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| 精密铸造是相对于传统的铸造工艺而言的一种铸造方法。它能获得相对准确地形状和较高的铸造精度。工艺流程如下：首先根据产品要求设计制作的模具，用压铸的方法铸蜡，获得原始的蜡模；在蜡模上重复涂料与撒砂工序，硬化型壳及干燥；再将内部的蜡模溶化掉，是为脱蜡，获得型腔；焙烧型壳以获得足够的强度，烧掉残余的蜡质、因为形状的原因无法脱出的蜡和涂料中的杂质，形成透气孔，减少与金属材料“熔”液的温度差；浇注所需要的金属材料；脱壳后清沙，从而获得高精度的成品。根据产品需要或进行热处理与冷加工。 |
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钛及钛合金的精密铸造中的使用-精密铸造专家嘉丰精铸
1,前言
钛及钛合金由於具有高比强度,抗蚀性及良好的生物
相容性(biocompatibility)[1-3],目前广泛被应用於牙科,
骨科及外科手术上.其加工方式有切削,热加工及铸造等,
随著加工方式不同,受加工材料显微组织及表层性质也随
著改变,而材料显微结构及表层性质与其机械性质,抗蚀
性及生物相容性息息相关,如ASTM F136[4]对生医用钛合
金加工后,必需具有微细等轴α+β相,另表层形成α
case,也必需除去,使材料具备一定机械性质及避免表层有
硬脆组织,影响材料疲劳强度;而ASTM F1108[5]对生医
用钛合金铸造后显微结构及表层性质如何并未做探讨,其
与其它加工方式后之显微结构及表层性质有何不同,皆等
待去探讨之问题.
本研究系以生医级Ti-6Al-4V钛合金施以铸造及热滚
轧后,探讨内部其显微组织及表层性质之变化情形.
2,实验方法
2.1原素材之成份
本实验系以生医级Ti-6Al-4V为素材,以X光萤光分
析仪(X-Ray Fluorescence Analyzer,简称 XRF)分析
其成份,结果如表1所示.
2.2铸造
将素材经由真空感应壳式熔解炉(Vacuum Induction
Skull Melting Furnace)重熔后浇铸成试片,造模使用之陶模
材料系以ZrO2胶液+ZrO2砂为面层,以马来浆+马来砂
为被覆层.将铸件去除陶壳,并做喷砂处理后,进行显微
组织观察及表层组织之分析.
2.3滚轧
将素材分别经900℃,1000℃及1100℃滚轧;在每一滚
轧温度到达后保持1小时,其中一组试片取出使其空冷至
室温后观察显微组织及表层组织;另一组试片取出进行滚
轧,每次滚轧量约3％,滚轧完成后再放回炉子加热到原
温度保持1小时,如此反覆进行至总滚轧量约20％,然后
将试片空冷至室温.另外,将1000℃滚轧后经空冷试片,
接著再经800℃滚轧,每次滚轧量约3％,滚轧完成后再放
回炉子加热到800℃保持1小时,如此反覆进行至总滚轧
量约20％,然后将试片空冷至室温.然后再经900℃分别
保持4,8,16及24小时之退火处理,最后观察各阶段之
显微组织.
2.4内部显微组织分析
将素材及各种加工后材料,以光学显微镜(OM) 进行显
微组织分析,所使用的腐蚀液为2ml HF+3ml HCl+ 5 ml
HNO3+ 190 ml H2O[6],腐蚀时间约为20秒钟.
2.5表层特性分析
将各种加工后之试片,以SEM观察其表层组织,并以
X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectron Spectrometry,
XPS)分析表层特性,以Ar离子溅蚀达2000 (以Ta2O5
为参考).
3,实验结果
3.1原素材之显微组织及热分析
以DTA分析α+β→β相变态点温度,如图1示.由
图可知相变态点温度介於957℃~ 997℃之间,而在997℃
完全变态为β相.Ti-6Al-4V之相图示意图,如图2所示
[7].另以光学显微镜进行原素材显微组织分析,如图3所
示.
3.2铸造状态之显微组织
图4为铸造状态之显微组织,基材晶粒较素材粗大,其
外层具有一α case.图5为铸造后经900℃保持1小时退火
处理之显微组织,其晶粒比铸造状态时稍粗大.图6为铸
件经喷砂处理后之表层组织,并未观察到氧化层.图7为
表层组织在0.2 m 处之XPS分析结果,亦无明确氧化物存
在之迹象.
3.3滚轧制程对於显微组织之影响
图8,图9及图10为素材分别加热到900℃,1000℃
及1100℃1保持1小时后之显微组织,而图11,图12 及
图13为分别经900℃,1000℃及1100℃滚轧后之显微组
织.经900℃滚轧后其晶粒呈细化现象,但经1000℃及1100
℃滚轧后之晶粒则呈现粗大化.将1000℃滚轧后之试片再
经800℃滚轧会产生晶粒细化,如图14所示.图15(a)~
图15(d)为经1000℃滚轧后再经800℃滚轧,最后再施
以900℃不同时间(4,8,16及24小时)退火处理之显微
组织,其晶粒呈现随退火时间增加而逐渐增大之现象.
图16,图17及图18为素材分别经900℃,1000℃及
1100℃加热(尚未滚轧)之表层组织,在900℃时,氧化
层厚度约8 m,在1000℃时,氧化层厚度约13 m,在1100
℃时,氧化层厚度约12 m,且氧化层皆具有孔洞,经XPS
分析结果,其氧化物以TIO2,TiN及Al2O3为主,如图
19所示.
4,讨论
4.1 铸造
由图3(原素材)及图4(铸态)之比较可知,铸态之
晶粒显较原素材为粗大,此系因为本研究之铸模系采用陶
模,其热传系数很低,因此冷却速率慢,故铸造状态所得
之晶粒较粗大.其次,铸件之外层组织具有一α case,为
一硬脆组织,对合金之机械性质有不良影响,一般可以机
械加工或化学腐蚀方式将其去除[5].另外,铸件经900℃
-1hr之退火处理后,晶粒仍旧呈现粗大(图5),故铸态组
织无法以退火热处理来细化晶粒.
4.2 滚轧
图11为原素材经900℃滚轧后之显微组织,其晶粒较
细,素材升温到900℃滚轧时,依图1及图2所示,合金
系位於α+β 两相区,由於滚轧加工效应造成晶粒细化比
温度效应造成晶粒粗化来得大,平行於滚轧方向的晶粒会
拉长,压扁,而垂直於滚轧方向的晶粒则折皱成"ㄍ"字形
[8],随著变形程度增加,最后形成许多小质点,此时温度
效应促使材料再结晶,但并未发生晶粒成长,故材料经900
℃滚轧后之显微组织呈现晶粒细化的结果.图12及图13
为素材经1000℃及1100℃滚轧后之显微组织,其晶粒明显
粗大化,由於滚轧时,每次加工量很小(约3％),因此加
工效应影响亦小,但温度效应则会造成晶粒粗大化.材料
在β相区进行热加工后而造成晶粒粗大后,可在 α+β两
相区再施以热加工,以使晶粒回复到较细化的组织,如图
14 所示.晶粒回复后,如在900℃经不同时间(4,8,16
及24小时)退火处理后,可促使晶粒发生再结晶,如图
15所示,而进一步达到细化晶粒.
4.3实际应用
对於生医用钛合金铸造加工程序,铸件品质要求系以得
到无缩孔,气孔及裂缝等缺陷为主,而外层显微组织以得
到无α case为主,其中α case可以机械加工或化学腐蚀
方式将其去除.对於滚轧制程,基材显微组织以得到等轴
晶状α相及沿晶β相为最佳,外层组织亦以得到无α
case,表层显微组织以得到无锈皮(descale)为最佳,如
有α case则可以机械加工方法去除,而锈皮则可以下列方
法去除之:(1)酸洗,(2)喷砂,(3)机械加工,(4)上
述方法组合.
5,结 论
1,铸造后之晶粒变粗,外层显微组织具有一α case.
2,经900℃热滚轧后之晶粒会变细,表层组织存在一氧化
层,其厚度约8 m ,经1000℃及1100℃热滚轧后之晶
粒变粗,表层组织亦以氧化层为主,其厚度约12~13
m ,氧化层主要组成为TiO2,TiN及Al2O3 .为得到
细晶粒α相及沿晶β相,热滚轧温度应控制在α+β→
β相变态温度(957℃~997℃)以下,建议在957℃以下
为佳
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