Кобальт-хром - Википедия - Cobalt-chrome

Кобальт-хром диск с зубные мосты и короны изготовлен с использованием WorkNC Dental

Кобальт-хром или же кобальт-хром (CoCr) это металл сплав из кобальт и хром. Кобальт-хром имеет очень высокую удельная сила и обычно используется в газовые турбины, зубные имплантаты, и ортопедические имплантаты.[1]

История

Сплав Co-Cr был впервые обнаружен Элвуд Хейнс в начале 1900-х годов путем сплавления кобальта и хрома. Сплав был впервые обнаружен со многими другими элементами, такими как вольфрам и молибден в этом. Хейнс сообщил, что его сплав был способен противостоять окислению и коррозионным испарениям и не проявлял видимых признаков потускнения даже при воздействии на сплав кипящей азотной кислоты.[2] Под именем Стеллит ™, сплав Co-Cr использовался в различных областях, где требовалась высокая износостойкость, включая аэрокосмическая промышленность,[3] столовые приборы, подшипники, лезвия и т. д.

Сплав Co-Cr стал привлекать все больше внимания, поскольку было найдено его биомедицинское применение. В 20 веке сплав впервые использовали в производстве медицинского инструмента,[4] а в 1960 году был имплантирован первый протез клапана сердца из Co-Cr, который прослужил более 30 лет и продемонстрировал высокую износостойкость.[5] В последнее время благодаря отличным прочностным свойствам биосовместимость Благодаря высокой температуре плавления и невероятной прочности при высоких температурах сплав Co-Cr используется для изготовления многих искусственных суставов, включая бедра и колени, зубных мостовидных протезов, газовых турбин и многих других.[4]

Синтез

Обычное производство сплава Co-Cr требует добыча кобальта и хром из оксида кобальта и оксид хрома руды. Обе руды должны пройти процесс восстановления для получения чистых металлов. Хром обычно проходит через технология 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 посредством электрическая дуга или по индукционная плавка.[4] Из-за химической реакционной способности металлов при высокой температуре для этого процесса требуются вакуумные условия или инертная атмосфера для предотвращения поглощения кислорода металлом. ASTM F75, сплав Co-Cr-Mo, производится в атмосфере инертного аргона путем выброса расплавленных металлов через небольшое сопло, которое немедленно охлаждается, чтобы получить мелкодисперсный порошок сплава.[3]

Однако синтез сплава Co-Cr указанным выше способом очень дорог и труден. Недавно, в 2010 году, ученые из Кембриджского университета произвели сплав с помощью новой электрохимической технологии твердофазного восстановления, известной как Кембриджский процесс FFC который включает восстановление катода-предшественника оксида в расплавленном хлоридном электролите.[4]

Характеристики

Сплавы Co-Cr проявляют высокую устойчивость к коррозии из-за самопроизвольного образования защитной пассивной пленки, состоящей в основном из Cr2О3 и незначительные количества кобальта и других оксидов металлов на поверхности.[6] 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.[7] Хорошие механические свойства, аналогичные нержавеющая сталь являются результатом многофазной структуры и выделения карбидов, которые значительно увеличивают твердость сплавов Co-Cr. Твердость сплавов Co-Cr варьируется в пределах 550-800 МПа, а предел прочности варьируется в пределах 145-270 МПа.[8] Кроме того, растяжение и усталость прочность резко возрастает по мере их термической обработки.[9] Однако сплавы Co-Cr, как правило, имеют низкую пластичность, что может привести к поломке компонента. Это вызывает беспокойство, поскольку сплавы обычно используются при замене тазобедренного сустава.[10] Чтобы преодолеть низкую пластичность, никель, углерод, и / или азот добавлены. Эти элементы стабилизируют γ-фазу, которая имеет лучшие механические свойства по сравнению с другими фазами сплавов Co-Cr.[11]

Общие типы

Есть 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 несколько разными производственными процессами, ASTM F90 - это сплавы Co-Cr-Mo. Co-Cr-W-Ni сплав, а ASTM F562 - сплав Co-Ni-Cr-Mo-Ti.[3]

Структура

В зависимости от процентного содержания кобальта или хрома и температуры сплавы Co-Cr имеют различную структуру. Σ-фаза, в которой сплав содержит примерно 60-75% кобальта, имеет тенденцию быть хрупкой и подверженной воздействию перелом. Кристаллическая структура ГЦК обнаруживается в γ-фазе, и γ-фаза показывает улучшенную прочность и пластичность по сравнению с σ-фазой. Кристаллическая структура FCC обычно встречается в сплавах с высоким содержанием кобальта, в то время как сплавы с высоким содержанием хрома обычно имеют кристаллическую структуру BCC. Сплав Co-Cr с γ-фазой может быть преобразован в ε-фазу при высоких давлениях, что дает кристаллическую структуру HCP.[11]

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 имеют тенденцию к коррозия устойчивы, что снижает осложнения с окружающими тканями при имплантации, и химически инертны, что сводит к минимуму возможность раздражения, аллергическая реакция, и иммунная реакция.[12] Сплав Co-Cr также широко используется в производстве стентов и других хирургических имплантатов, поскольку сплав Co-Cr также демонстрирует отличную биосовместимость с кровью и мягкими тканями.[13] Состав сплава, используемого в ортопедических имплантатах, описан в отраслевом стандарте. ASTM -F75: кобальт с 27 до 30% хром, От 5 до 7% молибден, и ограничения на другие важные элементы, такие как марганец и кремний, менее 1%, утюг, менее 0,75%, никель, менее 0,5%, и углерод, азот, вольфрам, фосфор, сера, бор и Т. Д.[1]

Помимо кобальт-хром-молибдена (CoCrMo), для имплантатов также используется кобальт-никель-хром-молибден (CoNiCrMo).[нужна цитата ] Возможная токсичность высвобождаемых ионов Ni из сплавов CoNiCr, а также их ограниченные фрикционные свойства являются предметом озабоченности при использовании этих сплавов в качестве компонентов сочленения. Таким образом, CoCrMo обычно является доминирующим сплавом для полного соединения. артропластика.[нужна цитата ]

Протезирование зубов

Частичный протез из Co-Cr.

Co-Cr сплав зубные протезы и бросить частичные протезы обычно производятся с 1929 года из-за более низкой стоимости и меньшей плотности по сравнению с золотыми сплавами; однако сплавы Co-Cr имеют тенденцию демонстрировать более высокую модуль упругости и сопротивление циклической усталости, которые являются важными факторами для зубных протезов.[14] Сплав обычно используется в качестве металлического каркаса для частичных зубов. Хорошо известный бренд для этой цели - Виталлий.

Промышленность

Благодаря механическим свойствам, таким как высокая коррозионная и износостойкость, сплавы Co-Cr (например, Стеллиты ) используются в производстве ветряных турбин, компонентов двигателей и многих других промышленных / механических компонентов, где требуется высокая износостойкость.[3]

Сплав Co-Cr также очень часто используется в индустрии моды для изготовления украшений, особенно обручальных колец.

Опасности

Металлы, выделяемые инструментами и протезами из сплава Co-Cr, могут вызывать аллергические реакции и кожные экзема.[15] Следует избегать протезирования или любого медицинского оборудования с высоким массовым содержанием никеля из сплава Co-Cr из-за низкой биосовместимости, так как никель является наиболее распространенным сенсибилизатором металлов в организме человека.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б ARCAM ASTM F75 CoCr Сплав В архиве 2011-07-07 на Wayback Machine
  2. ^ Хейнс, Э. Металлический сплав. Патент США № 873745; 1907 г.
  3. ^ а б c d Ratner, B.D .; Hoffman, A. S .; Schoen, F.J .; Лимонс, Дж. Э. Биоматериаловедение, 2-е изд .; Академическая пресса, 1996.
  4. ^ а б c d е Hyslop, D. J. S .; Абделькадер, А. М .; Cox, A .; Фрей, Д. Дж. Электрохимический синтез биомедицинского сплава Co-Cr. Acta Materialia. 2010, 58, 3124-3130.
  5. ^ Tarzia, V .; Bottio, T .; Testolin, L .; Героса, Г. Увеличенная (31 год) долговечность протеза Старра-Эдвардса в митральном положении. Интерактивный CardioVasc Thorac Surg. 2007, 6, 570-571.
  6. ^ Bettini, E .; Leygraf, C .; Пан, Дж. Природа увеличения тока для CoCrMoAlloy: «Транспассивное» растворение против окисления в воде. Int. J. Electrochem. Sci. 2013,8, 11791-11804.
  7. ^ Zimmermann, J .; Чакки, Л.С. Истоки селективного окисления хрома на поверхности сплавов CoCr. J. Pjus. Chem. Lett. 2010, 1, 2343-2348.
  8. ^ Carek, A .; Babic, J. Z .; Schauperl, Z .; Томислав Б. Механические свойства сплавов Co-Cr для металлического каркаса. Int. J. Prosthodont. Рестор. Вмятина. 2011, 1, 13-19.
  9. ^ Дивайн, Т. М .; Вульф, Дж. Литые и кованые кобальт-хромовые сплавы для хирургических имплантатов. J. Biomed. Mater. Res. 1975, 9, 151-167.
  10. ^ Longquan, S .; Northwood, D .; Цао, З. Свойства обработанного биомедицинского кобальт-хромового сплава. J. Mat. Sci. 1994, 29, 1233-1238.
  11. ^ а б c Lee, S .; Nomura, N .; Чиба, А. Значительное улучшение механических свойств биомедицинских сплавов Co-Cr-Mo с сочетанием добавления азота и обогащения Cr. Материалы Сделки. 2008, 2, 260-264.
  12. ^ Hermawan, H .; Ramdan, D .; Djuansjah, J.R.P .; Металлы для биомедицинских приложений. Биомедицинская инженерия - от теории кПриложения. 2011, 410-430.
  13. ^ Kereiakes, D. J .; Cox, D.A .; Hermiller, J. B .; Midei, M. G .; Полезность сплава кобальт-хромового коронарного стента. Амер. J. Cardi. 2003, 92, 463-466.
  14. ^ Cheng, H .; Сюй, М .; Zhang, H .; Wu, W .; Чжэн, М .; Ли, X. Циклические усталостные свойства кламмеров из кобальт-хромового сплава для частичных съемных зубных протезов. J. Prosthetic Dent. 2010, 104, 389-396.
  15. ^ Kettelarij, J. A .; Liden, C .; Axen, E .; Джуландер, А. Выделение кобальта, никеля и хрома из стоматологических инструментов и сплавов. Связаться с Dermititis. 2014, 70, 3-10.