MORFOLOGIA DENDRYTOW l SEGREGACJA DENDRYTYCZNA W ODLEWNICZYM STOPIE Co-Cr-Mo-C

Transkrypt

1 Solidification of Metais and Ałłoys Krzepnięcie Metali i Stopów PL ISSN , MORFOLOGIA DENDRYTOW l SEGREGACJA DENDRYTYCZNA W ODLEWNICZYM STOPIE Co-Cr-Mo-C ZBIGNIEW BOJAR Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa Stosując metodykę analizy obrazów mikrostruktury połączoną z rentgenowską orientacją obserwowanych krystalitów, opisano morfologiczne cechy hudowy dendrytycznej badanego stopu Vitałium. Opierając si" na liniowych rozkładach pierwiastków w mikroobszarach określono stopień segregacji dendrytycznej pierwiastków stopowych w zależności od typu makrostruktury w stanie lanym oraz zmianę poziomu segregacji pierwiastków w wyniku ujednorodniania. Wstęp Cechujące się wysokim stopniem biozgodności w środowisku płynów ustrojowych organizmu człowieka odlewnicze stopy kobaltu typu Vitalium są wypróbowanym i uznanym w środowisku lekarzy materiałem na metalowe elementy wszczepów ortopedycznych i stomatologicznych [1-4]. Mimo opracowania i zastosowania w medycynie także innych grup materiałów wykorzystanie stopów typu Vitalium jest w dalszym ciągu najbardziej powszechne [5]. Próby wykonawstwa endoprotez stawu biodrowego podejmowane przez wytwórców krajowych [6, 7] prowadzono również operając się na technologii odlewania metodą wytapianych modeli woskowych, stopu HK60M typu Vitałium. Obok szeregu cennych właśc iwo śc i użytkowych i technologicznych [5] stopy Vitalium wykazują istotną wadę wiążącą się z ograniczoną plastycznością, co uznaje się za główną przyczynę zdarzających się [4, 8-13] przypadków uszkodzeń endoprotez podczas użytkowania w organizmie.

2 22 Z. Bojar Wśród najważniejszych strukturalnych uwarunkowań kruchości odlewniczych stopów na osnowie kobaltu wymienia się [14-18] mikroporowatość odlewów, skłonność do budowy grubokrystalicznej, segregacje dendrytyczne, zlokalizowane po granicach krystalitów wydzielenia węglików ciągłych oraz węglików lamelamych stanowiących efekt przemiany komórkowej. Celem prezentowanej pracy było potwierdzenie faktu, że charakterystyczna, pasmowa budowa makro- i mikrostruktury poszczególnych krystalitów w odlewach jest uwarunkowana krystalograficznie, co w powiązaniu z wyraźną segregacją dendrytyczną znacząco rzutuje na właściwości stopów typu Vitalium [1, 19-22]. Metodyka badań Badania prowadzono na fragmentach wyciętych z precyzyjnych odlewów trzpieni endoprotez stawu biodrowego [l] wykonanych ze stopu o składzie (% wag.): Cr- 28,2; Mo - 5,8; C - 0,3; Mn + Si + Ni < 2,5; S, P < 0,005; Co - reszta. Wykorzystując technikę dyfraktometrycznej orientacji monokryształu (dyfraktometr Dron-2, przystawka do badati tekstury metodą odbiciową, wiązka o średnicy 0,7 mm filtrowanego promieniowania Co) przeprowadzono orientację wybranych makrokrystalitów stopu, a następnie opierając się na znajomości położeń biegunów niskowskaźnikowych płaszczyzn, przygotowano szlify metalograficzne o określonej orientacji. Ilościowe pomiary rozkładu zawartości (% wag.) kobaltu, chromu i molibdenu zrealizowano za pomocą mikrostruktury rentgenowskiej JXA-3A. Porównywano niejednorodność chemiczną stopu w stanie lanym dla różnych typów makrostruktury oraz po obróbce cieplnej w funkcji temperatury (l godzina w 1000, 1150 i 1220oC) i czasu wygrzewania (0,25, l i 4 godziny w 1220 C). Wyniki badań Struktura pierwotna badanego stopu, po krystalizacji w warunkach typowych dla odlewów trzpieni endoprotez, składa się z bardzo dużych (wielkość powierzchni poszcze- 1 gólnych krystalitów w przekroju poprzecznym trzpienia przekracza z reguły 15 mm-) krystalitów osnowy, którą stanowi [19] roztwór chromu, molibdenu i węgla w sieci A l ~-Co, oraz wydzieleń węglikowych typu ~ 3 C 6 [1], rozmieszczonych w charakterystycznych pasmach (rys. l). Przeniesienie kierunków geometrycznych związanych z pasmarni wydzieleń węglików i osiami obszarów wolnych od wydzieleń na projekcje stereograficzne pozwala jednoznacznie stwierdzić (przykładowa projekcja - rys. l), że kierunki te stanowią ślady przecięcia płaszczyzn typu { 100} sieci osnowy z płaszczyzną obserwacji (płaszczyzną szlifu). We wszystkich (kilkunastu) obserwowanych przypadkach węgliki powstąją na kierunkach leżących w płaszczyznach typu { 100} sieci Al osnowy. Orientacja konkretnego krystalitu względem powierzchni szlifu wyraźnie rzutuje na obraz makro- i mikrostruktury obserwowany na szlifie metalograficznym - im płaszczyzna szlifu jest bliższa orientacji { 100} sieci Al osnowy, tym wyraźniej- za sprawą poszerzania się obszarów wolnych od wydzieleń (k - na rys. l) - widoczny jest warstwowy układ

3 Morfologia dendrvtów i segregacja. 23 wydzieleń węglikowych. Informacje o krystalograticznym charakterze rozkładu wydzieleń węglikowych wiążą s ię bezpośrednio ze spostrzeżeniami o morfologicznych cechach budowy dendrytów osnowy stopu. -k 2om Rys. l. Relacj a pomiędzy mikrostrukturą i orientacją krystalograficzną wybranego krystalitu Analiza obrazu struktury dowolnie zońentowanych krystalitów obserwowanych w jednej płaszczyźnie szlifu, a następnie w dwóch prostopadłych płaszczyznach szlifu oraz na przygotowanych szlifach o znanej ońentacji (równoległe do płaszczyzn { 100}, { 111} i { 11 O}) pozwala stwierdzić, że dobrze widoczne pod mikroskopem przestrzenie

4 24 Z. Bojar mi ędzy d e ndr y tycz n e (rys. 2a) pokrywai::t się z kierunkami pasm węglików, wyznac zając jednocześnie "granice" dendrytów osnowy. Ś ciany zewnętrzne gał ęzi dendrytu osnowy danego krystalitu są rów noleg łe do płaszc zyzn krystalograficznych typu { 100}, a osie g ł ów n e dendrytu Slt wyznaczone przez kierunki typu <100>. W efekcie model dendrytu a) b) 50,c.m c) 3001-lm Rys. 2. Morfologia dendrytów i uporzqdkowany rozk ł ad (a). h. c - prze ł o my (SEM l fazy węglik o we_j osnowy badanego stopu m oż na prz ed s tawi ć jako układ trzech rów n oważ n ych system(jw ga ł ęz i w fonnie wzaj emnie pros topadł yc h płyte k widocznych w układ z i e dwuwymiarowym na szlifie równoległym do płaszczyz n y {I 00} (rys. 2a) oraz, po częśc i trójwymiarowo, na prze ł omi e śro dkrysta li czn ym (rys. 2b) i mi ęd zy krysta liczn ym - po granicach drobnych krystalitów przy l ega jąc yc h do rzadzizny międ zy dendry tyczn ej (rys. 2c). Wyliczone na podstawie z naj om ośc i orientacji krystalograficznej rzeczywiste g rubo śc i ga ł \=Z i dendrytycznych (od l eg ł ośc i mi ędzy warstwami węglików ) w poszczególn yc h

5 Morfologia dendrvtów i segregacja. 25 krystalitach wynoszą IJ.Ill, niezależnie od rodzaju makrostruktury obserwowanej w tych krystalitach. W stopach wykazujących budowę dendrytyczną rozkład zawartości poszczególnych pierwiastków jest zdeterminowany w pierwszym rzędzie orientacją gałęzi dendrytycznych względem obserwowanej powierzchni. W przypadku stwierdzonego w badanym stopie , ~ o.t: u :li :lo 2Q :: , ~ ł r, f <l a.,. o Rys. 3. Liniowe rozkłady podstawowych pierwiastków metalicznych na szlifie równoległym do { 100} JLm Vitalium istnienia systemu trzech wzajemnie prostopadłych gałęzi dendrytów w formie grubych płytek możliwa jest realizacja wymogu, aby zapis rozkładu pierwiastków wchodzący w skład stopu został dokonany na szlifie przechodzącym dokładnie przez rdzeń dendrytu. Pozwala to na ocenę stopnia rzeczywistej segregacji dendrytycznej pierwiastków w osnowie stopu (poza obszarem wydzieleń węglikowych).

6 ~ tv 0 etan lany 1220 C l 15 ain 1220 C l 60 ain 1220 C / 240 ain N~O~ =d j~ :,~r ] o t;:;yj E:J.E;J UQO 12W o C l o ~ l j-~~~ ~ E::03.~ l N t:l::l <2. :;:,., u _l l :.::~ --~- d ~:=:.d,~==l i l o :IDO l00 o 2CIO UQO 1200 o l00 o ' odlecło ć, JLa Rys. 4. Zestawienie rozklad(iw z a w a rt ośc i kobaltu. chromu i mo libdenu dla stanu lanego i po wyż a rz a niu ujedn o r a clniaj ącym

7 Morfologia dendrvtów i.segregacja. 27 Na podstawie analiz dokonanych na szlifach równo l egłyc h do płaszczyzn typu { 100} sieci Al osnowy ( przy kła dow e zapisy na rys. 3) stwierdzono, że chrom (ws półczy nnik rozkładu k = 0,93) i molibden (k = 0,58) wykazują w badanym stopie podczas krystalizacji pierwotnej segregac j ę dendrytyczną pro s tą, a kobalt (k = l,07) - segregację ltoball.,llbden u o~ c-- - ~ - ' -~ Ił, ~ ~ ~ ' ~. l ] et... "'l ~4r ~-~- ~ :=;- ~, ' '".. l. ~,,~. l J :. : : Jt,.;77c-= IIII " ł 1 1 l"',~. l : - '1 :. J : u -,., :., : o~ o. o. r:-'-,.--~ ", : " " u o~ _, :,. l '" - ~ :-~~ :. : : : :, : ll_, : ~. ~ ~ : - a i ~. ~. i.. \. ;.. : j j ; ; ~,. ~m~ Rys. 5. Histogramy roz kł ad u pierwiastków w za leżn ośc i od temperatury l-godzinnego wygrzewania dendrytyczną odwrotną. Najwyższ ą skłonnością do segregacji w stanie lanym cechuje się molibden. Wobec istnienia wydzieleń węglikowych w przestrzeniach międzydendrytycznych, segregacja dendrytyczna jest tylko jedną ze s kładowych łączn ej niejednorodn ośc i chemicznej wy s tępującej w objętości stopu. W przypadku stopu Vitalium, użytego jako materiał wszczepu medycznego, szczególnego znaczenia nabiera fakt, że grubo-

8 28 Z. Bojar płytkowa budowa gałęzi dendrytów osnowy oznacza, iż obszary wyjścia poszczególnych, różnie zorientowanych krystalitów na powierzchnię endoprotezy wykażą znacząco różny stopień nasilenia niejednorodności chemicznej, istotnej dla poziomu odporności korozyjnej w płynach ustrojowych. Stąd uznano, że liniowe rozkłady poszczególnych pierwiastków rejestrowane na makroskopowo długich odcinkach (po trzy zapisy na długości pomiarowej l,.'i-2,0 mm, prostopadle do warstw wydziele11 węglikowych) mogą dostarczyć danych do ilo śc iowej oceny stopnia łącznej niejednorodno~ci chemicznej badanego stopu. Opierając się na analizie statystycznej rozkładów zawartości kobaltu, chromu i molibdenu wyznaczono histogramy rozkładu tych pierwiastków oraz wyliczono współczynniki zmienności tych rozkładów, w zależności od stanu badanego stopu. czas 1 odzina a)., b) il ~ ~ l. -kobalt o -chrom - molibden o o VIII numer pro b ki c) o X (stan ~ l: l: IV lany) o ~~ ~~L---~~~-- -kobalt O -chrom -mollbde czas wrcrzewania, min -kobalt O -chrom -molibden Rys. 6. W spó łczynnik zmienn ośc i roz kładu pierwiastków stopowych w zale ż n o ś ci od typu makrostruktury (a: I. VITI. X- próbki z pasmowym układem wydzieleń, IV - drobne, chaotycznie zorientowane krystality). temperatury (b) i czasu wygrzewania (c) Wpływ czasu wygrzewania bezpośrednio na przebieg liniowych rozkładów kobaltu, chromu i molibdenu przedstawiono na rysunku 4, temperatury wygrzewania w stałym czasie na obraz histogramów rozkładu na rysunku 5, a zmiany zarejestrowane na wyciętych z tego samego fragmentu trzpienia próbkach wygrzewanych w temperaturze 1220 C w czasie do 4 godzin (rys. 4) jednoznacznie wykazują, że po wygrzewaniu ponad l-godzinnym, niejednorodność chemiczna badanego stopu zdecydowanie się zmniejsza. Natomiast l-godzinne wygrzewanie badanego stopu w temperaturze l 000 C praktycznie nic zmienia kształtu histogramów rozkładu (rys. 5) żadnego z pierwiastków. W wyższych

9 Morfologia dendrvtów i segregacja. 29 temperaturach stopień jednorodności kobaltu i chromu ulega poprawie, natomiast w przypadku molibdenu niejednorodność obniża się dopiero po l-godzinnej obróbce cieplnej w 1220 C. Wyznaczone współczynniki zmienności rozkładów poszczególnych pierwiastków w różnych stanach materiału (rys. 6) umożliwiają bezpo średnie porównanie (pomimo różnych poziomów zawartości pierwiastków w stopie) stopnia niejednorodności w stanie lanym oraz skuteczności ujednorodnienia podczas obróbki cieplnej. Niezależnie od stanu materiału, w każdym przypadku chrom wykazuje największą jednorodność rozkładu. Niejednorodność rozkładu kobaltu jest nieznacznie wyższa niż chromu, natomiast zdecydowanie najwyższą niejednorodność rozkładu wykazuje molibden. Szczególnie wysoką niejednorodno ść rozkładu molibdenu stwierdzono w stanie lanym (rys. 6a), na powierzchniach o orientacji bliskiej { 100} sieci Al osnowy stopu. W odl ewach o budowie drobnych, chaotycznie zorientowanych krystalitów, niższa jest wyjściowa niejednorodność (rys. 6a) i proces ujednorodnienia podczas obróbki cieplnej jest takż e bardziej skuteczny (rys. 6c). Podsumowanie wyników Regularna budowa dendrytów osnowy odlewniczego stopu Co-Cr-Mo-C determinuje cyk lic z ną ni eje dnorodność rozkładu pierwiastków wchodzących w jego s kład. Podczas krystalizacji chrom, węgiel, a zwłaszcza molibden wzbogacają stopniowo przestrzeń międzydendrytyczną i powodują zarodkowanie w tej strefie węglików pierwotnych jako wydzieleii ciągłych lub komórkowych, rozmieszczonych w warstwach równol eg łych do ga ł ęzi dendrytów. Ciągła zmiana udziału poszczególnych pierwiastków wywołana segregacją dendry t ycz ną oraz skokowa zmiana wywołana występowaniem cząstek węglików składają się na łączny obraz niejednorodności chemicznej badanego stopu. Stopieli niejed n orod ności chemicznej obszarów poszczególnych krystalitów wychodzących na pow i erzc hnię swobodną odlewu zdecydowanie zależy od orientacji krystalitu względem powierzchni, co w obecności elektrolitu wywiera wpływ na odporność korozyjną badanego stopu. Stopień j ed norodno śc i stopu wpływa także wyraźnie na przebieg pękania odlewów Co-Cr-Mo-C pod wpływem naprężeń stałych, dynamicznych i zmęczeniowych [l]. Literatura l. Z. BOJAR: Analiza wpływu struktury na odporność ko rozyjną i mechanivn pf!kania stopów kobaltu rvpu Vitalium. W A T. Warszawa D.I. BARDOS. H.A. LUCKEY: Microstructural Sci. B , L.Z. Zl-lUANG, E.W. LANGER: J. Materials Sci , S. BEZNOSKA O. CECH. K. LOBL. K. STRANSKY: Strojirenstvi 1984, 34, Z. BOJAR, W. PRZETAKIEWlCZ: Mechanik 1989, 9, Z. BOJAR (współaut.): Oprac. niepubl. nr 42/86, Sp. Dorad. Gospod. "KONPOL", Warszawa Z. BOJAR (współaut.): Oprac. niepubl. nr 85/87, Sp. Dorad. Gospod. "KONPOL", Warszawa!987.

10 30 Z. Bojar 8. Z. BOJAR, K. MIZAK: Mat. VIII Szkoły Biomechanika. Warszawa 1989, W.E.WHITE, I. LEMA Y: Microstructural Sci. B 1975, 12, E. SMETHURST, R.B. WATERHOUSE: J. Materials Sci. 1977, 12, II. G. SALIS- SOGLIO I IN.: Z. Orthop. 1983, 121, J. PIRS: Werkstofftech. 1985, 16, L.N. GILBERTSON: Microstructural Sci. 1975, 3, Z. BOJAR. W. PRZETAKIEWICZ: Mat. Konf. nt.termoobróbka '88- Optymalizacj a obróbki cieplnej. laszowiec 1988, M. LORENZ, I IN.: Eng. Medicine 1978, 7, 4, T. UCHYMIAK, W. PRZETAKIEWICZ: Biul. WAT 1981 XXX, T. UCHYMIAK: Praca doktorska. Warszawa L.Z. ZHUANG, E.W. LANGER: J. Materials Sci. 1989,24, Z. BOJAR: Arch. Nauki o Mater. 1992, 13, l, Z. BOJAR: J. Tech. Phys , Z. BOJAR: Mat. Xlll Konf. Metalozn. Warszawa-Popowo 1992, Z. BOJAR: Mat. IV Krajowej Konf. Korozyjnej nt.korozja '93. Warszawa Praca zrea lizowana w ramach projektu badawczego KBN nr OJ. Summary DENDRITE MORPHOLOGY AND DENDRITE SEGREGATION IN THE Co-Cr-Mo-C CAST ALLOY In vitalium-type casting ałloys characteristic macro- and mikrostructural bands m ay be observed. The matrix dendrite were found to have the form of shects parałlei to the {100}-face of the elementary celi AL The plate structure of a dendrite branches of the matrix dctermines thc layer ed distribution of carbides and their tape morphology. The segregation of ałloying elements during solidification and after heat treatments was examined too. There is wełl defined, hut a little interdendritic segregation of molibdenom. The layered system of structural and chemical components cannot in such a case remain without influence on the non-homogencity of the mechanical, physical and chemical properties of particular macrocrystallites and the ałloy as whołe.