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钴铬钼合金的精密锻造工艺研究
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外科植入骨关节假体(又称人工关节)是主要用于治疗畸形、疼痛或功能丧失的生物材料制品,其临床应用广泛。尤其是在近二十年,由于人类老年化程度逐渐加剧,骨关节假体的市场始终以年增长20%左右的速度发展,人工关节产品及置换技术已经成为了21世纪初期最具有前景的多学科相互交叉的新技术,新产业。

  人工关节技术的发展很大程度上依赖于相关生物材料的发展。根据人工关节置换的基本原理可知,作为人工关节的材料必须具有如下基本特点:(1)无毒性,不致癌,不引起人体细胞的突变;(2)具有良好的生物相容性;(3)足有足够的强度,至少可承受达到超过人体重量8倍的动态负荷;(4)具有优异的抵抗低周循环力学环境的疲劳性能,保证假体长期性能的稳定性和可靠性;(5)良好的工艺成型性能,便于复杂骨科产品的制造。

  根据上述要求,现在广泛使用的人工材料主要包括金属材料:钴基合金、钛合金、不锈钢以及以陶瓷为代表的非金属材料。在金属材料范围内,与TC4钛合金以及不锈钢相比,钴基合金的弹性模量与人体骨骼更接近,可减轻金属植体与骨组织之间的机构不适应。更重要,钴基合金在人体中能始终维持钝态,超级耐人体组织液的腐蚀性,患者可以终身不换,因此,钴基合金得到了众多患者的青睐。但是由于以钴铬钼合金为代表的钴基合金的锻造性能很差,在最初的钴铬钼合金人工关节多采用铸造,而后,随着技术的逐渐成熟,钴铬钼合金的锻造技术逐渐成熟,在一些发达国家逐渐用锻造代替。而在国内,由于受到钴铬钼材棒材的制备技术以及精锻技术的限制,锻造钴铬钼人工关节几乎没有实质性的应用。

  鉴于上述现状,我们展开了对钴铬钼合金的锻造技术进行了研究。同时也比较了国内外棒材制备技术的差距以及由此对锻件性能的影响。

 

1实验

 

1.1 实验材料

   本文采用了国产和进口两种原材料,对两种材料进行了力学性能、化学成分和微观组织进行了分析,结果如表1和表2所示

 

表1 国产和进口钴铬钼棒材的性能

 

拉伸强度 MPa

非比例段屈服强度(RP0.2)MPa

断裂伸长率

颗粒等级

国内材料

1400

1020

13.5%

8

进口材料

1320

1020

22%

10

ISO5832-12

1000

700

12%

5

 

表2国产和进口钴铬钼棒材的化学成分(质量百分比/%)

 

国产

0.07

27.0

5.8

1.0

0.49

0.3

0.2

0.01

余量

进口

0.06

28.9

6.0

0.7

0.54

0.6

1.0

0.18

余量

ISO5832

≤0.35

26-30

5.0-7.0

≤1.0

≤0.75

≤1.0

≤1.0

≤0.25

余量

从表中结果可知,两种棒材的化学成分,力学性能和微观组织都达到了ISO5832-12标准的要求,但国产棒材在微观组织的延伸率上与进口棒材还存在明显差距。

 

 

1.2 试验方法

首先,对两种材料进行基本的成型性能探索,进行各个温度下的动态镦粗试验,设备采用100公斤落锤,试样尺寸为直径15毫米,长20毫米的棒料,试验温度分别是975℃,1000℃,1025℃,1050℃,1075℃,1100℃,1125℃,1150℃和1175℃,保温时间为30分钟。实验后将试样沿轴向抛开,观察试样的微观组织。

通过落锤实验结果,确定合适的工艺参数,分别采用国产和进口钴铬钼合金进行人工关节试制。设备采用16000千牛曲柄压力机,试验中玻璃润滑剂和石墨润滑剂。最后比较两种材料成型后锻件的力学性能和微观组织。

 

2试验结果

 

2.1落锤试验结果

国产和进口钴铬钼合金的落锤试验结果如表3所示。

                 表3   钴铬钼合金的落锤试验结果

            

温度(摄氏度)

最大变形量(%)

国产材料

进口材料

975

45

45

1000

45

45

1025

50

50

1050

50

60

1075

50

75

1100

65

75

1125

70

70

1150

60

70

1175

55

60

 

 

从表3中的结果可以看出,在相同的温度下变形,进口钴铬钼棒材的最大变形量始终等于或高于国产钴铬钼合金。根据人工关节的变形特点,锻件的最大变形量可达45%左右,为了保证锻件可定不发生断裂,锻件温度应选在大于1025摄氏度较为稳妥。

此外,我们也对变形后试样进行了微观组织分析,结果表明,当变形温度达到1150摄氏度时,两种材料试样的组织中都发现有部分试样的局部晶粒发生了长大,超过了标准规定的5级,而当变形温度达到1175摄氏度时,在所有变形程度下的试样的晶粒都达到了2级,严重超过标准要求。根据上述结果可知,钴铬钼合金的锻造温度应该在1020-1150摄氏度范围内。

 

2.2 人工关节试制

    分别采用国产和进口钴铬钼棒材进行人工关节精锻试制,锻造温度采用1070摄氏度,保温时间60分钟,模具预热温度为200摄氏度。结果表明,在此工艺条件下制备的两种人工关节锻件表面质量良好,锻件各部分尺寸稳定。但在力学性能和微观组织方面存在较大差异,表4所示即为锻件的力学性能

 

 

 

              表4  钴铬钼人工关节锻件的力学性能

 

拉伸强度 MPa

非比例段屈服强度(RP0.2)MPa

断裂伸长率

颗粒等级

国产材料

1320

890

13%

6

进口材料

1295

801

25%

10

ISO5832

1000

700

12%

5

 

  从表4中可知,采用进口材料锻造后得到的锻件的力学性能指标远远大于标准的要求。然而,国产钴铬钼棒材在锻造后,材料的延伸率和晶粒度变化明显,已经接近标准要求的临界值,这就很难保证实际生产中产品的稳定性。

 

 

3.结论

 

  经过对钴铬钼合金的锻造工艺性能以及人工关节的精短技术研究,可得到如下结论:

(1)       钴铬钼合金的最佳变形温度是1020-1150摄氏度;

(2)       采用机械压力机恒载荷精密模锻技术,配合玻璃润滑剂和石墨润滑剂可制备表面质量好,尺寸精度高,工艺稳定性佳的人工关节毛坯;

(3)       国产钴铬钼棒材与进口钴铬钼棒材在材料的塑性和微观组织方面存在较大的差距,这一差距对棒材塑性工艺性以及锻件的最终力学性能以及微观组织都具有直接影响,在相同工艺条件下,进口钴铬钼棒材更容易制备出合格的人工关节锻件,以利于保证稳定生产。(引自航空材料学报)

 

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