铸造过热度和热处理对CoCrMo合金显微组织的影响

马秀萍，李 超

（北京航空材料研究院，北京100095）

CoCrMo合金与不锈钢、钛合金相比与人体具有良好的生物相容性，已成为临床中较为理想的人工关节用主要材料，并被广泛应用于金属髋关节等外科植入物[1－5］。但是在生产过程中，CoCrMo合金的室温抗拉强度或伸长率不合格的问题一直困扰着生产者，经常出现由于室温拉伸性能不合格而使生产成本增加。CoCrMo合金由钴基面心立方基体相和碳化物相组成，碳化物作为CoCrMo合金中重要强化相，合金内碳化物大小、分布形态和数量，对合金的性能有较大的影响[6－9］。

本工作主要通过探讨不同铸造过热度和高温固溶热处理对CoCrMo合金显微组织的影响，以及显微组织对合金性能的影响，旨在为获得合适显微组织的工艺提供理论依据。

1 实验材料及方法

本实验中采用同一炉母合金锭，母合金锭的化学成分采用最优成分配比[10］。从该炉母合金锭切取4段（4±0.15）kg的料段，在ZG－25kg真空感应熔炼炉按照传统工艺进行重熔，并在不同过热度下铸成灯笼试棒。模壳焙烧温度均为900℃，4炉试样的铸造过热度分别为1＃：30℃；2＃：70℃；3＃：110℃；4＃：150℃，其中1＃试棒采用单壳浇注方式，其余3炉试棒采用填砂浇注方式。

对不同过热度铸造的试棒分别进行晶粒度观察，利用光学金相显微镜和扫描电子显微镜对不同状态试样的碳化物形貌进行观察，并利用透射电镜对固溶热处理前后碳化物进行形貌观察和电子衍射分析。

从每炉试棒中各挑选无铸造缺陷的6根试棒，其中3根进行1220℃×4h，油冷的高温固溶热处理。经过热处理后的试棒和另外3根铸态试棒一起加工成工作部位尺寸为φ5mm的试样，按照GB228—2002进行室温拉伸性能测试，实验结果取3根试样实验平均值。

2 实验结果

2.1 铸造过热度对晶粒度和枝晶的影响

图1 不同铸造过热度的低倍晶粒度 （a）1＃试样；（b）2＃试样；（c）3＃试样；（d）4＃试样Fig.1 Crystal grain photographs of samples at different superheat temperatures（a）sample 1＃；（b）sample 2＃；（c）sample 3＃；（d）sample 4＃

图2 不同铸造过热度的枝晶组织 （a）1＃试样；（b）2＃试样；（c）3＃试样；（d）4＃试样Fig.2 Dendritic structures at different superheat temperatures（a）sample 1＃；（b）sample 2＃ ；（c）sample 3＃；（d）sample 4＃

表1 不同铸造过热度下晶粒尺寸和枝晶间距Table1 Grain size and dendrite arm spacing of samples at different casting superheat temperatures

在不同过热度下铸造的四炉铸态试棒切取试样进行腐蚀，分别观察试样低倍晶粒度和二次枝晶组织，见图1和图2。表1给出了不同铸造过热度下试样的晶粒尺寸和枝晶间距。从图1、图2和表1中可以看出，1＃试样的晶粒度和枝晶间距非常细小，平均晶粒尺寸仅有0.6mm，2＃试样平均晶粒尺寸为6.0mm，枝晶间距为60μm，随着过热度的增加晶粒度和枝晶间距明显增大，4＃试样的晶粒尺寸增大到12.4mm，枝晶间距增大到72μm。

2.2 铸造过热度对CoCrMo合金碳化物组织的影响

对不同过热度铸造的试棒观察碳化物组织，由图3和图4可见，CoCrMo合金在铸态下碳化物以共晶状存在，在（γ＋碳化物）共晶团周围分布着细小的颗粒状碳化物。随着过热度的增加，碳化物共晶团的尺寸呈递增趋势，但是碳化物共晶团尺寸增大的趋势并没有晶粒度随过热度增加的趋势大。1＃试样共晶团数量较多，因1＃试样晶粒非常细小，所以共晶团尺寸也比较小，多分布在晶界上，呈无规则链状（图3（a）），最大碳化物共晶团尺寸为68μm，经过定量金相分析，共晶团的体积分数为5.9%。2＃试样共晶团呈块状分布，其尺寸略有增大（图3（b）），最大共晶团尺寸达到了76μm，共晶团体积分数为5.3%。3＃试样中碳化物共晶团更多（图3（c）），最大的尺寸达到了117μm，体积分数为5.8%。4＃试样中最大碳化物共晶团尺寸达到了150μm，体积分数为6.4%（图3（d））。

图3 不同铸造过热度下CoCrMo合金的金相照片 （a）1＃试样；（b）2＃试样；（c）3＃试样；（d）4＃试样Fig.3 Metallurgical micrographs of CoCrMo alloy at different superheat temperatures（a）sample 1＃；（b）sample 2＃ ；（c）sample 3＃；（d）sample 4＃

2.3 固溶热处理对CoCrMo合金显微组织的影响

通过在SEM电镜下观察CoCrMo合金固溶热处理前后的显微组织。其中图4为1＃试样的铸态和热处理后的显微组织。CoCrMo合金在铸态下碳化物以大块共晶状存在，在共晶碳化物周围分布着细小的颗粒状碳化物（图4（a））。经过固溶热处理后大块共晶状碳化物已经分解，并在冷却过程中成为细小颗粒状的碳化物，细小颗粒状碳化物弥散分布在基体上（图4（b））。

图4 1＃试样固溶热处理前后CoCrMo合金的显微组织 （a）铸态；（b）固溶热处理后Fig.4 Microstructure of CoCrMo alloy before and after solution treatment of sample 1＃（a）as cast；（b）after solution treatment

对1＃试样铸态和热处理状态试样的碳化物在TEM透射电镜下进行形貌观察和电子衍射分析，见图5，分析表明：在铸态下碳化物为片层状结构（图5（a）），经过热处理后细小碳化物为亮白色颗粒状（图5（c））。图5（b）和5（d）为CoCrMo合金在铸态下大块状共晶状碳化物和热处理后的细小碳化物的电子衍射斑点，对电子衍射斑点进行分析计算，结果表明：铸态和热处理后的碳化物均为具有立方晶格结构的M23C6碳化物。有研究表明[6］，钴基合金中碳化物有M7C3，M6C，M23C6和MC等，碳化物类型受该合金中碳化物形成元素和碳含量控制，经过热处理后要向稳定的M23C6转变。本次实验的CoCrMo合金中Cr元素质量分数为28.20%，C元素质量分数为0.26%，碳化物形成元素为Cr，因合金具有高的Cr／C比，所以在铸态时形成M23C6的共晶状碳化物。

图5 CoCrMo合金碳化物形貌和衍射斑点 （a），（b）铸态；（c），（d）固溶热处理后Fig.5 Morphology and electron diffraction pattern of carbides in CoCrMo alloy （a），（b）as cast；（c），（d）after solution treatment

2.4 不同铸造过热度和固溶热处理对室温拉伸性能的影响

CoCrMo合金在不同过热度铸造的试棒和经过固溶热处理后试棒的室温拉伸性能数据见表2，从表2中可以看出，在铸态下，1＃试样的抗拉强度和屈服强度均为最高，随着过热度的增加，抗拉强度和屈服强度均呈下降趋势，这是因为随着过热度的增加，试棒的晶粒尺寸不断增大，由于晶界强化作用，细小晶粒更有利于提高强度，所以随着晶粒尺寸的增大强度降低。经过热处理后，除了4＃试样抗拉强度无明显变化以外，其余试棒的抗拉强度、屈服强度和伸长率都有了很大程度的提高，其中依然是1＃试样的性能结果居于首位，拉伸性能随着过热度的增加呈递降趋势。

表2 不同状态试样的室温拉伸性能Table 2 RT tensile properties of CoCrMo alloy before and after solution heat treatment at different casting superheat temperatures

3 讨论与分析

铸造试棒时，由于小的过热度，在凝固过程中加大结晶前沿的过冷度，从而导致合金的枝晶更加细小，枝晶间的偏析减小，碳化物的分布也就更均匀、细小。浇注试棒时，1＃试样过热度小，再加上是单壳浇注，壳型在等待浇注的过程中热量损失较大，在钢液浇入壳型的瞬间，钢液中有较大的过冷度，钢液内部形成大量晶核，从而形成细小的晶粒和枝晶，碳化物也就越细小、均匀。晶粒越细小，室温拉伸强度越高，这是由于细晶强化作用，在常温下，晶界对位错运动构成强烈障碍，从而提高材料强度，晶粒越细，晶界面积越多，强度越高。多晶体奥氏体中各晶粒取向不同，在外力作用下，不同取向的晶粒变形必须相互协调，而不能各自独立变形，因而进一步产生强化[12］。

CoCrMo合金经过1220℃／4h，油冷的固溶热处理后碳化物形态和尺寸发生了变化，铸态下形成的初生M23C6共晶碳化物发生分解并在冷却过程中重新析出为更细小的二次M23C6，并均匀分布于基体上。热处理后室温拉伸性能的提高，一方面是由于粗大碳化物的溶解使基体软化，试样的塑性得到提高，另一方面由于细小二次M23C6的弥散析出，它一般析出于基体的堆垛层错上，这种硬的碳化物粒子和堆垛层错相互作用，产生分散、均匀的锁扎结构，位错运动至该结构处，强烈受阻，所以产生较大的强化效果[11］。经过热处理后铸造组织更加均匀，弥散强化与固溶强化的共同作用使合金的室温拉伸性能得到改善。

4 结论

（1）CoCrMo合金在铸态下碳化物呈无规则块状或链状分布，碳化物主要以共晶状M23C6碳化物存在，随着过热度的增加，试棒晶粒尺寸由0.6mm增大到12.4mm，枝晶间距增大到72μm，碳化物共晶团尺寸由68μm增大到150μm，同时抗拉强度和伸长率降低。

（2）CoCrMo合金经过固溶热处理后，大部分共晶状碳化物溶解，并在冷却过程中以弥散分布的细小颗粒状M23C6碳化物析出，抗拉强度和伸长率均得到明显提高。细小弥散分布的M23C6碳化物有助于提高CoCrMo合金室温拉伸性能。

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