Разработка температурно-скоростных режимов горячей деформации сплава Co – 28Cr – 6Mo на основе карт пластичности

Проведены испытания сплава медицинского назначения Co – 28Cr – 6Mo после гомогенизации на одноосное сжатие при температурах 1000, 1100 и 1200 °С и скоростях деформации 1, 10 и 50 с^–1 с использованием установки Gleeble System 3800. Получены кривые сопротивления деформации, описывающие деформационное поведение сплава. С использованием трех моделей (степенной, экспоненциальной и функции гиперболического синуса), описывающих напряжение течения, выполнены расчеты параметров горячей деформации (энергия активации, параметр Зенера-Холломона). Наиболее высокую степень сходимости показали результаты расчета, проведенного на основе степенной функции и функции гиперболического синуса. Данные модели могут быть использованы для точных расчетов напряжения течения при заданных параметрах температуры и скорости деформации, или для моделирования процесса деформации. Также на основе карт пластичности выполнена разработка деформационно-скоростных режимов горячей деформации сплава Co – 28Cr – 6Mo, что позволит в дальнейшем выбрать оптимальные режимы прокатки. Согласно полученным данным, благоприятные температурно-скоростные условия для осуществления горячей деформации смещаются по мере накопления деформации в область высоких температур и малых скоростей деформации. При этом крайне неблагоприятная зона с отрицательными значениями критерия стабильности пластического течения ξ, появляющаяся при значениях показателя деформации e = 0,3 – 0,4, продолжает довольно существенно расти с увеличением деформационного воздействия. Горячую деформацию сплава Co – 28Cr – 6Mo при малых степенях обжатия (e < 0,2) целесообразнее выполнять при температурах более 1150 °С и скоростях деформации не менее 20 с^–1. С ростом степени деформации необходимо выбирать более низкие скорости деформации (1 – 5 с^–1) и более высокую температуру деформации. 

1. Dobbs H.S., Robertson J.L.M. Heat treatment of cast Co-Cr-Mo for orthopedic implant use // Journal of Materials Science. 1983. Vol. 18. P. 391–401. https://doi.org/10.1007/BF00560627

2. Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Development of new metallic alloys for biomedical applications // Acta Biomaterialia. 2012. Vol. 8. No. 11. P. 3888–3903. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.06.037

3. Moradi S.M., Zangeneh S., Vardak S., Bahrami R. New Co-Cr-Mo-Nb-Cu alloy for implant applications: Properties characterization // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 925. Article 166387. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166387

4. Mahmoud Z. Ibrahim, Ahmed A.D. Sarhan, Farazila Yusuf, Hamdi M. Biomedical materials and techniques to improve the tribological, mechanical and biomedical properties of orthopedic implants – A review article // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 714. P. 636–667. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.04.231

5. Henriques B., Gasik M., Souza J.C.M., Nascimento R.M., Soares D., Silva F.S. Mechanical and thermal properties of hot pressed CoCrMo–porcelain composites developed for prosthetic dentistry // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2014. Vol. 30. P. 103–110. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2013.10.023

6. Vidal C.V., Muñoz A.I. Effect of thermal treatment and applied potential on the electrochemical behaviour of CoCrMo biomedical alloy // Electrochimica Acta. 2009. Vol. 54. No. 6. P. 1798–1809. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.10.018

7. Vidal C.V., Muñoz A.I. Electrochemical characterisation of biome­dical alloys for surgical implants in simulated body fluids // Corrosion Science. 2008. Vol. 50. No. 7. P. 1954–1961. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.04.002

8. Zhang E., Liu C. A new antibacterial Co-Cr-Mo-Cu alloy: Preparation, biocorrosion, mechanical and antibacterial property // Mate­rials Science and Engineering: C. 2016. Vol. 69. P. 134–143. https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.05.028

9. Yamanaka K., Mori M., Chiba A. Mechanical properties of as-forged Ni-free Co–29Cr–6Mo alloys with ultrafine-grained microstructure // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528. No. 18. P. 5961–5966. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.04.027

10. Yamanaka K., Mori M., Yoshida K., Kuramoto K., Chiba A. Manufacturing of high-strength Ni-free Co–Cr–Mo alloy rods via cold swaging // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016. Vol. 60. P. 38–47. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.12.032

11. Yamanaka K., Mori M., Yoshida K., Balvay S., Hartmann D., Fabrègue D., Chiba A. Preparation of high-strength Co−Cr−Mo alloy rods via hot-caliber rolling // Materialia. 2020. Vol. 12. Article 100729. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2020.100729

12. Makeev D.B., Kozlova O.N., Polulyakh L.A., Petelin A.L., Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya. Involvement of the Domestic Manganese Ores in Production // Russian Metallurgy (Metally). 2020. Vol. 2020. No. 9. P. 938–941. https://doi.org/10.1134/S0036029520090098

13. Dashevskii V.Ya., Makeev D.B., Polulyakh L.A., Aleksandrov A.A., Leont’ev L.I. Dephosphorization of manganese-containing oxide melts // Doklady Physical Chemistry. 2017. Vol. 473. P. 55–57. https://doi.org/10.1134/S0012501617040017

14. Полулях Л.А., Дашевский В.Я., Травянов А.Я., Юсфин Ю.С., Петелин А.Л. Поведение фосфора в доменной печи при выплавке чугунов и доменного ферромарганца // Известия вузов. Черная металлургия. 2009. Т. 52. № 3. С. 3–5.

15. Liao Y., Pourzal R., Stemmer P., Wimmer M.A., Jacobs J.J., Fi­scher A., Marks L.D. New insights into hard phases of CoCrMo metal-on-metal hip replacements // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2012. Vol. 12. P. 39–49. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2012.03.013

16. Caudillo M., Herrera-Trejo M., Castro M.R., Ramírez E., Gon­zález C.R., Juárez J.I. On carbide dissolution in an as-cast ASTM F-75 alloy // Journal of Biomedical Materials Research. 2002. Vol. 59. No. 2. P. 378–385. https://doi.org/10.1002/jbm.10001

17. Kaiser R., Williamson K., O’Brien C., Ramirez-Garcia S., Browne D.J. The influence of cooling conditions on grain size, secon­dary phase precipitates and mechanical properties of biomedical alloy specimens produced by investment casting // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2013. Vol. 24. P. 53–63. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2013.04.013

18. Yamanaka K., Mori M., Chiba A. Assessment of precipitation behavior in dental castings of a Co-Cr-Mo alloy // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2015. Vol. 50. P. 268–276. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.06.020

19. Rosenthal R., Cardoso B.R., Bott I.S., Paranhos R.P.R., Car­valho E.A. Phase characterization in as-cast F-75 Co–Cr–Mo–C alloy // Journal of Materials Science. 2010. Vol. 45. P. 4021–4028. https://doi.org/10.1007/s10853-010-4480-x

20. Chiba A., Lee S.-H., Matsumoto H., Nakamura M. Construction of processing map for biomedical Co–28Cr–6Mo–0.16N alloy by studying its hot deformation behavior using compression tests // Materials Science and Engineering: A. 2009. Vol. 513–514. P. 286–293. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.02.044

21. Guo S., Wu S., Guo J., Shen Y., Zhang W. An investigation on the hot deformation behavior and processing maps of Co-Ni-Cr-W-based superalloy // Journal of Manufacturing Processes. 2022. Vol. 74. P. 100–111. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.11.060

22. Kartika I., Li Y., Matsumoto H., Chiba A. Constructing processing maps for hot working of Co-Ni-Cr-Mo superalloy // Materials Transactions. 2009. Vol. 50. No. 9. P. 2277–2284. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2009103

23. Ghosh S. Interpretation of microstructural evolution using dynamic materials modeling // Metallurgical and Materials Transactions A. 2000. Vol. 31. P. 2973–2974. https://doi.org/10.1007/BF02830342

24. Ma X., Zeng W., Wang K., Lai Y., Zhou Y. The investigation on the unstable flow behavior of Ti17 alloy in α+β phase field using processing map // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 550. P. 131–137. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.04.045

25. Yamashita Y., Li Y., Onodera E., Matsumoto H., Chiba A. Dynamic recrystallization behavior of biomedical CCM alloy with additions of C and N // Materials Transactions. 2010. Vol. 51. No. 9. P. 1633–1639. https://doi.org/10.2320/matertrans.MAW201007

26. Li Y., Li J., Koizumi Y., Chiba A. Dynamic recrystallization beha­vior of biomedical Co-29Cr-6Mo-0.16N alloy // Materials Characterization. 2016. Vol. 118. P. 50–56. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2016.05.004

27. Prasad Y.V.R.K., Rao K.P., Sasidhara S. Hot Working Guide: A Compendium of Processing Maps. Ohio: ASM International, 2015. 545 p.

28. Prasad Y.V.R.K., Rao K. Processing maps and rate controlling mechanisms of hot deformation of electrolytic tough pitch copper in the temperature range 300–950 °C // Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 391. No. 1–2. P. 141–150. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.08.049

29. Evans R.W., Scharning P.J. Axisymmetric compression test and hot working properties of alloys // Materials Science and Technology. 2001. Vol. 17. No. 8. P. 995–1004. https://doi.org/10.1179/026708301101510843