Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кобальто-хромовый диск с зубными мостами и коронками, изготовленными с использованием WorkNC Dental

Кобальт-хром или кобальт-хром ( CoCr ) представляет собой металлический сплав из кобальта и хрома . Кобальт-хром имеет очень высокую удельную прочность и обычно используется в газовых турбинах , зубных имплантатах и ортопедических имплантатах . [1]

История [ править ]

Сплав Co-Cr был впервые обнаружен 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 был способен противостоять окислению и коррозионным парам и не проявлял видимых признаков потускнения даже при воздействии на сплав кипящей азотной кислоты. [2] Под названием Stellite ™ 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 стал привлекать все больше внимания, когда было найдено его биомедицинское применение. В 20 веке этот сплав был впервые использован в производстве медицинского инструмента [4], а в 1960 году был имплантирован первый протез клапана сердца из Co-Cr, который прослужил более 30 лет, продемонстрировав свою высокую износостойкость. [5] В последнее время из-за превосходных свойств устойчивости, биосовместимости , высоких температур плавления и невероятной прочности при высоких температурах сплав Co-Cr используется для изготовления многих искусственных суставов, включая бедра и колени, зубных мостов, газовых турбин и т. Д. и много других. [4]

Синтез [ править ]

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 технологию алюминотермического восстановления , а чистый кобальт может быть получен разными способами в зависимости от характеристик конкретной руды. Затем чистые металлы сплавляются вместе в вакууме с помощью электрической дуги или индукционной плавки . [4]Из-за химической реакционной способности металлов при высокой температуре для этого процесса требуются условия вакуума или инертная атмосфера, чтобы предотвратить поглощение кислорода металлом. ASTM F75, сплав Co-Cr-Mo, производится в инертной атмосфере 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 нового электрохимического метода твердофазного восстановления, известного как Кембриджский процесс FFC, который включает восстановление катода-предшественника оксида в расплавленном хлоридном электролите. [4]

Свойства [ править ]

Сплавы Co-Cr проявляют высокую стойкость к коррозии из-за самопроизвольного образования защитной пассивной пленки, состоящей в основном из Cr 2 O 3 и незначительных количеств оксидов кобальта и других 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 свойствам нержавеющей стали.являются результатом многофазной структуры и выделения карбидов, которые значительно увеличивают твердость сплавов Co-Cr. Твердость сплавов Co-Cr колеблется в пределах 550-800 МПа, а предел прочности на разрыв - в пределах 145-270 МПа. [8] Кроме того, их прочность на растяжение и усталость резко возрастает по мере их термообработки. [9] Однако сплавы Co-Cr, как правило, имеют низкую пластичность , что может вызвать разрушение компонентов. Это вызывает беспокойство, поскольку эти сплавы обычно используются при замене тазобедренного сустава. [10] Чтобы преодолеть низкую пластичность, никель , углерод и / или азотдобавлены. Эти элементы стабилизируют γ-фазу, которая имеет лучшие механические свойства по сравнению с другими фазами сплавов Co-Cr. [11]

Общие типы [ править ]

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 - сплав Co-Cr-W-Ni , а ASTM F562 - сплав Co-Ni-Cr-Mo. -Ti сплав. [3]

Структура [ править ]

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 разрушению . Кристаллическая структура FCC обнаружена 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 имеют тенденцию иметь 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 [ редактировать ]

Медицинские имплантаты [ править ]

Сплавы Co-Cr чаще всего используются для изготовления искусственных суставов, включая коленные и тазобедренные суставы, благодаря высокой износостойкости и биосовместимости. [4] Сплавы Co-Cr обычно устойчивы к коррозии , что уменьшает осложнения с окружающими тканями при имплантации, и химически инертны, что сводит к минимуму возможность раздражения, аллергической реакции и иммунного ответа . [12] Сплав Co-Cr также широко используется в производстве стентов и других хирургических имплантатов, поскольку сплав Co-Cr также демонстрирует превосходную биосовместимость с кровью и мягкими тканями. [13] Состав сплава, используемого в ортопедических имплантатах, описан в отраслевом стандарте ASTM.-F75: в основном кобальт, содержащий от 27 до 30% хрома , от 5 до 7% молибдена и верхние пределы для 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). [ необходима цитата ] Возможная токсичность высвобождаемых ионов Ni из сплавов CoNiCr, а также их ограниченные фрикционные свойства являются предметом беспокойства при использовании этих сплавов в качестве компонентов сочленения. Таким образом, CoCrMo обычно является доминирующим сплавом для тотального эндопротезирования суставов . [ необходима цитата ]

Протезирование зубов [ править ]

Частичный протез из Co-Cr.

Протезы из сплава Co-Cr и частичные литые зубные протезы обычно производятся с 1929 года из-за более низкой стоимости и меньшей плотности по сравнению с сплавами золота; однако сплавы Co-Cr имеют тенденцию демонстрировать более высокий 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 - Vitallium .

Промышленность [ править ]

Благодаря механическим свойствам, таким как высокая устойчивость к коррозии и износу, 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 [ править ]

Металлы, выделяемые из инструментов и протезов из сплава Co-Cr, могут вызывать аллергические реакции и кожную экзему . [15] Следует избегать протезирования или любого медицинского оборудования с высоким массовым содержанием никеля из сплава Co-Cr из-за низкой биосовместимости, поскольку никель является наиболее распространенным металлическим сенсибилизатором в организме человека. [11]

См. Также [ править ]

  • Алакрит
  • Hastalloy

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b ARCAM ASTM F75 CoCr Alloy, Архивировано 7 июля 2011 г. на Wayback Machine
  2. ^ Хейнс, Э. Металлический сплав. Патент США № 873745; 1907 г.
  3. ^ a b c d Ратнер, Б. Д .; Hoffman, AS; Schoen, FJ; Лимоны, JE Biomaterial Science, 2-е изд .; Академическая пресса, 1996.
  4. ^ a b c d e Hyslop, DJS; Абделькадер, AM; Cox, A .; Fray, DJ 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. Интерактивная кардиоваскулярная хирургия грудной клетки. 2007, 6, 570-571.
  6. ^ Bettini, E .; Leygraf, C .; Пан, Дж. Природа увеличения тока для сплава CoCrMo: «Транспассивное» растворение против окисления в воде. Int. J. Electrochem. Sci. 2013, 8, 11791-11804.
  7. ^ Zimmermann, J .; Чакки, Л.К. Истоки селективного окисления хрома на поверхности сплавов CoCr. J. Pjus. Chem. Lett. 2010, 1, 2343-2348.
  8. ^ Carek, A .; Бабич, JZ; Schauperl, Z .; Томислав Б. Механические свойства сплавов Co-Cr для металлического каркаса. Int. J. Prosthodont. Рестор. Вмятина. 2011, 1, 13-19.
  9. ^ Девайн, TM; Вульф, Дж. Литые и кованые кобальт-хромовые сплавы для хирургических имплантатов. J. Biomed. Матер. Res. 1975, 9, 151–167.
  10. ^ Longquan, S .; Northwood, D .; Цао, З. Свойства обработанного биомедицинского сплава кобальт-хром. J. Mat. Sci. 1994, 29, 1233-1238.
  11. ^ a b c Lee, S .; Nomura, N .; Чиба, А. Значительное улучшение механических свойств биомедицинских сплавов Co-Cr-Mo при сочетании добавления азота и обогащения Cr. Материалы Сделки. 2008, 2, 260-264.
  12. ^ Hermawan, H .; Ramdan, D .; Djuansjah, JRP; Металлы для биомедицинских приложений. Биомедицинская инженерия - от теории к приложениям . 2011, 410-430.
  13. ^ Kereiakes, DJ; Cox, DA; Hermiller, JB; Midei, MG; 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, JA; Liden, C .; Axen, E .; Джуландер, А. Высвобождение кобальта, никеля и хрома из стоматологических инструментов и сплавов. Связаться с Dermititis. 2014, 70, 3-10.