Кобальт-хром
Кобальт-хром кобальт -хром ( CoCr ) представляет собой металлический сплав кобальта или и хрома . Кобальт-хром имеет очень высокую удельную прочность и обычно используется в газовых турбинах , зубных и ортопедических имплантатах . [1]
История
[ редактировать ]Сплав Co-Cr был впервые обнаружен Элвудом Хейнсом в начале 1900-х годов путем сплавления кобальта и хрома. Впервые был обнаружен сплав со многими другими элементами, такими как вольфрам и молибден . Хейнс сообщил, что его сплав был способен противостоять окислению и коррозионным дымам 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.
Сплаву Co-Cr стало уделяться больше внимания, поскольку было найдено 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 из Co-Cr, который прослужил более 30 лет, продемонстрировав свою высокую износостойкость. [5] В последнее время, благодаря превосходным прочным свойствам, биосовместимости , высокой температуре плавления и невероятной прочности при высоких температурах, сплав Co-Cr используется для изготовления многих искусственных суставов, включая бедра и колени, частичных зубных мостовидных протезов, газовых турбин и многих других. . [4]
Синтез
[ редактировать ]Обычное производство сплавов Co-Cr требует извлечения кобальта и хрома из оксидов кобальта и оксидов хрома . Обе руды должны пройти процесс восстановления, чтобы получить чистые металлы. Хром обычно подвергается алюминотермическому восстановлению , а чистый кобальт может быть получен разными способами в зависимости от характеристик конкретной руды. Чистые металлы затем сплавляют вместе под вакуумом либо электрической дугой , либо индукционной плавкой . [4] Из-за химической активности металлов при высокой температуре процесс требует условий вакуума или инертной атмосферы, чтобы предотвратить поглощение кислорода металлом. ASTM F75, сплав Co-Cr-Mo, производится в инертной атмосфере аргона путем выбрасывания расплавленного металла через небольшое сопло, которое немедленно охлаждается для получения мелкодисперсного порошка сплава. [3]
Однако синтез сплава Co-Cr упомянутым выше методом очень дорог и сложен. Недавно, в 2010 году, ученые из Кембриджского университета произвели этот сплав с помощью нового электрохимического метода твердофазного восстановления, известного как Кембриджский процесс FFC , который включает восстановление катодного предшественника оксида в расплавленном хлоридном электролите. [4]
Характеристики
[ редактировать ]Сплавы Co-Cr демонстрируют высокую устойчивость к коррозии благодаря самопроизвольному образованию защитной пассивной пленки, состоящей в основном из Cr 2 O 3 и небольшого количества оксидов кобальта и других 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 от того, как эта окисленная поверхность взаимодействует с физиологической средой. [8] Хорошие механические свойства, аналогичные свойствам нержавеющей стали, являются результатом многофазной структуры и выделения карбидов, которые значительно повышают твердость сплавов Co-Cr. Твердость сплавов Co-Cr колеблется в пределах 550–800 МПа, а предел прочности – 145–270 МПа. [9] Более того, прочность на растяжение и усталость радикально возрастают при термообработке. [10] Однако сплавы Co-Cr имеют тенденцию иметь низкую пластичность , что может привести к разрушению компонентов. Это вызывает беспокойство, поскольку сплавы обычно используются при замене тазобедренного сустава. [11] Чтобы преодолеть низкую пластичность, никель , углерод и/или азот добавляют . Эти элементы стабилизируют γ-фазу, которая имеет лучшие механические свойства по сравнению с другими фазами сплавов Co-Cr. [12]
Распространенные типы
[ редактировать ]Существует несколько сплавов Co-Cr, которые обычно производятся и используются в различных областях. ASTM F75, ASTM F799, ASTM F1537 — сплавы Co-Cr-Mo с очень похожим составом, но немного разными производственными процессами, ASTM F90 — сплав Co-Cr-W-Ni , а ASTM F562 — сплав Co-Ni-Cr-Mo. - Титановый сплав. [3]
Структура
[ редактировать ]В зависимости от процентного состава кобальта или хрома и температуры сплавы Co-Cr имеют различную структуру. σ-фаза, в которой сплав содержит примерно 60–75% хрома, имеет тенденцию быть хрупкой и подверженной разрушению . Кристаллическая структура FCC обнаруживается в γ-фазе, а γ-фаза демонстрирует улучшенную прочность и пластичность по сравнению с σ-фазой. Кристаллическая структура FCC обычно встречается в сплавах с высоким содержанием кобальта, тогда как сплавы с высоким содержанием хрома обычно имеют кристаллическую структуру BCC. Сплав Co-Cr γ-фазы может быть преобразован в ε-фазу при высоких давлениях, что демонстрирует кристаллическую структуру HCP. [12]
Использование
[ редактировать ]Медицинские имплантаты
[ редактировать ]Сплавы Co-Cr чаще всего используются для изготовления искусственных суставов, в том числе коленных и тазобедренных суставов, благодаря высокой износостойкости и биосовместимости. [4] Сплавы Co-Cr, как правило, 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 . [13] Сплав Co-Cr также широко используется при производстве стентов и других хирургических имплантатов, поскольку сплав Co-Cr также демонстрирует превосходную биосовместимость с кровью и мягкими тканями. [14] Состав сплава, используемого в ортопедических имплантатах, описан в отраслевом стандарте ASTM -F75: в основном кобальт, от 27 до 30 % хрома , от 5 до 7 % молибдена менее 1 % каждого. и верхние пределы содержания других важных элементов, таких как марганец и кремний , 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). [ нужна ссылка ] Возможная токсичность высвобождаемых ионов Ni из сплавов CoNiCr, а также их ограниченные фрикционные свойства вызывают обеспокоенность при использовании этих сплавов в качестве шарнирных компонентов. Таким образом, CoCrMo обычно является доминирующим сплавом для тотального эндопротезирования суставов . [ нужна ссылка ]
Протезирование зубов
[ редактировать ]
из сплава Co-Cr Зубные протезы и литые частичные протезы обычно производятся с 1929 года из-за более низкой стоимости и меньшей плотности по сравнению со сплавами золота; однако сплавы Co-Cr имеют тенденцию проявлять более высокий модуль упругости и сопротивление циклической усталости, которые являются важными факторами для зубных протезов. [15] Этот сплав обычно используется в качестве металлического каркаса для зубных протезов. Хорошо известным брендом для этой цели является Vitallium .
Промышленность
[ редактировать ]Благодаря механическим свойствам, таким как высокая устойчивость к коррозии и износу, сплавы Co-Cr (например, стеллиты ) используются при изготовлении ветряных турбин, компонентов двигателей и многих других промышленных/механических компонентов, где необходима высокая износостойкость. [3]
Сплав Co-Cr также очень часто используется в индустрии моды для изготовления ювелирных изделий, особенно обручальных колец.
Опасности
[ редактировать ]Металлы, выделяющиеся из инструментов и протезов из сплавов Co-Cr, могут вызывать аллергические реакции и экзему кожи . [16] Следует избегать протезирования или любого медицинского оборудования с высоким содержанием никеля из сплава Co-Cr из-за низкой биосовместимости, поскольку никель является наиболее распространенным металлическим сенсибилизатором в организме человека. [12]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Сплав ARCAM ASTM F75 CoCr. Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ Хейнс, Э. Металлический сплав. Патент США №. 873745; 1907.
- ^ Перейти обратно: а б с д Ратнер, Б.Д.; Хоффман, А.С.; Шон, Ф.Дж.; Лимонс, JE Biomaterial Science, 2-е изд.; Академик Пресс, 1996.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Хислоп, DJS; Абделькадер, AM; Кокс, А.; Фрэй, DJ Электрохимический синтез биомедицински важного сплава Co-Cr. Акта Материалия . 2010, 58, 3124-3130.
- ^ Тарция, В.; Боттио, Т.; Тестолин, Л.; Героза, Г. Увеличенный (31 год) срок службы протеза Старра-Эдвардса в митральном положении. Интерактивная торакальная хирургия CardioVasc. 2007, 6, 570–571.
- ^ Беттини, Э.; Лейграф, К.; Пан, Дж. Природа увеличения тока для сплава CoCrMo : «транспассивное» растворение по сравнению с водным окислением. Межд. Дж. Электрохим. наук. 2013, 8, 11791-11804.
- ^ Элементы, американцы. «Кобальт-хромовый сплав» . Американские элементы . Проверено 18 августа 2023 г.
- ^ Циммерманн, Дж.; Чакки, Л.С. Природа селективного окисления хрома на поверхностях сплавов CoCr. Ж. Пьюс. хим. Летт. 2010, 1, 2343-2348.
- ^ Чарек, А.; Бабич, Дж. З.; Шауперль, З.; Томислав Б. Механические свойства сплавов Co-Cr для металлического каркаса. Межд. Дж. Протодонт. Реставратор. Вмятина. 2011, 1, 13-19.
- ^ Дивайн, ТМ; Вульф, Дж. Каст против деформируемых кобальт-хромовых сплавов для хирургических имплантатов. Дж. Биомед. Матер. Рез. 1975, 9, 151–167.
- ^ Лунцюань, С.; Нортвуд, Д.; Цао, З. Свойства деформируемого биомедицинского сплава кобальта и хрома. Дж. Мат. наук. 1994, 29, 1233–1238.
- ^ Перейти обратно: а б с Ли, С.; Номура, Н.; Чиба, А. Значительное улучшение механических свойств биомедицинских сплавов Co-Cr-Mo при сочетании добавки N и обогащения Cr. Операции с материалами. 2008, 2, 260–264.
- ^ Хермаван, Х.; Рамдан, Д.; Джуансях, JRP; Металлы для биомедицинских применений. Биомедицинская инженерия – от теории к приложениям . 2011, 410–430.
- ^ Керейакес, диджей; Кокс, Д.А.; Хермиллер, Дж.Б.; Мидей, МГ; Полезность коронарного стента из кобальт-хромового сплава. Амер. Дж. Карди. 2003, 92, 463–466.
- ^ Ченг, Х.; Сюй, М.; Чжан, Х.; Ву, В.; Чжэн, М.; Ли, X. Свойства циклической усталости кламмеров из кобальт-хромового сплава для частичных съемных зубных протезов. Дж. Протез Дент. 2010, 104, 389–396.
- ^ Кеттеларидж, JA; Лиден, К.; Аксен, Э.; Джуландер, А. Высвобождение кобальта, никеля и хрома. из «Стоматологических инструментов и сплавов». Контактный дермит. 2014, 70, 3-10.