Aliaje pe baza de cobalt

Aliaje pe baza de cobalt

Aceste aliaje sunt numite in general aliaje cobalt-crom. In principiu, exista doua tipuri de astfel de aliaje ; unul este aliajul CoCrMo (F76), care este folosit in general pentru turnarea matritei unui produs, iar celalalt este aliajul CoNiCrMo (F562), care de obicei este prelucrat prin forjare la cald. Aliajul CoCrMo a fost folosit mult timp in stomatologie si, mai nou, in fabricarea articulatiilor artificiale. Aliajul forjat CoNiCrMo este nou, folosit astazi in fabricarea radacinilor protezelor, mai ales in cazul articulatiilor asupra carora actioneaza o presiune mare, precum genunchiul si soldul.

1. Tipuri si compozitia aliajelor bazate pe Co

Standardul american (ASTM) descrie 4 tipuri de astfel de aliaje recomandate in implanturile chirurgicale : (1) aliaj CoCrMo turnat (F76), (2) aliaj CoCrWNi forjat (F90), (3) CoNiCrMo forjat (F562) si (4) aliaj CoNiCrMoWFe (F563). Compozitiile chimice a primelor trei tipuri sunt prezentate pe scurt in Tabelul 5-3.

Tabelul 5-3.Compozitia chimica a aliajelor pe baza de Co

In prezent, doar doua dintre cele patru aliaje sunt folosite foarte mult in fabricarea implanturilor, si anume aliajul CoCrMo pentru turnat si aliajul CoNiCrMo pentru forjat. Asa cum se poate vedea si in Tabelul 5-3, compozitia aliajelor difera.

Proprietatile aliajelor pe baza de Co

Cele doua elemente de baza ale aliajului pe baza de Co formeaza o solutie solida continand pana la 65 % Co, iar restul Cr, asa cum arata si Figura 5-3. Molibdenul este adaugat pentru a obtine granule mai fine, care duc la marirea ezistentei in urma forjarii sau turnarii.

Figura 5-3. Diagrama fazelor Co-Cr.

(Sursa: Metals Reference Book, C.J. Smithells (ed.) Butterworths, London, 1976).

Unul dintre cele mai eficiente aliaje de forjare pe baza de Co este aliajul CoNiCrMo, initial numit MP35N (Co standard presat), care contine aproximativ 35% Co, respectiv Ni. Aliajul prezinta un grad avansat de rezistenta la coroziune in apa de mare (continand ioni de clorura) sub o presiune foarte mare. Prelucrarea la rece poate mari considerabil rezistenta aliajului ca in Figura 5-4. Cu toate acestea, prelucrarea la rece este dificila, mai ales in cazul fabricarii unor aparate de dimensiuni mari, cum ar fi baza implantului de sold. Doar prelucrarea la cald se poate folosi in fabricarea unui implant din acest aliaj.

Proprietatile abrazive ale aliajului forjat CoNiCrMo sunt asemanatoare cu cele ale aliajului de turnare CoCrMo (aproximativ 0.14 mm/an din testele de simulare a implantului de sold) ; cu toate acestea, primul nu este recomandabil pentru partile libere ale protezelor articulare din cauza gradului redus de frecare fata de el insusi si fata de alte materiale. Rezistenta maxima la oboseala

Figura 5-4. Dependenta rezistentei la tractiune de deformarea la rece a aliajului CoNiCrMo.

(Dupa T.M. Devine and J. Wulff, Cast vs. Wrought Cobalt-Chromium Surgical Implant Alloys,

J. Biomed. Mater. Res., 9, 151-167 ).

si rezistenta maxima la tractiune a aliajului forjat CoNiCrMo fac ca acesta sa fie indicat in implanturile cu durabilitate ridicata, fara a induce fracturi sau tensiuni la oboseala. Este cazul protezelor articulare la sold. Avantajul este mult mai apreciat si vizibil atunci cand un implant trebuie inlocuit cu un altul, deoarece este foarte dificil de inlocuit un implant esuat, mai ales daca acesta se afla pozitionat adanc in canalul medular femural. Mai mult, o artroplastie refacuta este de obicei mai putin rezistenta decat cea initiala, din punct de vedere a functiilor sale, aceasta fiind mult mai slab fixata in implant decat precedenta.

Tabelul 5-4 prezinta proprietatile mecanice impuse aliajelor pe baza de Co. Ca si in cazul altor aliaje, cu cat e mai mare rezistenta, cu cat e mai mica ductilitatea. Ambele tipuri de aliaje sunt foarte rezistente la coroziune.

Procesul pentru determinarea experimentala a cantitatii de Ni eliberat din aliajul CoNiCrMo si din 316L la 37°C, l-a condus pe Ringer la o solutie interesanta. Cu toate ca in cazul aliajului pe baza de Co, cantitatea initiala de ioni de Ni eliberati in solutie este mai mare, procentajul era mereu aproximativ acelasi (3 × 10^-10 g/cm³) pentru ambele aliaje, asa cum arata si Figura 5-5. Acest lucru este surprinzator deoarece cantitatea de Ni din aliajul CoNiCrMo este cam de 3 ori mai mare decat cea din aliajul 316 L.

Modulul de elasticitate pentru aliajele pe baza de Co nu se schimba o data cu modificarea valorii rezistentei finale. Valoarea modulului este intre 220 si 234 GPa, mai mare decat in cazul altor materiale, precum otelurile inoxidabile. Acest lucru poate influenta schimbarea valorii fortei de tensiune a osului, desi nu s-au stabilit inca exact care sunt efectele cresterii coeficientului.

Tabelul 5-4. Proprietatile mecanice impuse aliajelor pe baza de Co^a

^aConform : Annual Book of Standards, Part 46, American Society for Testing and Materials, 1981.

^bDupa M. Smelithsch, Eng. Med., 9, 201-207,1980.

3. Constructia implanturilor folosind aliaje pe baza de Co

Aliajul Co-Cr este susceptibil sa se durifice in urma prelucrarii mecanice, astfel incat procesul normal al fabricatiei folosit in cazul altor materiale, nu poate fi folosit. In schimb, aliajul este turnat printr-o metoda veche de ceruire (turnare prin injectie) care presupune urmatoarele etape :

1. Se fabrica o matrita/forma de turnare din ceara a piesei dorite.

2. Forma (de turnare) este acoperita cu o substanta refractara, mai intai prin acoperirea in strat subtire cu o pasta/ceramica (suspensia siliciului in solutia de silicat de ethyl), urmata de acoperirea completa dupa uscare.

3. Ceara este topita intr-un cuptor (100-150°C).

4. Forma este incalzita la temperatura mare, arzandu-se orice urma de ceara sau substante ce elibereaza gaz.

5. Aliajul topit este turnat cu ajutorul fortei gravitationale sau centrifuge. Temperatura de turnare este de aproximativ 800-1000°C, iar aliajul se afla la 1350-1400°C.

Controland temperatura de turnare, aceasta va influenta marimea grauntilor topiturii finale; grauntii mari formati la temperaturi ridicate vor micsora rezistenta. Cu toate acestea, la temperaturi mari de turnare vom obtine precipitate (carburice) mai mari, cu distantele dintre ele mai mari, dand nastere unui material mai putin sfaramicios. Din nou, exista o relatie de complementaritate intre rezistenta si duritate.