Kobolt-krom
Kobolt-krom eller kobolt -krom ( CoCr ) är en metallegering av kobolt och krom . Kobolt-krom har en mycket hög specifik hållfasthet och används ofta i gasturbiner , tandimplantat och ortopediska implantat .
Historia
Co-Cr-legering upptäcktes först av Elwood Haynes i början av 1900-talet genom att smälta kobolt och krom. Legeringen upptäcktes först med många andra grundämnen som volfram och molybden i sig. Haynes rapporterade att hans legering var kapabel att motstå oxidation och frätande ångor och uppvisade inga synliga tecken på smuts även när legeringen utsattes för kokande salpetersyra. Under namnet Stellite har Co-Cr-legering använts inom olika områden där hög slitstyrka behövdes inklusive flygindustrin , bestick, lager, blad, etc.
Co-Cr-legering började få mer uppmärksamhet när dess biomedicinska tillämpning hittades. På 1900-talet användes legeringen först vid tillverkning av medicinska verktyg, och 1960 implanterades den första Co-Cr-hjärtklaffprotesen, som råkade vara i över 30 år, vilket visade sin höga slitstyrka. Nyligen, på grund av utmärkta resistenta egenskaper, biokompatibilitet , höga smältpunkter och otrolig styrka vid höga temperaturer, används Co-Cr-legering för tillverkning av många konstgjorda leder inklusive höfter och knän, dentala partiella broarbeten, gasturbiner och många andra .
Syntes
Den vanliga produktionen av Co-Cr-legeringar kräver utvinning av kobolt och krom från koboltoxid och kromoxidmalmer . Båda malmerna måste genomgå reduktionsprocess för att få rena metaller. Krom går vanligtvis igenom en aluminiumtermisk reduktionsteknik , och ren kobolt kan uppnås på många olika sätt beroende på den specifika malmens egenskaper. Rena metaller smälts sedan samman under vakuum antingen genom ljusbåge eller genom induktionssmältning . På grund av den kemiska reaktiviteten hos metaller vid hög temperatur, kräver processen vakuumförhållanden eller inert atmosfär för att förhindra syreupptagning av metallen. ASTM F75, en Co-Cr-Mo-legering, produceras i en inert argonatmosfär genom att smälta metaller sprutas ut genom ett litet munstycke som omedelbart kyls för att producera ett fint pulver av legeringen.
Syntes av Co-Cr-legering genom metoden som nämns ovan är emellertid mycket dyr och svår. Nyligen, 2010, har forskare vid University of Cambridge producerat legeringen genom en ny elektrokemisk reduktionsteknik i fast tillstånd känd som FFC Cambridge-processen som innebär reduktion av en oxidprekursorkatod i en smält kloridelektrolyt.
Egenskaper
Co-Cr-legeringar visar hög motståndskraft mot korrosion på grund av den spontana bildningen av en skyddande passiv film bestående av mestadels Cr 2 O 3 och mindre mängder kobolt och andra metalloxider på ytan. Som dess breda tillämpning inom biomedicinsk industri indikerar, är Co-Cr-legeringar välkända för sin biokompatibilitet. Biokompatibilitet beror också på filmen och hur denna oxiderade yta interagerar med den fysiologiska miljön. Goda mekaniska egenskaper som liknar rostfritt stål är ett resultat av en flerfasstruktur och utfällning av karbider, vilket ökar hårdheten hos Co-Cr-legeringar enormt. Hårdheten hos Co-Cr-legeringar varierar från 550-800 MPa, och draghållfastheten varierar mellan 145-270 MPa. Dessutom ökar drag- och utmattningshållfastheten radikalt när de värmebehandlas. Co-Cr-legeringar tenderar dock att ha låg duktilitet , vilket kan orsaka komponentbrott. Detta är ett problem eftersom legeringarna ofta används vid höftproteser. För att övervinna den låga duktiliteten tillsätts nickel , kol och/eller kväve . Dessa element stabiliserar γ-fasen, som har bättre mekaniska egenskaper jämfört med andra faser av Co-Cr-legeringar.
Vanliga typer
Det finns flera Co-Cr-legeringar som vanligtvis produceras och används inom olika områden. ASTM F75, ASTM F799, ASTM F1537 är Co-Cr-Mo-legeringar med mycket liknande sammansättning men ändå något olika produktionsprocesser, ASTM F90 är en Co-Cr-W-Ni-legering och ASTM F562 är en Co-Ni-Cr-Mo -Ti legering.
Strukturera
Beroende på den procentuella sammansättningen av kobolt eller krom och temperaturen uppvisar Co-Cr-legeringar olika strukturer. σ-fasen, där legeringen innehåller cirka 60-75 % krom, tenderar att vara spröd och utsatt för brott . FCC-kristallstrukturen finns i γ-fasen, och γ-fasen visar förbättrad styrka och duktilitet jämfört med σ-fasen. FCC-kristallstruktur finns vanligtvis i koboltrika legeringar, medan kromrika legeringar tenderar att ha BCC-kristallstruktur. γ-fas Co-Cr-legeringen kan omvandlas till ε-fasen vid höga tryck, vilket visar en HCP-kristallstruktur.
Används
Medicinska implantat
Co-Cr-legeringar används oftast för att tillverka konstgjorda leder inklusive knä- och höftleder på grund av hög slitstyrka och biokompatibilitet. Co-Cr-legeringar tenderar att vara korrosionsbeständiga , vilket minskar komplikationer med omgivande vävnader när de implanteras, och kemiskt inerta så att de minimerar risken för irritation, allergisk reaktion och immunsvar . Co-Cr-legering har också använts i stor utsträckning vid tillverkning av stent- och andra kirurgiska implantat, eftersom Co-Cr-legering uppvisar utmärkt biokompatibilitet med blod och mjukvävnader. Legeringssammansättningen som används i ortopediska implantat beskrivs i industristandard ASTM -F75: huvudsakligen kobolt, med 27 till 30 % krom , 5 till 7 % molybden och övre gränser för andra viktiga grundämnen såsom mindre än 1 % vardera av mangan och kisel , mindre än 0,75 % järn , mindre än 0,5 % nickel och mycket små mängder kol , kväve , volfram , fosfor , svavel , bor etc.
Förutom kobolt-krom-molybden (CoCrMo) används även kobolt-nickel-krom-molybden (CoNiCrMo) för implantat. [ Citat behövs ] Den möjliga toxiciteten hos frigjorda Ni-joner från CoNiCr-legeringar och även deras begränsade friktionsegenskaper är en fråga om oro vid användning av dessa legeringar som ledade komponenter. Således är CoCrMo vanligtvis den dominerande legeringen för total ledprotesplastik . [ citat behövs ]
Tandproteser
Co-Cr-legeringsproteser och gjutna delproteser har vanligtvis tillverkats sedan 1929 på grund av lägre kostnad och lägre densitet jämfört med guldlegeringar; Co-Cr-legeringar tenderar dock att uppvisa en högre elasticitetsmodul och cyklisk utmattningsmotstånd, vilket är signifikanta faktorer för tandproteser. Legeringen är en vanligen använd som metallram för dentala partier. Ett välkänt varumärke för detta ändamål är Vitallium .
Industri
På grund av mekaniska egenskaper som hög motståndskraft mot korrosion och slitage, används Co-Cr-legeringar (t.ex. Stellites ) vid tillverkning av vindturbiner, motorkomponenter och många andra industriella/mekaniska komponenter där hög slitstyrka behövs.
Co-Cr-legering används också mycket ofta inom modeindustrin för att göra smycken, särskilt bröllopsringar.
Faror
Metaller som frigörs från Co-Cr-legeringsverktyg och proteser kan orsaka allergiska reaktioner och hudeksem . Proteser eller annan medicinsk utrustning med hög nickelmassaprocent Co-Cr-legering bör undvikas på grund av låg biokompatibilitet, eftersom nickel är den vanligaste metallsensibilisatorn i människokroppen.