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    鈷鉻鉬合金的精密鍛造工藝研究
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    外科植入骨關節假體(又稱人工關節)是主要用于治療畸形、疼痛或功能喪失的生物材料制品,其臨床應用廣泛。尤其是在近二十年,由于人類老年化程度逐漸加劇,骨關節假體的市場始終以年增長20%左右的速度發展,人工關節產品及置換技術已經成為了21世紀初期最具有前景的多學科相互交叉的新技術,新產業。

      人工關節技術的發展很大程度上依賴于相關生物材料的發展。根據人工關節置換的基本原理可知,作為人工關節的材料必須具有如下基本特點:(1)無毒性,不致癌,不引起人體細胞的突變;(2)具有良好的生物相容性;(3)足有足夠的強度,至少可承受達到超過人體重量8倍的動態負荷;(4)具有優異的抵抗低周循環力學環境的疲勞性能,保證假體長期性能的穩定性和可靠性;(5)良好的工藝成型性能,便于復雜骨科產品的制造。

      根據上述要求,現在廣泛使用的人工材料主要包括金屬材料:鈷基合金、鈦合金、不銹鋼以及以陶瓷為代表的非金屬材料。在金屬材料范圍內,與TC4鈦合金以及不銹鋼相比,鈷基合金的彈性模量與人體骨骼更接近,可減輕金屬植體與骨組織之間的機構不適應。更重要,鈷基合金在人體中能始終維持鈍態,超級耐人體組織液的腐蝕性,患者可以終身不換,因此,鈷基合金得到了眾多患者的青睞。但是由于以鈷鉻鉬合金為代表的鈷基合金的鍛造性能很差,在最初的鈷鉻鉬合金人工關節多采用鑄造,而后,隨著技術的逐漸成熟,鈷鉻鉬合金的鍛造技術逐漸成熟,在一些發達國家逐漸用鍛造代替。而在國內,由于受到鈷鉻鉬材棒材的制備技術以及精鍛技術的限制,鍛造鈷鉻鉬人工關節幾乎沒有實質性的應用。

      鑒于上述現狀,我們展開了對鈷鉻鉬合金的鍛造技術進行了研究。同時也比較了國內外棒材制備技術的差距以及由此對鍛件性能的影響。

     

    1實驗

     

    1.1 實驗材料

       本文采用了國產和進口兩種原材料,對兩種材料進行了力學性能、化學成分和微觀組織進行了分析,結果如表1和表2所示

     

    表1 國產和進口鈷鉻鉬棒材的性能

     

    拉伸強度 MPa

    非比例段屈服強度(RP0.2)MPa

    斷裂伸長率

    顆粒等級

    國內材料

    1400

    1020

    13.5%

    8

    進口材料

    1320

    1020

    22%

    10

    ISO5832-12

    1000

    700

    12%

    5

     

    表2國產和進口鈷鉻鉬棒材的化學成分(質量百分比/%)

     

    國產

    0.07

    27.0

    5.8

    1.0

    0.49

    0.3

    0.2

    0.01

    余量

    進口

    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

    從表中結果可知,兩種棒材的化學成分,力學性能和微觀組織都達到了ISO5832-12標準的要求,但國產棒材在微觀組織的延伸率上與進口棒材還存在明顯差距。

     

     

    1.2 試驗方法

    首先,對兩種材料進行基本的成型性能探索,進行各個溫度下的動態鐓粗試驗,設備采用100公斤落錘,試樣尺寸為直徑15毫米,長20毫米的棒料,試驗溫度分別是975℃,1000℃,1025℃,1050℃,1075℃,1100℃,1125℃,1150℃和1175℃,保溫時間為30分鐘。實驗后將試樣沿軸向拋開,觀察試樣的微觀組織。

    通過落錘實驗結果,確定合適的工藝參數,分別采用國產和進口鈷鉻鉬合金進行人工關節試制。設備采用16000千牛曲柄壓力機,試驗中玻璃潤滑劑和石墨潤滑劑。最后比較兩種材料成型后鍛件的力學性能和微觀組織。

     

    2試驗結果

     

    2.1落錘試驗結果

    國產和進口鈷鉻鉬合金的落錘試驗結果如表3所示。

                     表3   鈷鉻鉬合金的落錘試驗結果

                

    溫度(攝氏度)

    最大變形量(%)

    國產材料

    進口材料

    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

     

     

    從表3中的結果可以看出,在相同的溫度下變形,進口鈷鉻鉬棒材的最大變形量始終等于或高于國產鈷鉻鉬合金。根據人工關節的變形特點,鍛件的最大變形量可達45%左右,為了保證鍛件可定不發生斷裂,鍛件溫度應選在大于1025攝氏度較為穩妥。

    此外,我們也對變形后試樣進行了微觀組織分析,結果表明,當變形溫度達到1150攝氏度時,兩種材料試樣的組織中都發現有部分試樣的局部晶粒發生了長大,超過了標準規定的5級,而當變形溫度達到1175攝氏度時,在所有變形程度下的試樣的晶粒都達到了2級,嚴重超過標準要求。根據上述結果可知,鈷鉻鉬合金的鍛造溫度應該在1020-1150攝氏度范圍內。

     

    2.2 人工關節試制

        分別采用國產和進口鈷鉻鉬棒材進行人工關節精鍛試制,鍛造溫度采用1070攝氏度,保溫時間60分鐘,模具預熱溫度為200攝氏度。結果表明,在此工藝條件下制備的兩種人工關節鍛件表面質量良好,鍛件各部分尺寸穩定。但在力學性能和微觀組織方面存在較大差異,表4所示即為鍛件的力學性能

     

     

     

                  表4  鈷鉻鉬人工關節鍛件的力學性能

     

    拉伸強度 MPa

    非比例段屈服強度(RP0.2)MPa

    斷裂伸長率

    顆粒等級

    國產材料

    1320

    890

    13%

    6

    進口材料

    1295

    801

    25%

    10

    ISO5832

    1000

    700

    12%

    5

     

      從表4中可知,采用進口材料鍛造后得到的鍛件的力學性能指標遠遠大于標準的要求。然而,國產鈷鉻鉬棒材在鍛造后,材料的延伸率和晶粒度變化明顯,已經接近標準要求的臨界值,這就很難保證實際生產中產品的穩定性。

     

     

    3.結論

     

      經過對鈷鉻鉬合金的鍛造工藝性能以及人工關節的精短技術研究,可得到如下結論:

    (1)       鈷鉻鉬合金的最佳變形溫度是1020-1150攝氏度;

    (2)       采用機械壓力機恒載荷精密模鍛技術,配合玻璃潤滑劑和石墨潤滑劑可制備表面質量好,尺寸精度高,工藝穩定性佳的人工關節毛坯;

    (3)       國產鈷鉻鉬棒材與進口鈷鉻鉬棒材在材料的塑性和微觀組織方面存在較大的差距,這一差距對棒材塑性工藝性以及鍛件的最終力學性能以及微觀組織都具有直接影響,在相同工藝條件下,進口鈷鉻鉬棒材更容易制備出合格的人工關節鍛件,以利于保證穩定生產。(引自航空材料學報)

     

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