口腔科医用焊接材料焊接可靠性研究
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[摘 要] 目的： 为了提高常用牙科金属材料CoCr合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊接可靠性,选择钎焊性能好的钎料(焊剂)。方法： 对1＃ ～5＃5种钎料(焊剂) 进行了润湿性试验、填缝试验、力学性能测试及显微组织分析。结果： 运用新研制的1＃和4＃钎料进行焊接的牙科金属材料具有良好的综合性能和可靠性。结论： 1＃和4＃钎料可以替代从国外进口的价格昂贵的钎料。
[关键词] 牙科材料; 焊接可靠性; 钎料
Studies on the Weldability of Dental Metallic Material
WU Zhanao1, XIE Chunsheng2, YANG Qingqing2, LIU Si1
(1. Department of Stomatology,the 359th Hospital, CPA, Zhenjiang Jiangsu 212001;
2. Research Institute of Material,Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang Jiangsu 212003， China)
[Abstract] Objective: To elevate the weldability of usuallyused dental metallic materials such as CoCr alloy and 1Cr18Ni9Ti stainless steel, the weldability of five brazings were studied. Methods： The brazings of the best brazing properties were selected by means of moistness test, fillingseam test, mechanicalproperty test and microstructural analysis. Results： No.1 and No.4 brazings had excellent comprehensive properties and weldability. Conclusion： No.1 and No.4 brazings can substitute for the silverbased brazings which is imported from America and expensive.
[Key words] Dental metallic materials; Weldability; Brazing
随着生物医学的不断发展,新材料、新技术的应用不断扩大,对牙科材料的发展和连接工艺不断提出新的要求。牙科材料种类繁多,而使用最多的是金属材料[1,4]。目前,我国最常用的牙科金属材料是CoCr，NiCr合金和不锈钢。CoCr合金化学稳定性好,具有优良的生物相容性、耐蚀性、耐磨损及机械性能[2,3]。但是,若连接(焊接)不可靠,则在口腔内可能发生断裂,对患者造成新的伤害,因此医务工作者十分重视CoCr合金焊接及其可靠性问题,希望国内能研制性能优越的钎料(牙科中“钎料”称为“焊剂”),替代从国外进口、价格昂贵的钎料。本文主要对自行研制的不同钎料钎焊CoCr合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢牙科材料,通过润湿性试验、填缝试验、力学性能测试及显微组织分析,以解决其连接的可靠性问题,以选择钎焊性能较好的钎料替代从国外进口的、价格昂贵的钎料,并根据其材料性能制定正确的焊接工艺。
1 材料与方法
CoCr合金是上海医疗器械股份有限公司齿科医械厂生产,1Cr18Ni9Ti不锈钢丝是由德国贺利氏公司生产,其成分如表1所示。CoCr合金呈丝状,有180 mm与14 mm两种规格,其中180 mm的CoCr合金用于作金相分析与硬度测试、14 mm的CoCr合金用于作拉伸试验;1Cr18Ni9Ti不锈钢呈直径为225 mm的丝状。1＃钎剂(焊媒)呈粉末状,成分为w(KF)+w(B2O3)+w(KBF4)=42%+35%+23%；2＃钎剂呈膏状,成分为w(KF)+w(B2O3)+w(H3BO3)+w(Na2B4O7)=15%+15%+35%+35%。 表1 CoCr合金成分表2 钎料的成分及钎焊温度
2 结 果
21 不同钎料的铺展性及填缝试验
钎焊时,熔化的钎料与固态母材接触,液态钎料必须很好地润湿母材表面才能填满钎缝。评定钎料性能主要有钎料的铺展性和润湿性两个指标。由于熔化的钎料和钎剂均系液体,所以液体对固体的润湿以及钎缝的毛细作用是熔化钎剂或钎料填缝的基本条件[4]。
试样材料为1Cr18Ni9Ti。根据GB1136489钎料铺展性及填缝试验方法,铺展性试验试样尺寸40 mm×40 mm×1 mm,如图1(a)所示;填缝试验中,底板试样尺寸为20 mm×110 mm×4 mm,立板尺寸为20 mm×100 mm×4 mm,如图1(b)所示。
试验前,铺展试样的试验面用400＃化硅砂纸打磨,保证表面的光洁、平整;填缝试验的立板钎焊面及底板钎焊平面也用砂纸打磨,以保证立板加工面与底板表面垂直;毛边、毛刺彻底清除。
为不影响实验结果,对打磨处理的试样用清水清洗干净,然后用乙醇清洗,除去试验面的油污及氧化物等杂质。实验前,均用400＃砂纸将钎料进行打磨,以去除表面氧化物,然后用乙醇清洗。铺展实验中,1＃～4＃钎料弯成圈状置于试样表面的中心位置,如图1(a)所示。
钎剂用量应使之能覆盖住钎料,即铺展试验中钎剂能盖住钎料的铺展面积,填缝试验中应使其熔化后足够填满钎缝间隙。
22 不同钎料的铺展性试验
评定钎料润湿性的依据主要有钎料铺展面积和润湿角,本试验是测定钎料的铺展面积。
根据GB1136489,铺展实验中1＃～4＃钎料均取020 g。试验前,为保证钎焊温度,防止试样冷却过快,将保温砖在KSW4D11型箱式电阻炉中预热到750 ℃。从炉中取出保温砖放到工作台上,再将试样平放在保温砖上,丝状的钎料绕成小环状置于试样中心位置,钎剂覆盖住钎料,如图1(a)所示,用GT3000S型焊炬加热,钎料全部熔化后保温30 s,再取出空冷。将保温砖放回电炉中,再预热到750 ℃,以备做下一试样。各试样的铺展面积如表3所示。
2 3 不同钎料的填缝试验
液态钎料充分的流入并致密的填满全部钎缝,是形成优质钎焊接头的前提条件之一。由于填缝时钎料呈液态,所以液体的润湿性及钎缝间隙的毛细作用是熔化钎料填缝的基本条件。本试验靠冷凝后测量钎料流动的距离,按其长短来评定润湿性[5]。
根据GB1136489,填缝试验中采用1＃钎剂与1＃～4＃钎料,且1＃～4＃钎料各取080 g。
填缝试验中,底板与立板成垂直“⊥”型放置,在一端垫入直径为1 mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢丝,并用耐热的细丝捆扎固定,然后在间隙零端一侧放置钎料,并配以钎剂,将其覆盖于钎料上。之后,将试样平放到预热至800 ℃的保温砖上,送入炉中。3＃钎料因细而长,剪成两段摆放在“⊥”型板间隙的两侧,其余钎料均放在“⊥”型板间隙的一侧。试样放置到炉温为800 ℃的KSW4D11型箱式电阻炉中保温,保温时间见表4。保温后从炉中取出试样空冷。试样在入炉、出炉操作过程中应避免抖动。各试样的填缝能力如表4所示。表4 填缝时钎焊的工艺参数
24 焊接接头的拉伸试验
焊接接头的机械性能是评判材料性能的主要依据,因此主要测试两种牙科材料用不同钎料钎剂焊接后的机械性能和硬度[6]。拉伸试样尺寸:1Cr18Ni9Ti不锈钢是直径225 mm的细丝,CoCr合金是直径140 mm的细丝。焊接接头与两种合金(母材)拉伸测试的力学性能进行对比。
241 钎料钎焊试样制备 钎焊前,将试样校直,用400＃碳化硅砂纸沿一个方向进行打磨,并用水冲洗,然后用乙醇进行清洗去掉表面氧化物与油污。所用1＃～4＃钎料,与铺展性及填缝试验一样进行预处理。钎焊对接试样如图2(a)所示。搭接试样制备、金相试样制备与对接试样制备工艺基本相同,区别在于两根试样不是对接而是搭接。钎焊搭接试样如图2(b)所示。搭接长度由经验确定一般为所钎焊的杆件直径的4倍。料为自钎剂钎料,钎焊时不需要钎剂,也不需要对钎料进行与处理。5＃钎料的填缝试验和对接、搭接试验都在解放军359医院进行,试样下垫有石英板,用焊炬直接对母材及自钎剂钎料加热焊接,焊后空冷。
24.2 母材及钎焊接头强度试验 将钎焊后对接试样、搭接试样的接头处打磨去除多余的钎料,使其尺寸规格与母材一致,采用GB1136389钎焊接头强度试验方法标准在LJ5000型拉力试验机上进行力学性能测试(如图3所示),其中CoCr合金、1Cr18Ni9Ti的标距分别为14 mm、225 mm。表5 两种合金母材的拉伸性能
25 焊缝金相组织分析
牙科材料的连接是熔融的钎料通过润湿母材、溶解母材、向母材扩散而实现溶解扩散冶金结合,结合界面比较分明。由于牙科材料连接主要是搭接连接,从表6、表7的剪切强度和延伸率及钎料的焊接性综合考虑,1＃与4＃钎料的综合性能较好,且焊缝组织是均匀细小的亚共晶组织,其中有固溶于Ag或Cu基的α固溶体,其钎焊CoCr合金的焊缝组织如图4所示,1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊缝组织与CoCr合金相同。
3 讨 论
综合分析研究了5种钎料的焊接性、焊接接头的力学性能和焊缝的金相组织,得到如下结论:
(1) 1＃钎料和4＃钎料熔点低、润湿性好、具有良好的耐蚀性,且其钎焊接头的力学性能优于5＃钎料。从金相照片上可以观察到1＃钎料和4＃钎料钎缝含有均匀分布的亚共晶组织,并且固溶有大量的Ag基和Cu基的α相,使得其强度、硬度更高,塑性更好。所以1＃钎料和4＃钎料完全可以替代国外进口的、昂贵的5＃钎料,应用于牙科材料的连接。
(2) 1＃钎料和4＃钎料钎焊牙科材料工艺:钎焊温度750 ℃,保温时间3～5 min;接头中搭接接头形式为宜,搭接长度为钎焊杆件直径的3～5倍;钎焊接头间隙以0025～015 mm之间为宜;为了节省材料,提高钎焊接头性能,丝状钎料的直径为1 mm最合适。
[参考文献]
[1] 李 青. 生物体用金属材料[J]. 金属功能材料, 2000, 7(4): 8-14.
[2] 谢贺明. 口腔材料学[M]. 西安:陕西科学技术出版社, 1993: 126-128.
[3] 于思荣. 金属系牙科材料的应用现状[J]. 金属功能材料, 1993, 1(2): 10-14.
[4] 邹 喜. 钎焊[M]. 北京:机械工业出版社, 1997: 3-17.
[5] 美国金属学会. 金属手册:第6卷[M].8版. 北京:机械工业出版社, 1984： 1040-1044.
[6] 束德林. 金属力学性能[M]. 北京:机械工业出版社, 1995: 3-7.
(1. 中国人民解放军359医院口腔科, 江苏 镇江 212001; 2. 江苏科技大学材料研究所, 江苏 镇江 212003)
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