Page 27 - 理化检验-物理分册2021年第十一期

冯雨婷, 等: 生物医用 CoCrMo合金铸件缩孔缺陷分析及其工艺改进

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
图1 CoCrMo合金股骨柄铸件示意
样的断后伸长率大都低于 5% , 未达到标准要求的

Fi g 1 Schematicdia g ramofCoCrMoallo y femoralstemcastin g
大于5% 。因此, 需要通过断口分析进一步研究断
1 试验 后伸长率不合格的原因 [ 7 ] 。
表2 不同试样的拉伸试验结果
1.1 试验材料 Tab 2 Tensiletestresultsofdifferentsam p les

CoCrMo合金经真空熔炼后, 采用熔模精密铸 试样编号 0-1 0-2 1-1 1-2 2-1 2-2
造工艺进行浇注, 采用组树工艺, 每组8个型模, 形
抗拉强度 / MPa 961 913 1114 1039 1105 1110
成8个股骨柄, 铸模如图 2 所示。 CoCrMo合金的
断后伸长率 / % 4.8 4.6 4.2 5.1 4.7 4.6
化学成分如表1所示 [ 6 ] 。
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 ] ,
图2 股骨柄铸模示意
且断口局部光滑。

Fi g 2 Schematicdia g ramoffemoralstemcastin gmold
图4为0-1试样不同部位的微观形貌。由图4
表1 CoCrMo合金的化学成分
可知, 试样边部到心部均可见大量缩孔, 心部缩孔

Tab 1 Chemicalcom p ositionsofCoCrMoallo y
较多。
元素 C Cr Mo Ni Fe Mn Si Co 在铸件使用和试样拉伸试验过程中, 材料中缩
质量 ≤ 26.5~ 4.5~ ≤ ≤ ≤ ≤ 孔会成为裂纹源, 严重影响材料的连续性, 在外力作
余量
分数 / %0.35 30.0 7.0 1.0 1.0 1.0 1.0 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
1.2 试验方法
按照 GB / T228.1-2010 《 金属材料拉伸试验 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 ] 。
第1部分: 室温试验方法》, 分别将未经热处理、 经
( 1 )铸件结构: 铸件的壁厚不均匀, 在壁厚较大
固溶处理和固溶 + 时效处理的 3 种状态 CoCrMo
部位散热较慢, 热节增多, 壁厚增加致使铸孔直径变

合金股骨柄铸件加工成尺寸为 8mm×10mm 的 小, 铸孔石蜡受热后大大降低了铸孔表面金属的凝
ϕ
拉伸试样( 标距是直径的 5 倍), 每种状态设置两
固速度, 导致孔壁处产生缩孔和疏松。
个平行试样, 分别记为 0-1 , 0-2 , 1-1 , 1-2 , 2-1 , 2-2 ,
( 2 )熔炼: 炉料不干净、 铁锈存在和吸潮等原因
采用 MTS万能拉伸机进行拉伸试验, 拉伸速度为
导致金属液的含气量升高, 当出炉温度和浇注温度

2mm · min 。试验后, 在拉断试样断口附近截取
-1
不稳定时, 金属液流动性变差, 在铸件冷却过程中气

高为10mm 的圆柱形试样, 采用 PHILIP型 ZEISS
体没能完全逸出, 阻止邻近的金属液向该处流动补
扫描电镜( SEM ) 进行观察。
缩, 产生缩孔或疏松。
1 1