stringtranslate.com

Кобальт-хром

Кобальт-хромовый диск с зубными мостами и коронками, изготовленными с использованием WorkNC Dental

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]

История

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]

Синтез

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]

Характеристики

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]

Распространенные типы

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]

Структура

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]

Использует

Медицинские имплантаты

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 ]

Протезирование зубов

Частичный зубной протез Co-Cr.

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 .

Промышленность

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.

Опасности

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]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab ARCAM ASTM F75 CoCr Alloy Архивировано 07.07.2011 на Wayback Machine
  2. ^ Хейнс, Э. Металлический сплав. Патент США № 873745; 1907.
  3. ^ abcd Ратнер, Б.Д.; Хоффман, А.С.; Шен, Ф.Дж.; Лемонс, Дж.Э. Биоматериальная наука, 2-е изд.; Academic Press, 1996.
  4. ^ abcde Hyslop, DJS; Abdelkader, AM; Cox, A.; Fray, DJ Электрохимический синтез биомедицинско важного сплава Co-Cr. Acta Materialia . 2010, 58, 3124-3130.
  5. ^ Tarzia, V.; Bottio, T.; Testolin, L.; Gerosa, G. Продленная (31 год) долговечность протеза Starr-Edwards в митральной позиции. Interactive CardioVasc Thorac Surg. 2007, 6, 570-571.
  6. ^ Беттини, Э.; Лейграф, К.; Пан, Дж. Природа увеличения тока для сплава CoCrMo: «транспассивное» растворение против окисления водой. Int. J. Electrochem. Sci. 2013, 8, 11791-11804.
  7. ^ Elements, American. "Cobalt Chromium Alloy". American Elements . Получено 2023-08-18 .
  8. ^ Циммерманн, Дж.; Чакки, Л. С. Происхождение селективного окисления Cr на поверхностях сплавов CoCr. J. Pjus. Chem. Lett. 2010, 1, 2343-2348.
  9. ^ Карек, А.; Бабич, Й. З.; Шауперл, З.; Томислав, Б. Механические свойства сплавов Co-Cr для каркасов с металлической основой. Int. J. Prosthodont. Restor. Dent. 2011, 1, 13-19.
  10. ^ Devine, TM; Wulff, J. Литые и деформируемые кобальт-хромовые сплавы для хирургических имплантатов. J. Biomed. Mater. Res. 1975, 9, 151-167.
  11. ^ Longquan, S.; Northwood, D.; Cao, Z. Свойства деформируемого биомедицинского кобальт-хромового сплава. J. Mat. Sci. 1994, 29, 1233-1238.
  12. ^ abc Ли, С.; Номура, Н.; Чиба, А. Значительное улучшение механических свойств биомедицинских сплавов Co-Cr-Mo с помощью комбинации добавления N и обогащения Cr. Materials Transactions. 2008, 2, 260-264.
  13. ^ Хермаван, Х.; Рамдан, Д.; Джуансья, Дж. Р. П.; Металлы для биомедицинских применений. Биомедицинская инженерия – от теории к применению . 2011, 410-430.
  14. ^ Керейакс, DJ; Кокс, DA; Хермиллер, JB; Мидей, MG; Полезность сплава кобальт-хром для коронарного стента. The Amer. J. Cardi. 2003, 92, 463-466.
  15. ^ Cheng, H.; Xu, M.; Zhang, H.; Wu, W.; Zheng, M.; Li, X. Циклические усталостные свойства кламмеров из кобальт-хромового сплава для частичных съемных зубных протезов. J. Prosthetic Dent. 2010, 104, 389-396.
  16. ^ Kettelarij, JA; Liden, C.; Axen, E.; Julander, A. Выделение кобальта, никеля и хрома из стоматологических инструментов и сплавов. Контактный дермит. 2014, 70, 3-10.