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F75 CoCrMo概述


 

发布日期:[2023/12/21]
 

1.1 通用特性

钴基合金早已被广泛的应用在苛刻的领域,过去是以熔融铸造来作为可工业化的制程。Arcam公司的电子束熔炼将和铸造技术成为直接竞争的对手,在钴基合金制造成复杂零件的另一个可行性的选择。大多数钴基超合金铸造的熔融铸造都是在开放的大气气氛中进行铸造,但Arcam公司的电子束熔炼过程是在真空环境下,提供了可控制的环境并使加工零件材料性能更优越。钴铬钼合金广泛的用于医疗用植入物装置,尤其适用于高硬度或高抛光、极耐磨材料的合金。钴铬钼合金的应用程序如膝关节植入物的首选材料,金属对金属髋关节和口腔修复中的配件。

钴合金的性能在航空和陆上燃气轮机中也起着重要的作用,虽然真空铸造镍合金在现代航空涡轮发动机的耐热部件中占有主导地位,但钴合金通常被指定用于工业气体涡轮机的燃料喷嘴和叶片等特别苛刻的应用场合。Arcam公司的ASTM F75是一种非磁性的钴铬钼合金,具有高强度、耐腐蚀、耐磨的特性,广泛的应用于骨科和牙科植入体,以及高度抛光的部件包括股骨柄置换髋关节和膝关节髁,其他还有钴医疗植入物包括髋臼杯和胫骨托盘。在所有情况下,特别是在髋关节部件,材料质量是很重要的,因为这些植入物零件是承受重负荷和反复的疲劳。

1.2特性

Arcam公司的ASTM F75 CoCrMo合金也适用于塑料件的注塑生产用的高速注射用模具,其高硬度的材质和优良的材料质量可允许抛光组件达到光学或镜面等级,并确保模具的寿命。这些模具可以制作成复杂的几何形状,并且制作随形冷(冷却水路接近产品的表面),进一步提高模具的使用寿命和提高生产率,以及零件和其表面的质量。

1.3应用

钴铬钼合金的典型应用

燃气轮机

整形外科植入物

牙科植入物

1.4粉末规格

Arcam公司的ASTM F75 CoCrMo合金粉末是采用气体雾化和化学成分符合ASTM F75标准规格生产的来做为电子束沉积使用的,粉末的颗粒大小为45 - 100微米(mm),最小颗粒尺寸的限制保证了粉末的安全处理(过小的粉末有尘暴危险)。请参阅Arcam公司的MSDS(材料安全数据表)关于Arcam ASTM F75 CoCrMo合金的处理和安全的更多信息。

1.5化学成份

如下表1. 有关Arcam ASTM F75 ASTM F75的比较表,注意到余量是钴元素。


材料中含的钴和铬(Co, Cr)都是低蒸气压材料易在烧结过程蒸发

计算密度:热等静压(HIP)>8.29 g/cc (MIM烧结有孔隙可能低于此数字)

1.6机械性能

如下表2. 有关Arcam ASTM F75 ASTM F75的机械性能比较表


2. Arcam ASTM CoCr F75耐疲劳测试的标准;上图为公制MPa;下图为美制KSI

2.后处理

2.1采用金属注射成形

推荐使用POM喂料系统,并采用酸催化脱脂,由于CoCrMo三元合金对于碳的敏感性,一定要确保脱除粘结剂干净,并严格控制碳含量不能超标以防止尺寸变异以及性能变差;但碳含量过低硬度也会跟着不够,强度变差,烧结曲线的设定建议不要跑到高真空段太久。烧结最高温度建议至少要在1250~1300℃范围内,并有至少3小时以上的保温以增加材料的致密度。由于大中华区的烧结炉条件不尽相同,Dr. Q无法精确告知各位正确的烧结条件,但是处理过BASF Panacea这支材料的厂家,应该就不陌生烧结的参数变动,注意到致密化的最高烧结温度甚至要到达6小时以确保MIM件密度到位,请注意!

2.2热处理

经过3D打印的产品必须采用下列两种热处理方式

1. 如果有必要,热等静压是一个增加密度的制程,请按照:1200, 1000ba, 氩气保压240分钟。

2. 均质化热处理(HOM)请按照下列参数:1220, 0.7~0.9 mba, 氩气保压240分钟;然后急冷由1220℃到760℃,必须在8分钟内。这种急速冷却的目的是为了防止溶解到基地的碳聚集并改善显微结构的均质性,减少由于EBM材料因打印沉积的不均匀现象(金属粉末注射成形亦采用此工艺处理)

2.3 切削

3D沉积的F75有很好的切削性能,零件可以采用传统的机械加工来移除材料。同时也允许抛光到达镜面或光学等级的光滑表面。(当然必须经过HIP消除内部孔隙后,这和MIM零件的先天缺失是一样的,3D打印和沉积方式都有这样的分层与孔隙)

2.4 微观结构

如果没有经过热处理和调质处理(HIP+HOM),以电子束沉积的3D打印方式的F75零件的显微结构可以很轻易的观察到具有层状结构,这是因为碳沉积在晶界的位置。热处理可以改变这种不均匀的现象使碳重新溶解到结构中。

以下微观结构是未经热处理以及热处理之后,在Z方向的显微结构变化,碳含量较多的地区显示出较高的硬度。


3.刚完成沉积后的零件Z方向截面的微结构;左50x(红色尺标显示200um)、右 100x(红色尺标显示100um)

经过热等均压与均质处理后显微结构转变成为均匀状态(等轴晶体),碳重新溶解到基地晶粒中使得零件脆性降低而延展性变好,这里也看不到有任何的孔洞。

4.经热处理后的零件Z方向截面的微结构;左50x(红色尺标显示200um)、右 100x(红色尺标显示100um)