Кобальт-хром или кобальт-хром ( CoCr ) — металлический сплав кобальта и хрома . Кобальт-хром имеет очень высокую удельную прочность и обычно используется в газовых турбинах , зубных имплантатах и ортопедических имплантатах . [1]
Сплав Co-Cr был впервые открыт Элвудом Хейнсом в начале 1900-х годов путем сплавления кобальта и хрома. Сплав был впервые обнаружен со многими другими элементами, такими как вольфрам и молибден . Хейнс сообщил, что его сплав способен противостоять окислению и едким парам и не проявляет видимых признаков потускнения даже при воздействии на сплав кипящей азотной кислоты. [2] Под названием стеллит сплав Co-Cr использовался в различных областях, где требовалась высокая износостойкость, включая аэрокосмическую промышленность , [3] столовые приборы, подшипники, лезвия и т. д.
Сплав Co-Cr начал привлекать все больше внимания, поскольку было обнаружено его биомедицинское применение. В 20 веке сплав впервые был использован в производстве медицинских инструментов, [4] а в 1960 году был имплантирован первый протез сердечного клапана Co-Cr, который прослужил более 30 лет, показав свою высокую износостойкость. [5] В последнее время, благодаря превосходным прочностным свойствам, биосовместимости , высоким температурам плавления и невероятной прочности при высоких температурах, сплав Co-Cr используется для изготовления многих искусственных суставов, включая бедра и колени, зубных частичных мостовидных протезов, газовых турбин и многого другого. [4]
Обычное производство сплава Co-Cr требует извлечения кобальта и хрома из руд оксида кобальта и оксида хрома . Обе руды должны пройти процесс восстановления для получения чистых металлов. Хром обычно проходит через технику алюминотермического восстановления , а чистый кобальт может быть получен многими различными способами в зависимости от характеристик конкретной руды. Затем чистые металлы сплавляются вместе в вакууме либо с помощью электрической дуги , либо с помощью индукционной плавки . [4] Из-за химической активности металлов при высокой температуре процесс требует условий вакуума или инертной атмосферы для предотвращения поглощения кислорода металлом. ASTM F75, сплав Co-Cr-Mo, производится в инертной атмосфере аргона путем выталкивания расплавленных металлов через небольшое сопло, которое немедленно охлаждается для получения тонкого порошка сплава. [3]
Однако синтез сплава Co-Cr с помощью метода, упомянутого выше, очень дорог и сложен. Недавно, в 2010 году, ученые из Кембриджского университета произвели сплав с помощью новой электрохимической твердотельной технологии восстановления, известной как процесс FFC Cambridge , которая включает восстановление оксидного прекурсора катода в расплавленном хлоридном электролите. [4]
Сплавы Co-Cr демонстрируют высокую устойчивость к коррозии благодаря спонтанному образованию защитной пассивной пленки, состоящей в основном из Cr 2 O 3 и небольшого количества кобальта и других оксидов металлов на поверхности. [6] CoCr имеет температуру плавления около 1330 °C (2430 °F). [7]
Как показывает его широкое применение в биомедицинской промышленности, сплавы Co-Cr хорошо известны своей биосовместимостью. Биосовместимость также зависит от пленки и того, как эта окисленная поверхность взаимодействует с физиологической средой. [8] Хорошие механические свойства, которые аналогичны свойствам нержавеющей стали, являются результатом многофазной структуры и осаждения карбидов, которые значительно увеличивают твердость сплавов Co-Cr. Твердость сплавов Co-Cr варьируется в диапазоне 550-800 МПа, а предел прочности на разрыв варьируется в диапазоне 145-270 МПа. [9] Более того, прочность на разрыв и усталость радикально увеличиваются по мере их термообработки. [10] Однако сплавы Co-Cr, как правило, имеют низкую пластичность , что может привести к разрушению компонентов. Это вызывает беспокойство, поскольку сплавы обычно используются при замене тазобедренного сустава. [11] Чтобы преодолеть низкую пластичность, добавляют никель , углерод и/или азот . Эти элементы стабилизируют γ-фазу, которая имеет лучшие механические свойства по сравнению с другими фазами сплавов Co-Cr. [12]
Существует несколько сплавов Co-Cr, которые обычно производятся и используются в различных областях. ASTM F75, ASTM F799, ASTM F1537 — это сплавы Co-Cr-Mo с очень похожим составом, но немного отличающимися производственными процессами, ASTM F90 — это сплав Co-Cr-W-Ni , а ASTM F562 — это сплав Co-Ni-Cr-Mo-Ti. [3]
В зависимости от процентного содержания кобальта или хрома и температуры сплавы Co-Cr демонстрируют различные структуры. Фаза σ, в которой сплав содержит приблизительно 60–75% хрома, имеет тенденцию быть хрупкой и подверженной разрушению . Кристаллическая структура FCC обнаруживается в фазе γ, а фаза γ показывает улучшенную прочность и пластичность по сравнению с фазой σ. Кристаллическая структура FCC обычно встречается в сплавах, богатых кобальтом, в то время как сплавы, богатые хромом, имеют тенденцию иметь кристаллическую структуру BCC. Сплав Co-Cr с γ-фазой может быть преобразован в фазу ε при высоких давлениях, которая показывает кристаллическую структуру HCP. [12]
Сплавы Co-Cr чаще всего используются для изготовления искусственных суставов, включая коленные и тазобедренные суставы, благодаря высокой износостойкости и биосовместимости. [4] Сплавы Co-Cr, как правило, устойчивы к коррозии , что снижает осложнения с окружающими тканями при имплантации, и химически инертны, что сводит к минимуму возможность раздражения, аллергической реакции и иммунного ответа . [13] Сплав Co-Cr также широко используется при изготовлении стентов и других хирургических имплантатов, поскольку сплав Co-Cr демонстрирует отличную биосовместимость с кровью и мягкими тканями. [14] Состав сплава, используемого в ортопедических имплантатах, описан в отраслевом стандарте ASTM -F75: в основном кобальт, с 27–30% хрома , 5–7% молибдена и верхними пределами других важных элементов, таких как менее 1% марганца и кремния , менее 0,75% железа , менее 0,5% никеля и очень небольшое количество углерода , азота , вольфрама , фосфора , серы , бора и т. д. [1]
Помимо кобальт-хром-молибдена (CoCrMo), для имплантатов также используется кобальт-никель-хром-молибден (CoNiCrMo). [ требуется цитата ] Возможная токсичность высвобождаемых ионов Ni из сплавов CoNiCr, а также их ограниченные фрикционные свойства вызывают беспокойство при использовании этих сплавов в качестве артикуляционных компонентов. Таким образом, CoCrMo обычно является доминирующим сплавом для тотальной артропластики суставов . [ требуется цитата ]
Зубные протезы и литые частичные зубные протезы из сплава Co-Cr обычно изготавливаются с 1929 года из-за более низкой стоимости и меньшей плотности по сравнению с золотыми сплавами; однако сплавы Co-Cr, как правило, демонстрируют более высокий модуль упругости и циклическую усталостную прочность, которые являются важными факторами для зубных протезов. [15] Сплав обычно используется в качестве металлического каркаса для зубных частичных протезов. Хорошо известная марка для этой цели — Vitallium .
Благодаря своим механическим свойствам, таким как высокая стойкость к коррозии и износу, сплавы Co-Cr (например, стеллиты ) используются при изготовлении ветряных турбин, деталей двигателей и многих других промышленных/механических компонентов, где требуется высокая износостойкость. [3]
Сплав Co-Cr также очень часто используется в индустрии моды для изготовления ювелирных изделий, особенно обручальных колец.
Металлы, выделяющиеся из инструментов и протезов из сплава Co-Cr, могут вызывать аллергические реакции и экзему кожи . [16] Следует избегать использования протезов или любого медицинского оборудования с высоким содержанием никеля из сплава Co-Cr из-за его низкой биосовместимости, поскольку никель является наиболее распространенным металлом-сенсибилизатором в организме человека. [12]