫;C組鑄件于鑄模中緩慢冷卻后不進行熱處理;D組鑄件進行1200～1240℃固溶處理,油冷;彼此作為對照組。結(jié)果表明:B組鈷鉻鉬合金關節(jié)鑄件不經(jīng)過固溶處理直接進行高溫燒結(jié),隨后采用沖入氬氣方式快速冷卻至室溫,其獲得的產(chǎn)品顯微組織中M23C6碳化物強化相呈細小質(zhì)點狀均勻分布于基體,滿足了力學性能技術要求。該工藝具有降低關節(jié)生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的現(xiàn)實意義。

鈷鉻鉬合金;人工關節(jié);燒結(jié)工藝

鈷鉻鉬合金多孔層人工髖關節(jié)已經(jīng)應用于臨床20多年,臨床跟蹤表明,多孔層人工髖關節(jié)假體是一個療效顯著的產(chǎn)品[1,2],目前在國內(nèi)臨床應用非常廣泛。由于多孔層的珠粒與珠粒之間形成三維聯(lián)通孔隙,提供人體骨細胞在孔隙內(nèi)生長的良好條件,使松質(zhì)的骨組織在手術后逐漸長入微孔中,數(shù)周后新生骨組織和整個關節(jié)會結(jié)合成一體[3],使股骨與骨柄之間形成嵌鎖性結(jié)合,明顯提高了兩者的結(jié)合強度,有利于臨床的遠期療效[4-7]。

關節(jié)上的多孔層是以高溫燒結(jié)或擴散焊方式獲得的,而其燒結(jié)溫度必須控制在一定范圍內(nèi),才能夠使得多孔層結(jié)構具有合適的結(jié)合強度,而又保證珠粒間的孔徑尺寸(生產(chǎn)實踐證明,燒結(jié)溫度應該控制在1270～1285℃內(nèi))。在這一燒結(jié)過程中對于基體而言,相當于對關節(jié)鑄件進行了一次高溫擴散均勻化熱處理,即便對產(chǎn)品的力學性能產(chǎn)生某些影響,如同梁芳慧等人的研究[8]指出:鑄造鈷鉻鉬合金股骨柄經(jīng)高溫燒結(jié)后,其室溫力學性能有所下降。但就本實驗結(jié)果表明,力學性能下降,應歸結(jié)于燒結(jié)時冷卻速率不當所至。同理,由于鑄件在鑄模中緩慢冷卻后性能較差,且易出現(xiàn)性能不穩(wěn)定現(xiàn)象,目前生產(chǎn)所采用的毛坯件的交貨狀態(tài)均在鑄造后進行了1200～1240℃、油冷的固溶處理。這樣,燒結(jié)多孔層關節(jié)的基體材料相當于經(jīng)歷了2次高溫熱處理,周期較長,并造成力學性能下降[9]。為此,本研究主要探討了多孔關節(jié)的燒結(jié)工藝,對其關節(jié)鑄件省略一次交貨狀態(tài)的高溫固溶處理,將這兩次高溫速冷處理合并到燒結(jié)工藝中。旨在燒結(jié)多孔層珠粒的同時,使得產(chǎn)品的力學性能滿足技術條件要求具有可能性。

1 實驗材料及方法

本研究采用同一爐批鈷鉻鉬合金關節(jié)鑄件(未進行固溶處理),化學成分符合標準 YY0117.3行業(yè)標準[10]要求。將鑄件分為A,B,C,D組:A組鑄件按照原生產(chǎn)工藝經(jīng)鑄造、固溶處理后,進行高溫真空燒結(jié),燒結(jié)溫度為1280℃,爐冷;B組鑄件直接進行高溫真空燒結(jié),燒結(jié)溫度同為1280℃,隨爐冷卻至1200℃充入氬氣速冷至室溫;C組鑄件不進行熱處理;D組鑄件進行1200～1240℃固溶處理,油冷,彼此作為對照組。

力學性能拉伸試樣取樣部位按 YY 0117.3行業(yè)標準[10]要求,按北京航空材料研究院標準圖號2591-S030進行加工,采用 INSTRON 4057萬能材料試驗機測試其室溫拉伸性能。金相試樣采用φ10mm×10mm圓柱試樣,樣品經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后,采用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察了各組試樣的顯微組織。腐蝕劑方法為 K3[Fe(CN)6]六氰合鐵酸鉀(鐵氰化鉀)10g,KOH氫氧化鉀10g,加100mL水溶解并煮沸至完全溶解,腐蝕時間為30～40s。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 冷卻方式對鈷鉻鉬合金力學性能的影響

表1為鈷鉻鉬合金鑄態(tài)、固溶處理及不同燒結(jié)工藝后的力學性能測試結(jié)果。由表1可以看出,取自A組燒結(jié)態(tài)關節(jié)及C組鑄態(tài)關節(jié)的試樣,其力學性能測試結(jié)果均出現(xiàn)了低于行業(yè)標準技術要求,而取自B組燒結(jié)態(tài)關節(jié)的試樣和D組固溶處理后的試樣,力學性能全部高于行業(yè)標準要求。與C組鑄態(tài)關節(jié)相比,B組燒結(jié)態(tài)關節(jié)的強度及塑性均有顯著提高,其中伸長率提高了1倍以上,抗拉強度提高了10%。雖然A組燒結(jié)態(tài)試樣的伸長率及強度也有小幅提高,除屈服強度滿足技術要求外,其余兩項力學性能指標均在合格線以下。燒結(jié)B組采用充入氬氣方式加速快冷,改善力學性能的效果明顯。表1的性能測試結(jié)果表明:鑄件毛坯不經(jīng)過固溶處理,直接進行高溫真空燒結(jié),將對基體的固溶處理合并到燒結(jié)工藝中,隨后采用充入氬氣速冷的方式替代爐冷,加快冷速的燒結(jié)工藝是可行的,所生產(chǎn)的產(chǎn)品可以滿足力學性能的技術要求,且性能比原燒結(jié)工藝的產(chǎn)品有所提高。

表1 鈷鉻鉬合金關節(jié)不同熱處理和燒結(jié)工藝下的力學性能Table 1 Mechanical properties of Co-Cr-Mo alloy with different heat treatments and sintering processes

2.2 冷卻方式對鈷鉻鉬合金組織的影響

經(jīng)X射線衍射分析表明,醫(yī)用鈷鉻鉬合金組織中包含的二次相主要為Cr23C6型碳化物,同時還發(fā)現(xiàn)少量的金屬間化合物Co3Mo存在,如圖1所示。

圖1 鈷鉻鉬合金關節(jié)X射線衍射分析結(jié)果Fig.1 The XRD patterns of Co-Cr-Mo alloy joint

圖2為鈷鉻鉬合金關節(jié)鑄態(tài)、固溶處理組織及不同燒結(jié)工藝后的組織形貌。其中圖2(c)為合金的原始鑄態(tài)組織,典型的鑄態(tài)枝晶結(jié)構,它是由面心立方鈷基固溶體γ相和分布在鑄態(tài)枝晶間、晶粒邊界的碳化物組成。從圖2(c)看到鑄態(tài)下的M23C6以較粗大的網(wǎng)狀不均勻分布在枝晶間。

碳化物是鈷基合金的主要強化相,碳化物的類型主要為富鉻的M23C6相和不穩(wěn)定的M7C3相[11]。但在本合金中經(jīng)Χ射線衍射分析無論在鑄態(tài)或固溶處理后均為M23C6型的碳化物。圖2(a)為固溶處理+高溫真空燒結(jié)+爐冷后的組織。

經(jīng)1280℃燒結(jié)后合金組織均勻化程度得到改善,大部分熔入基體的碳化物在冷卻過程中再析出,當1280℃/2h+爐冷時由于冷卻速率慢再析出的M23C6粒子較大,而且小部分還與未熔入基體碳化物如圖2(c)中的M23C6產(chǎn)生集聚長大,粒子超過了鑄態(tài)時的尺寸。圖2(b)、2(d)與圖2(a)不同,M23C6碳化物以更均勻彌散的形式分布于基體,而且基本無集聚長大現(xiàn)象。

圖2 鈷鉻鉬合金關節(jié)不同熱處理和燒結(jié)工藝下的組織形貌 (a)A組;(b)B組;(c)C組;(d)D組Fig.2 Microstructures of Co-Cr-Mo alloy with different heat treatments and sintering processes(a)group A;(b)group B;(c)group C;(d)group D

圖3為A,B組燒結(jié)工藝冷卻曲線。從圖3可以看出,從燒結(jié)溫度1280℃到充入氬氣溫度(1200℃)段,A,B組冷卻曲線是重合的,從1200℃充入氬氣開始,B組冷卻曲線曲率迅速提高,冷卻速率加快。通過直線擬合,計算出的斜率就是平均冷卻速率,通過計算得出爐冷平均冷卻速率為2.34℃/min,1200℃充入氬氣后平均冷卻速率為13.64℃/min,通過充入氬氣冷卻方式,將冷卻速率提高了近6倍。由此可見固溶處理(含燒結(jié))以改善均勻化是必要的,而高溫固溶溫度下的快速冷卻是改善關節(jié)零件滿足行業(yè)力學性能要求的主要原因。

圖3 A,B組燒結(jié)工藝冷卻曲線Fig.3 Cooling curves of different sintering processes

2.3 拉伸實驗斷口形貌分析

圖4為4組鈷鉻鉬合金關節(jié)拉伸試樣的斷口形貌。圖4(a)為A組燒結(jié)爐冷態(tài)試樣斷口形貌以河流花樣為主,有少量韌窩,碳化物剝落坑邊界不是裂紋源區(qū)。圖4(b)為B組燒結(jié)充氬氣速冷態(tài)試樣斷口形貌,斷口高低不平,端面上可見許多韌窩和一些空洞,表現(xiàn)出一定的韌性。合金中的空洞的萌發(fā),可能是由于第二相顆粒-基體交界面的減聚力,或者是由于顆粒的斷裂,然后在滑移變形過程中聚集聯(lián)合發(fā)展,形成如圖4(b)中的韌窩面。圖4(c)為C組鑄態(tài)試樣斷口形貌有明顯的解理臺階及二次裂紋,碳化物邊界為主要裂紋區(qū),碳化物剝落嚴重,呈現(xiàn)穿晶解理特征,從其斷口形貌中同樣可以看出原始鑄態(tài)組織的不均勻性。圖4(d)為D組固溶處理試樣斷口形貌,圖4中各組斷口形貌分析結(jié)果與其對應的拉伸試樣的力學性能是一致的。

圖4 鈷鉻鉬合金關節(jié)拉伸試驗斷口形貌 (a)A組;(b)B組;(c)C組;(d)D組Fig.4 Fractograph of tensile test specimens in Co-Cr-Mo alloy (a)group A;(b)group B;(c)group C;(d)group D

3 結(jié)論

(1)CoCrMo合金高溫固溶或燒結(jié)后的冷卻速率影響碳化物析出的數(shù)量、粒度、尺寸分布。在慢速冷卻時會產(chǎn)生碳化物的集聚長大。

(2)本CoCrMo生物工程關節(jié)合金在鑄態(tài)與熱處理后析出的碳化物均為M23C6類型碳化物。

(3)采用充入氬氣的冷方式替代爐冷方式后,可以省去產(chǎn)品燒結(jié)前的固溶熱處理工序,在保證燒結(jié)珠粒結(jié)合強度的同時,使得產(chǎn)品的性能滿足力學性能要求是可行的。這對于降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率的意義重大。

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Study on Sintering Process of Porous Co-Cr-Mo Alloy for Artificial Joint

QIAO Zhen1,HE Juan1,HUANG Yong-ling2,LI Guo-hua2
(1 Baimtec Material Co.,Ltd.,Beijing 100095,China;2 School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining&Technology,Beijing 100083,China)

On the basis of moderately increasing sinter temperature to insure the bond strength between beads and joints,the microstructure and mechanical properties of casting Co-Cr-Mo alloy joints under different cooling regime were priority investigated.Group A of castings were vacuum sintered at 1280℃and furnace cooled after original solution treatment.Group B was directly vacuum sintered at 1280℃and furnace cooled to 1200℃,finally cooling to room temperature with flowing Ar atmosphere.Group C slowly cooled in casting die without heat treating.Group D was solution treated between 1200-1240℃and oil cooled.All above of them were as contrast samples with each others.The results showed that mechanical properties of the Group B casting Co-Cr-Mo joints met the technical requirement,after high-temperature vacuum sintering without solution treatment and fast argon gas cooling.Moreover,finer microstructure,smaller disperse carbide M23C6were obtained by gas cooling.This trial and exploring process improved mechanical performance,increased pass percentage and excused from the solution treatment procedure,so it has actual significance of reducing cost and time as well as increasing product quality and productivity.

Co-Cr-Mo alloy;artificial joint;sintering

TG146.1+6;TG132.3+2

A

1001-4381(2011)06-0048-04

2010-12-02;

2011-05-03

喬鎮(zhèn)(1976—),男,助理工程師,現(xiàn)主要從事人工關節(jié)應用研究,聯(lián)系地址:北京市81信箱77分箱(100095),E-mail:dr_sid@sohu.com