ارزیابی اثر کربن و آنیل انحلالی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ پایه کبالت ریختگی ASTM F75

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مواد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر.‏

2 دانشیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر.‏

3 استادیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر.‏

4 پژوهشگر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

10.22034/frj.2023.351831.1159

چکیده

آلیاژ پزشکی پایه کبالت کروم مولیبدن ASTM F75 به صورت ریختگی در ایمپلنت‌های ارتوپدی مانند مفاصل مصنوعی لگن و زانو استفاده می‌شود. این آلیاژ به دلیل وجود عیوبی نظیر ناهمگنی شیمیایی و اندازه دانه بالا، تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد. در پژوهش حاضر، تأثیر عملیات حرارتی آنیل انحلالی بر تحولات ساختاری و خواص مکانیکی دو آلیاژ ASTM F75 (یک نمونه بدون کربن و دیگری حاوی کربن به مقدار 21/0 درصد وزنی) مورد اریابی قرار گرفت. عملیات حرارتی آنیل انحلالی در سه دمای C1175°، C1225° و C1275°و زمان‌های 5/0، 1، 2 و 4 ساعت انجام شد. سپس نمونه ها در آب کوئنچ شدند. نتایج نشان داد در نمونه بدون کربن، رسوبات σ تشکیل شد. اگرچه، در نمونه حاوی کربن، فازهای σ و کاربید M23C6 تشکیل شد. همچنین با افزودن کربن، کسر حجمی کاربیدها به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافت و به مقدار 55/6 درصد رسید که سبب افزایش استحکام نمونه شد. با افزایش دمای آنیل از C1175° به C1275° و زمان آن از 5/0 به 4 ساعت، کسر حجمی رسوبات و همچنین اندازه آن‌ها کاهش یافت. در نمونه‌ی حاوی کربن با آنیل در دمای C1225° به مدت 1 ساعت رسوبات توزیع همگن‌تری در ساختار یافتند. همچنین اغلب کاربیدهای موجود در مرزدانه که در حالت ریختگی مشاهده شد، با عملیات حرارتی حذف شدند. در نهایت در نمونه حاوی کربن عملیات حرارتی شده، خواص مکانیکی مانند استحکام کششی نهایی تا 19 درصد و انعطاف‌پذیری تا دو برابر نسبت به نمونه ریختگی افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Park J. B., Jung K.H., Kim K.M., Son Y., Lee J.I., et al., Microstructure of as-cast Co-Cr-Mo alloy prepared by investment casting, Journal of the Korean Physical Society, 2018, 72, 947-951.‏
[2] Bedolla-Gil Y., Juarez-Hernandez A., Perez-Unzueta A., Garcia-Sanchez E., Mercado-Solis R., Influence of heat treatments on mechanical properties of a biocompatility alloy ASTM F75, Revista Mexicana De Fisica, 2009, 55, 1-5.‏
[3] Gaytan S.M., Murr L.E., Martinez E., Martinez J.L., Machado B.I., et al., Comparison of microstructures and mechanical properties for solid and mesh cobalt-base alloy prototypes fabricated by electron beam melting, Metallurgical and Materials Transactions A, 2010, 41, 3216-3227.‏
[4] Li Y., Yamashita Y., Tang N., Liu B., Kurosu S., et al., Influence of carbon and nitrogen addition on microstructure and hot deformation behavior of biomedical Co–Cr–Mo alloy, Materials Chemistry and Physics, 2012, 135, 849-854.‏
[5] Dobbs H.S., Robertson J.L.M., Heat treatment of cast Co-Cr-Mo for orthopedic implant use, Journal of Materials Science, 1983, 18, 391-401.
[6] Mineta S., Namba S., Yoneda T., Ueda K., Narushima T., Precipitates in as-cast and heat-treated ASTM F75 Co-Cr-Mo-C alloys containing Si and Mn, Metallurgical and Materials Transactions A, 2011, 42, 1941-1949.
[7] Mineta S., Namba S., Yoneda T., Ueda K., Narushima T., Changes in microstructure of biomedical Co-Cr-Mo-C alloys with solution treating and aging. In Advanced Materials Research, 2010, 89, 377-382.
[8] Lee S.H., Nomura N., Chiba A., Significant improvement in mechanical properties of biomedical Co-Cr-Mo alloys with combination of N addition and Cr-enrichment, Materials Transactions, 2008, 49(2) 260-264.‏
[9] Chauhan M., Microstructural characterization of cobalt chromium (ASTM F75) cubes produced by EBM technique (Master of Science Thesis), 2017.
[10] Giacchi J.V., Fornaro O., Palacio H., Microstructural evolution during solution treatment of Co–Cr–Mo–C biocompatible alloys, Materials Characterization, 2012, 68, 49-57.
[11] Mineta S., Namba S., Yoneda T., Ueda K., Narushima T., Heat treatment of ASTM F75 Co-Cr-Mo-C-Si-Mn alloys, Materials Science Forum, 2010, 654, 2180-2183.
[12] Mori M., Yamanaka K., Kuramoto K., Ohmura K., Ashino T., et al., Effect of carbon on the microstructure, mechanical properties and metal ion release of Ni-free Co–Cr–Mo alloys containing nitrogen, Materials Science and Engineering C, 2015, 55, 145-154.
[13] Lee S.H., Takahashi E., Nomura N., Chiba A., Effect of carbon addition on microstructure and mechanical properties of a wrought Co–Cr–Mo implant alloy, Materials Transactions, 2006, 47, 287-290.‏
[14] ASTM F75-12, Standard Specification for
Cobalt-28 Chromium-6 Molybdenum Alloy Castings and Casting Alloy for Surgical Implants (UNS R30075), West Conshohocken. PA: ASTM International, 2012.
[15] Allen R.F., Standard test methods for determining average grain size (F112), Annual Book of ASTM Standards, Metal-Mechanical Testing; Elevated and Low Temperature Tests; Metallography, 1999.
[16] ASTM E8/E8M. Standard test methods for tension testing of metallic material, ASTM International, 2010.
[17] Lee S.H., Takahashi E., Nomura N., Chiba A., Effect of carbon addition on microstructure and mechanical properties of a wrought Co–Cr–Mo implant alloy, Materials Transactions, 2006, 47, 287-290.‏
[18] Yamanaka K., Mori M., Chiba A., Effects of nitrogen addition on microstructure and mechanical behavior of biomedical Co–Cr–Mo alloys, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2014, 29, 417-426.‏
[19] Erfanian Nazif Toosi H.R., The Effect of rapid solidification and heat treatment on microstructure and electrochemical properties of advanced biomaterial Co-Cr-Mo-C Alloy, Master of Science Thesis, 2019.
[20] Herrera M., Espinoza A., Méndez J., Castro M., López J., et al., Effect of C content on the mechanical properties of solution treated as-cast ASTM F-75 alloys, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2005, 16, 607-611.‏
[21] Zangeneh S., Erisir E., Abbasi M., Ramazani A., Evaluation of the aging effect on the microstructure of Co-28Cr-6Mo-0.3C alloy: experimental characterization and computational thermodynamics. Metals, 2019, 9, 581.‏