Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad KermanPour,Mahmood Meratian isfahani,Mohammad Hosein Fathi
احمد کرمانپور (استاد راهنما) محمود مراتیان اصفهانی (استاد راهنما) محمدحسین فتحی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hosein Ghazavinizadeh
حسین قزوینی زاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1385

TITLE

Evaluation of the Investment Casting Parameters on Microstructure and Wear Behavior of Biocompatible F-75 Cobalt Base Alloy
The ASTM F-75 cobalt base alloy is widely used as a surgical implant material, due to its high corrosion and wear resistance and biocompatibility. The alloy is usually produced by investment casting method. In this work, effects of mold preheating temperatures, type of mold materials and pouring temperature on the as-cast microstructure and wear behavior of the alloy were studied. The investment cast specimens were solutionized for 1 and 4 h at 1220 °C followed by isothermally aging for 7 and 10 h at 850 °C. Samples were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, differential thermal analysis, macro hardness and wear test. Effects of the casting parameters on as-cast microstructure and wear behavior of the alloy was also simulated by using ProCAST software. The size of secondary dendrite arm spacing in as-cast microstructure was measured and compared to the simulated results. The SDAS, grain size, volume fraction of carbides, ratio of the volume fraction of blocky carbides to that of eutectic carbides in the microstructure were slightly decreased when the type of mold was slightly changed, although the wear behavior and hardness of the alloy were not changed in this condition. The predicted results were in good agreement with the measured ones. In fact, the cooling capability of molds A and B was in the same order. According to the result of this model, several mold preheating temperature such as 550, 700, 850 and 1000 °C was selected. The results showed that increasing the mold preheating temperature led to considerable change of the volume fraction of carbides in grain boundaries, increasing of average grain size from 50 to 150 µm and SDAS and improving of wear behavior of the alloy. The results showed that change of pouring temperature from 1430 to 1490 °C led to the coarsening of dendrites and increasing of SDAS. The solution heat treatment resulted in removing of eutectic carbides, appropriate distribution of blocky carbides and grain growth. The main structural change observed as a result of aging was the face-centered-cubic (Fcc) to hexagonal close-packed (Hcp) martensitic transformation that led to improvement of wear behavior. The volume fraction of the transformed hcp martensite was a function of time and temperature. According to the experimental and modeling results, investment casting of the F-75 alloy using mold A at mold preheating temperature of 1000 °C and pouring temperature of 1470 °C were determined as the appropriate casting conditions. Keywords : Investment cast, Co alloy, Microstructure, Wear behavior
آلیاژ پایه کبالت F-75 ASTM از جمله مواد زیست سازگار با مقاومت سایشی و خوردگی بالا می باشد که در ساخت انواع کاشتنی های جراحی کاربرد وسیعی دارد. در این پژوهش تأثیر متغیرهای ریخته گری دقیق شامل دمای پیشگرم قالب، جنس قالب و دمای بارریزی بر ساختار میکروسکوپی و رفتار سایشی این آلیاژ مورد ارزیابی قرار گرفت. نمونه ها با استفاده از روش ریخته گری دقیق با قالب توپرتهیه شد و سپس تحت عملیات حرارتی انحلالی در دمای 1220 درجه سانتیگراد به مدت 1 و 4 ساعت و عملیات حرارتی پیرسازی در دمای 850 درجه سانتیگراد به مدت 7 و 10 ساعت قرار گرفت. برای مشخصه یابی نمونه ها از متالوگرافی نوری و الکترونی، پراش پرتو ایکس، آنالیز حرارتی تفاضلی و آزمایش سایش وسختی سنجی ماکرو استفاده گردید. تأثیر متغیرهای فوق بر ریزساختار آلیاژ به کمک نرم‌افزار شبیه‌سازی ProCAST نیز مورد ارزیابی قرار گرفت و فواصل بین بازوهای دندریتی به عنوان معیار مقایسه انتخاب شد. نتایج نشان داد که با تغییر جنس قالب، فواصل بین بازوهای دندریتی ثانویه، ساختار دانه بندی، کسر حجمی کاربیدها و نسبت کسر حجمی کاربیدهای بلوکی به یوتکتیکی موجود در ریزساختار به میزان کمی تغییر یافت. همچنین تغییر زیادی در رفتار سایشی و سختی آلیاژ دیده نشد. بر اساس نتایج شبیه سازی، چهار دمای پیشگرم قالب 550، 700، 850 و 1000 درجه سانتیگراد انتخاب شد. افزایش دمای پیشگرم قالب باعث کاهش محسوسی در رسوبات کاربیدی در مرزدانه ها، افزایش متوسط اندازه دانه از حدود 50 میکرون به 150 میکرون، افزایش فواصل بین بازوهای دندریتی ثانویه، بهبود رفتار سایشی شد. تغییر دمای بارریزی از 1430 تا 1490 درجه سانتیگراد منجر به خشن شدن دندریت ها و افزایش فواصل بین بازوهای دندریتی ثانویه از 62 تا 72 میکرون گردید. سیکل عملیات حرارتی انحلال باعث حذف کاربیدهای یوتکتیکی ، توزیع مناسب و پخش شدن کاربیدهای بلوکی و رشد دانه ها شد. با انجام عملیات حرارتی پیرسازی، استحاله برشی تبدیل ساختار کریستالی فاز زمینه از مکعبی با وجوه مرکزدار (Fcc) به شش وجهی فشرده (Hcp) رخ داد که باعث بهبود رفتار سایشی آلیاژ گردید. کسر حجمی فاز استحاله یافته با زمان و دمای پیرسازی ارتباط داشت. با توجه به نتایج تجربی و مدل شبیه سازی، دوغاب سرامیکی با درصد سیلیکای کمتر برای قالبگیری، دمای پیشگرم قالب 1000 درجه سانتیگراد و دمای بارریزی 1470 درجه سانتیگراد به عنوان شرایط بهینه ریخته گری دقیق آلیاژ پایه کبالت زیستی F-75 انتخاب گردید. کلمات کلیدی: ریخته گری دقیق، آلیاژ پایه کبالت، ساختار میکروسکوپی، رفتار سایشی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی