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钛合金铸件的表面反应层对可磨性的影响

摘要：

目的：本研究的目的是调查钛合金铸件磨削时表面反应层的效果，包括自由加工钛合金（DT2F），并且将其结果与两种牙科铸造合金（金和钴铬）的可磨性作比较。

方法：所有的钛合金样品（纯钛，Ti–6Al–4V和DT2F）都是采用一台离心铸造机在氧化镁材料的模具上进行铸造的。钛合金金属被铸造成两种尺寸的样品，较大尺寸的铸件与较小的金和钴铬合金样品去除表面的反应层后的尺寸相同（例1）。可磨性的测量是按样品一分钟在机头引擎带动碳化硅磨料的砂轮上磨损的量来计算，砂轮受到0.1千克力，以四周轮速度转动。

结果：对于钛和金的合金，随着转速的增加，可磨性也增加。所有的钛合金样品无论有没有例1的情况，它们的可磨性没有统计学上的差异（pgt;0.05）。对于那些钛金属的测试，Ti–6Al–4V合金在较高的转速下有最大的可磨性，其次是DT2F和纯钛。金合金的可磨性类似于Ti–6Al–4V合金，然而钴铬合金具有最低的可磨性。

意义：这项研究的结果表明，试样1的情况对钛合金的磨削加工性的影响并不明显。相对于纯钛，钛合金的自由加工改进了它的可磨性。

关键词：钛，合金，铸造，可磨性。

引言：

钛因其有优良的生物相容性，耐腐蚀性和机械性能，已经被用于药物和牙科的某些领域[ 1,2 ]。由于牙科铸造技术已通过广泛的研究工作提炼，钛假体，如冠，固定和可摘假牙可以做成类似于金和钴铬合金的假肢[ 3 - 7 ]。然而，钛由于其某些特殊的金属性能而广泛应用之前，仍然有几个障碍需要克服[ 8 - 12 ]。例如，经临床使用后，在钛和义齿基托树脂之间有严重的钛齿磨损和剥离被报道出来了[ 13 - 15 ]。此外，由于钛的固有的化学活性高，有相对较低的导热系数和低弹性模量，所以牙科磨削或切割的实验过程被认为是困难的[ 16 - 23 ]。

可磨性被定义为加工金属的[ 24 ]相对容易程度。普遍用来评估可磨性的三个标准是: 刀具寿命，表面抛光和切削力[ 25 ]。一些研究已经发表了关于牙科钛的可磨性[16–23]。宫崎骏等人[ 16 ]研究了铸造工业纯钛的磨削比（金属去除量除以刀具磨损量），将此作为一个参数来表示可磨性。尽管钛合金的体积损失大于钴铬合金，但是磨削比较小（钛的刀具磨损较大）。宫胁等人[ 19 ]，研究使用高速涡轮牙钻去切削纯钛铸件的过程，并且将其结果与三种牙科使用的铸造合金的结果作对比。纯钛的体积损失量与镍-铬合金的体积损失相似，但是与铸造的银基牙科合金相比却大大的降低了。宫川等人[ 18 ] 利用碳化硅砂轮和实验用砂轮做实验，报道了铸造钛的磨削效果，发现随着旋转速度和磨削力的增加，体积的损失量越大。

钛的化学活性高以及投入量的增加使得一层又硬又脆的反应层（例1情况下）在铸件的表面形成。在我们先前的研究里[ 20 ]，铸造钛合金的表面的可磨性在去除硬化的表面反应层前后都被测量了，这些硬化的表面反应层很大程度上依赖于加工条件。使用一种带裂钻的电动式手部发动机，发现纯钛在有没有例1的情况下有一个显著的差异。但采用碳化硅磨料成分的磨具时，并没有显著性的差异。在切割和磨削钛后，观察到两种类型的磨具都有严重的磨损。瓦塔纳贝等人[ 22 ]在使用碳化硅砂轮去除所有的铸件表面反应层后，对铸造钛合金进行了商业化评估（三个和两个的钛合金）。的钛合金（Ti–6Al–4V 和 Ti–6A–7Nb）的磨削加工性比所有其他金属都好一些。

一个自由加工钛合金DT2F的公司，发展并提高了它的可磨性（大同特殊钢有限公司，名古屋，日本）。它是由纯钛（2级的ASTM）加以少量的硫和一些稀土元素组成来促进可磨性[ 26 ]；这些元素形成了球状的硫化物，并且在结构内部均匀分布。泰若等人[ 27]报道称，当使用高速空气涡轮和硬质合金旋转锉时，这种锻制形式的金属（相对于铸造的金属）的可磨性比起纯钛的较好。去除表面反应层的铸件DT2F相对于纯钛也有较好的可磨性，纯钛使用空气涡轮机头和硬质合金旋转锉磨削[ 21 ]。然而，有关于钛合金的表面反应层对可磨性的影响的信息几乎没有，包括这种自由加工的钛合金，使用电机头引擎与碳化硅砂轮做牙科实验的目的。本研究的目的是探讨表面反应层对钛合金磨削加工性的影响，并且将其结果与两种牙用合金的磨削加工性作比较。

材料与方法

样本的制备：

在本项研究中使用的五种金属分别是：可自由加工的钛合金（DT2F大同特殊钢有限公司，东京，日本），商用纯钛（纯钛，2级ASTM，钛产业，大草原，得克萨斯州），Ti–6Al–4V合金（Ti–6Al–4V，ASTM 5级钛产业），ADA四型金合金（56%金，19.9%银，17%铜，4%的钯，3%的锌，加上铱；内口60，内伊牙科国际，布卢姆菲尔德，美国康奈提格州），和钴铬合金（钴60.6%，31.5%铬，6%钼，加碳，锰，和硅；钒，金，芝加哥，芝加哥州）。DT2F是一种工业用的以可自由加工为目的的一种钛合金。试样的制备方法类似于我们以前的研究里面的方法[ 20 - 22 ]。这三种钛金属（DT2F，纯钛，Ti–6Al–4V）在大约200摄氏度的环境下，被扔进以氧化镁为模具（斯拉维斯特CB有限公司）的一个离心铸造机里（超波R有限公司，大阪，日本）。制造了两种尺寸的铸件（3.0mm和）,因此在去除表面硬化层的情况后，较大尺寸的铸件的尺寸将会与较小尺寸铸件的尺寸相同（表示为“”）。60的内口是用离心铸造机（克尔森吹飞可，克尔制造有限公司，罗穆卢斯，米河）与在650摄氏度加热形成的石膏粘结模具（方英石，鞭组合公司，路易斯维尔，肯塔基州）来加工的。钴铬钼合金是在980摄氏度加热条件下，利用感应熔炼离心铸造机（ECM3，诺比飞马公司，芝加哥，芝加哥州）与耐火的材料硅为基底的模具（投资者，欧斯特拿）来铸造的。这些铸造的样品的尺寸都是的。早期报道了使用的一个方法[ 20 ]，所有的钛铸件都通过X射线照射来检查，以发现任何铸造工艺上的缺陷。有明显的毛孔的所有样品都被丢弃，不再使用。每种金属都准备了五个铸件样品对应于各种实验条件下的钛金属。

维氏显微硬度测量：

维氏显微硬度仪（显微硬度仪，调频，未来科技公司，东京，日本）在负载200克力和负载时间30s的条件下，测量各金属铸件的显微硬度（n=5）。所有的钛试样的硬度测量包括对铸件表面以及去除反应层后的表面的测量。

切削性能试验：

如先前所报道的那样[20–23]，一个机头发动机（微功耗模型501，美国布莱斯勒有限公司，萨凡纳，佐治亚州）被用来评价这些试样的可加工性。测试样品被固定在一个位置放在一个平台上的测试仪器里，因此在加工过程中，光盘的圆周表面可垂直接触试样（如图1所示）。在试样的表面施加力，力的大小通过改变位于杠杆的另一端物体的重量来调整，它通过一个应变计（CEA-06-032UW，显微测量集团公司，罗利，北卡罗来纳州）校准，应变计附带有一个四点的弯曲装置。一个碳化硅的砂轮（编号703-120，美国布莱斯勒有限公司；直径13mm，厚度为1.5mm，120微米的碳化硅磨料颗粒）在本实验研究中被应用。在我们以前的研究[ 20，22，23 ]中，运用了四种圆周速度（500m/min，750m/min，1000m/min和1250m/min）。试验前，对每个试样的重量在电子天平（BA-210S，缝纫机有限公司，纽约，纽约州）上进行测量。用0.1千克力磨削一分钟后，再次测量金属试样的重量。每个试样重复进行这些测量三次，取它们的平均值。切削加工性（n=5）是根据每种金属的密度，从每个测量试样的重量损失来计算出的体积损失来评价的（根据阿基米德原理，n=5）。平均密度的测量值（一个标准差）分别为：DT2F 的密度是4.50（0.04），DT2F的密度是4.52（0.02），纯钛 的密度是4.51（0.02），纯钛的密度是4.52（0.04），Ti-6Al-4V 的密度是4.43（0.02），Ti-6Al-4V的密度是4.42（0.03），类型四的金合金密度是13.37（0.04），钴铬合金的密度是8.25（0.05）。另外，磨削比（磨削比=金属的去除量/砂轮丢失的质量）已经被确定了。砂轮的体积损失是通过分别测量每个砂轮在实验前和实验后的直径来计算得到的。实验的结果是在=0.05的重要等级条件下，利用单因素方差分析法和多重比较测试法来分析的。

图1 切削加工试验装置说明：（a）俯视图；（b）侧视图。

碎片，金属和砂轮的电镜扫描观察：

砂轮的外表面和磨削所造成的碎片的表面都使用一台扫描电子显微镜（JSM-6300，日本电子光学有限公司，东京，日本）来观察。

结论:

从所有的金属上去除的金属总量（体积的损失）随着碳化硅砂轮速度的增加的结果在图表2中呈现。除了Ti–6Al–4V合金以外，其余的所有金属的去除的总量随着砂轮转速的增加而增加（F=99.43，plt;0.001）。无论有没有例1所示情况，所有的钛试样的去除的总量在数值上没有统计学误差（pgt;0.05）。基于各种旋转速度下去除的金属量的总和，金属的测试可以被分为三种情况：最容易磨削的是Ti–6Al–4V和金的合金，次要容易磨削的是DT2F和纯钛，最难磨削加工的是钴铬合金。DT2F材料比起纯钛材料更容易磨削加工，特别是在更高的转速条件下（1000米每分钟时的统计学误差plt;0.05）。

主体的硬度值（维氏硬度值）从高到低的排列顺序分别为：钴铬合金（59652）大于Ti-6Al-4V合金（41415）大于类型四的金合金（28812）大于纯钛金属（25922）大于DT2F金属（24410）。Ti–6Al–4V铸件，纯钛铸件和DT2F铸件的表面硬度值分别是：1303158，,865114,和805134。所有数据的测试结果表明，金属的去除量和金属表面的硬度之间的关系不是那么简单。

图表3显示了所有金属磨削比的测试结果。每个速度值时的钴铬合金被发现有最高的磨削比（3.51到4.33），而纯钛有最低的磨削比（0.96到1.26）。对于DT2F合金的磨削比（1.22到1.92）略高于纯钛的磨削比，虽然DT2F与纯钛的磨削比之间并没有统计学上的误差（pgt;0.05）。所有的钛试样无论有没有例1所述的情况，它们的磨削比在统计削上没有误差（pgt;0.05）。

每一种合金在1000米每分钟的磨削条件下产生的金属碎片和磨削后的表面的显微扫描照片如图4所示。磨削后，可以观察到碎片在尺寸和形状上有一些不同之处。尽管从那些钛合金上产生的碎片看起来相似（如图4中的a，b和c图所示），与纯钛相比较（图4中b图所示），DT2F（图4中a图所示）和Ti–6Al–4V（图4中c图所示）合金的碎片更加粗大，更长一些。金合金的碎片（如图4中d图所示）在所有的测试的合金中是最大的，然而碎片磨削得最好的是钴铬合金（如图4中e图所示）。大量的碳化硅颗粒分散在所有种类的钛合金的碎片中，特别是在纯钛所产生的碎片里。在钴铬合金的碎片里基本观察不到碳化硅的颗粒。在DT2F和纯钛的底部的表面与金合金的表面相似，这些地方能够看到不规则的划痕（如图4中的f，g和i图所示）。另一方面，在Ti–6Al–4V和钴铬合金上的划痕是直的并且按规则排布。图5显示了在磨削第四型号的金合金后，金属的碎片堵塞在碳化硅砂轮的表面。

图2 测试的金属体积损失。

图3 金属的磨削比测试。

讨论：

除了Ti–6Al–4V合金以外，磨削比随着砂轮的圆周速度的增加而增加，这是符合我们实验室的研究[20–23]和其他研究者已近发表的结论[ 17–19]。无论有没有例1所示情况，所有的钛试样都可观察到类似的可磨性，因为在打磨开始后的10秒内，例1情况（通常有150到200mm的厚度）已经被去除了之后再来估算的。因此，例1情况的存在不影响金属在一分钟内的去除总量。我们报道类似的结果时都是使用碳化硅砂轮作为磨削的工具[ 20 ]。

考虑到所有旋转速度下的金属的去除总量和磨削比，更大的可磨性可以被发现的顺序是Ti–6Al–4V合金和类型四金合金大于DT2F合金和纯钛合金大于钴铬合金。在以前的研究中[ 20 ]，在更高速的生产下，更大的可磨性的排列顺序是：类型四金合金大于Ti–6Al–4V合金大于纯钛大于钴铬合金。在本项研究中Ti–6Al–4V合金的可磨性的改善很可能是由于在研究中使用的碳化硅砂轮的直径的差异以及在之前的研究中碳化硅颗粒（粘附物）的不同。碳化硅颗粒的直径大约是砂轮直径的七分之一，因此碳化硅砂轮的圆周速度就显得更加的高了。DT2F合金比纯钛更加容易磨削，特别是在更高的圆周速度下，可能是因为析出物的形成主要是沿DT2F合金的晶界结构（析出物中经常能够检测到硫，有时在峰值的时候可能也能检测到铯）。另一个有趣的发现是，DT2F合金和纯钛磨削所产生的碎片在外观上略有些不同（一些DT2F合金的碎片比纯钛的碎片大）。这些观察到的资料与可磨性的结果是一致的，该结果是，DT2F合金相对于纯钛要承受更高的体积损失，主要是因为沿晶界析出的硫化物颗粒，该颗粒使得金属合金容易发生沿晶界断裂的情况。在DT2F合金，纯钛，金合金，Ti–6Al–4V合金和钴铬合金的表面的划痕有所不同，这是因为这些金属的延展性和硬度有所差异。如硬度的显示结果所示，相对于后者的合金，前者的合金更加有韧性和柔软度。DT2F合金，纯钛和金合金在磨削过程中容易与其他的碎片形成混合的污染物，这使得在金属的表面上形成不规则的划痕。

在磨削每种金属后，碳化硅砂轮的表面被金属的碎片堵塞。发现类型四的金合金相对于所有其他的测试金属更加经常的

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