COBALTUL SI ALIAJELE SALE - Aliaje de cobalt pentru uz medical

COBALTUL SI ALIAJELE SALE

1 Proprietati generale ale cobaltului

Cobaltul face parte din grupa a VIII a tabelului periodic, alaturi de Fe si Ni, avand deci proprietati generale apropiate de ale celor doua metale.

Proprietati fizice ale cobaltului:

temperatura de topire: 1495^oC;

masa atomica: 58,94;

stari alotropice: Cob cu structura hexagonal compacta stabila pana la 420^oC si Coa cu structura cubica cu fete centrate stabila la temperaturi de peste 420⁰C.

Transformarea b a are loc printr-un mecanism de forfecare structurala, cu o caldura de transformare DH=450J/at^.gram si o variatie de volum de 0,36%;

densitatea cobaltului este functie de starea alotropica: la 25⁰C, Cob are densitatea 8,85 g/cm³ si 8,80 g/cm³ pentru Coa

Proprietatile mecanice sunt functie de puritatea metalului si de starea structurala in care se afla; unele proprietari sunt prezentate in tabelul 5.7.

Modulul Young pentru cobaltul de puritate 99,95% este E=13x10³ daN/mm², aceasta valoare este inferioara fata de un metal mai putin pur, de exemplu pentru puritatea de 99,1, E=21x10³ kg/mm².

Tabelul 5.7 Caracteristicile mecanice ale cobaltului

Duritatea cobaltului cu titlul de 99,7%, elaborat in cuptor electric cu arc si recopt, este 155 unitati Vickers. Cobaltul este foarte putin ductil la temperatura ambianta, mai ales cand are un grad de puritate scazut. La temperaturi ridicate intre 900-1200⁰C, cobaltul este deosebit de ductil si poate fi cu usurinta prelucrat prin deformare plastica.

Proprietatile termodinamice ale cobaltului se refera la:

dilatarea termica, caracterizata printr-un coeficient de dilatare liniara de 12,6x10^-6/⁰C pentru o puritate a metalului de 99,88% la 25⁰C si prezinta o variatie liniara cu temperatura, prezentand anomalii la transformarea alotropica b a (420⁰C) si la transformarea feromagnetica-paramagnetica (1120-1143⁰C);

capacitatea calorica masica a cobaltului este c_p= 24,9J/at.gr.⁰K;

conductibilitatea termica a metalului este de 0,855 W/cm ⁰C la 100⁰C;

magnetizarea cobaltului se caracterizeaza prin proprietati feromagnetice la temperatura ambianta; punctul Curie se situeaza la 1121⁰C.

2 Aliaje de cobalt pentru uz medical

Aliajele cobaltului cu cromul pot fi prelucrate metalurgic, atat prin turnare cat si prin deformare plastica, aspecte tratate la cap 6. componentele protetice turnate sau matritate sunt apoi prelucrate prin aschiere, sudare, lipire, tratamente termice secundare. In final sunt slefuite, sterilizate si conservate conform cerintelor standardelor internationale (vezi cap. 7 - anexe).

Cobaltul formeaza cu diverse metale mai multe sisteme de aliaje binare si ternare, dintre care numai acela care prezinta interes pentru domeniul protetic vor fi tratate in continuare.

Sistemul de aliaje cobalt-crom se prezinta in fig. 5.16. Solubilitatea in stare solida a cromului in cobalt are valoarea de 39% la 1400⁰C, care se micsoreaza la 36% la 960⁰C.

La aceasta temperatura solutia solida a (cubica cu fete centrate) reactioneaza cu fazad, formandu-se o solutie solida g care contine 38% crom. Temperatura de transformare b a se mareste la adaugarea cromului. Din diagrama se constata posibilitatea realizarii domeniului bifazic de transformare structurala in aliaje la temperatura ambianta, deci durificarea acestor aliaje prin tratamente termice.

Prin adaugarea de molibden in aliajele Co-Cr in proportie de cateva procente se influenteaza favorabil finisarea grauntilor in materialul turnat sau forjat.

Sistemul de aliaje Cobalt-Molibden (fig. 5.17), indica formarea compusului intermetalic la MoCo₃ la 24% Mo care la temperaturi mai mici de 1020⁰C se descompune punand in solutie faza e, care poate finisa si durifica structura aliajelor din acest domeniu.

Aliajele ternare si cuaternare pe baza de cobalt din sistemele CoCrMo si CoNiCrMo sunt cele mai utilizate in domeniul protezarii medicale. Conform ASTM sunt recomandate 4 tipuri de aliaje pe baza de cobalt pentru domenii protetice ale caror compozitie este indicata in tabelul 5.8. In prezent 2 din cele 4 sisteme de aliaje sunt larg utilizate in fabricatia de implanturi si anume aliajul in stare turnata CoCrMo si aliajul in stare forjata CoNiCrMo; ultimul este utilizat mai nou in realizarea tijei femurale, in proteza articulatiei de sold.

Tabelul 5.8 Compozitia chimica a aliajelor pe baza de cobalt utilizate in protezare -conform ASTMA

2.1 Aliajele Co-Cr-Mo

Producerea componentelor protetice prin turnare este o practica atractiva deoarece se pot obtine forme de complexitate ridicate cu operatii si costuri minime.

Aliajele Co-Cr-Mo se toarna in domeniul de temperaturi cuprins intre 1350-1450⁰C, turnarea se face de regula prin procedee speciale de formare-turnare, pentru a se obtine dimensiuni precise si calitate superioara a suprafetei pieselor turnate.

Au fost facute numeroase studii pentru a se identifica si imbunatati natura fazelor structurale din piesele turnate. Structura fragila a fazelor de carbura de crom si molibden si a fazelor intermetalice precum si distributia lor sunt responsabile de ductilitatea redusa (alungirea 5-8%) a acestor aliaje in stare brut turnata. De asemenea neomogenitatea structurala a pieselor turnate afecteaza rezistenta la coroziune.   

Pentru imbunatatirea tuturor caracteristicilor mecanice si de rezistenta la coroziune aceste aliaje, dupa turnare, se supun la diverse tratamente termice de recoacere si imbatranire in scopul cresterii omogenitatii chimice si structurale.

De asemenea aceste aliaje sunt susceptibile si la alte tratamente ca microalierea in faza de elaborare (aliajul Muller), tratamente termomecanice prin deformare plastica si altele, asa cum sunt prezentate in tabelul 5.9.

Tabelul 5.9 Caracteristicile mecanice obtinute in aliajele Co-Cr-Mo in urma aplicarii unor tratamente termice si termomecanice

Compozitia eterogena a structurii turnate (fig. 5.18), afecteaza toate proprietatile mecanice si rezistenta la coroziune, in consecinta aliajul dupa turnare se supune tratamentelor termice. Primul tratament termic consta dintr-o recoacere la 1230⁰ timp de o ora urmat de racirea fortata in aer sau apa. Rezultatul tratamentului consta in omogenizarea partiala a structurii de turnare prin dizolvarea carburilor si a fazelor intermetalice d in faza g,, a matricei (fig.5.19). Cu acest prim tratament se obtine o crestere sensibila a plasticitatii aliajului manifestata prin dublarea alungirii (de la 5-8% la 11-17% dupa recoacere).

Tratamentul de recoacere la temperaturi inalte poate declansa inceputul topirii interdendritice cu aparitia fazei lichide de-a lungul limitei dintre graunti, cu posibilitatea de fragilizare a structurii metalice, care poate favoriza fisurarea sub sarcina. Prin aplicarea unor tratamente de imbatranire a aliajului turnat, dupa recoacerea la temperaturi inalte, s-a reusit sa se obtina o structura mai omogena in aliaj, cu ameliorarea proprietatilor de rezistenta si ductilitate.

Tratamentul de imbatranire are loc la cca. 650⁰C, timp de 20 de ore, cand structura C.F.C. stabila la peste 890⁰ C se transforma in structura H.C. cu formare de benzi metastabile, in care precipita carburile complexe de tipul M₂₃ C₆.

Imbunatatiri sensibile ale tuturor caracteristicilor mecanice in aliajele CoCrMo turnate se pot obtine (asa cum rezulta din tabelul 10) prin urmatoarele tratamente:

microalierea cu azot (max. 0,2%) a aliajului, conduce la formarea de carbonitruri intragranulare si precipitate de faza g (diagrama Co-Cr). Aceste aliaje studiate de Muller poarta denumirea comerciala de ENDOCAST si se caracterizeaza prin proprietati de rezistenta si tenacitate ridicate (tabelul 5.9). Tratamentul termic al acestor aliaje consta dintr-o imbatranire artificiala la 815⁰ C timp de 4 ore, urmata de o normalizare la 1225⁰C timp de 4 ore, cu racire rapida. Recoacerea la temperaturi inalte are scopul de a realiza punerea in solutii a carbonitrurilor formate in structura aliajului;

microalierea cu Al, B, Nb, Ta, Ti, Zn in proportie de max. 0,1 %, conduce de asemenea la cresterea ductilitatii si rezistentei aliajelor. Si aceste aliaje sunt apoi tratate termic prin recoacere- imbatranire pentru punerea in solutie a carburilor formate prin microaliere cu elemente carburigene;

deformarea plastica cald a aliajelor turnate asigura de asemenea inalte proprietati de rezistenta si tenacitate. Forjarea si matritarea acestor aliaje este posibila la 1200⁰C cand se produce fragmentarea si distributia carburilor rezultate la turnare si a retelelor intermetalice.

Din tabelul 5.9. rezulta cresterea semnificativa a proprietatilor de rezistenta mecanica si coroziune pentru aliajele Co-Cr-Mo turnate si deformate plastic la cald in comparatie cu cele numai turnate. Ca rezultat al operatiilor de deformare plastica se obtine o granulatie fina, o structura fibroasa si orientata.

Aliajele CoCrMo, prelucrate prin deformarea plastica la cald, trebuie sa aiba continut scazut de carbon (max.0,05%), care limiteaza aparitia si formarea carburilor fragile in structura metalica; de asemenea continutul de crom trebuie sa fie limitat la 26,5% fata de 27-30% in aliajul standardizat turnat.

2.2 Aliajele din sistemul Co-Ni-Cr-Mo (MP35N)

Aliajele sunt utilizate in stare forjata la cald la temperatura de cca. 1120⁰C. Prelucrarea prin deformarea plastica, a lingourilor turnate, sub temperatura de 870⁰C nu este recomandata deoarece la temperaturi mai joase se pot produce fisuri in material. Dupa forjarea la cald, deci dupa ce structura bruta de turnare a fost schimbata, aliajul poate fi prelucrat suplimentar atat la cald cat si la temperaturi foarte joase, de fapt rezistenta mecanica ridicata se obtine prin prelucrarea la temperaturi joase. Aliajele din acest sistem au structura C.F.C. la temperaturi ridicate, prin racirea inceata la temperatura camerei, structura de echilibru sub 425⁰C este hexagonal compacta. Natura lenta a transformarii C.F.C. in H.C. impiedica formarea completa a structurii H.C. Prelucrarea prin deformarea plastica la temperatura sub 425⁰C determina transformarea limitata a structurii H.C., formandu-se benzi de structura H.C. in matricea metastabila a fazei C.F.C. (fig. 5.20). Aceasta structura multifazica este caracterizata prin rezistenta si ductilitate ridicate, proprietati finale determinate de temperatura de prelucrare si gradul de deformare; se constata benzi de structuri H.C. in matricea C.F.C.

In tabelul 5.10 se indica efectele temperaturii de prelucrare prin deformare plastica asupra proprietatilor mecanice. Rezistente suplimentare ale aliajului se obtin prin tratamente de imbatranire intre 540-590⁰C (prin existenta celor doua faze H.C. si C.F.C.) timp de 4 ore urmate de racirea in aer. Transformarile structurale la temperatura ridicata stabilizeaza structura C.F.C. prin tratamente de recoacere la peste 650⁰C.

Tabelul 5.10 Proprietatile mecanice ale aliajelor din sistemul Co Ni Cr Mo forjate

Pe durata tratamentului de imbatranire raman zonele de structura H.C. care fixeaza proprietatile de compus intermetalic Co₃Mo. Acest tratament de imbatranire conduce la cresterea suplimentara a rezistentei si la scaderea ductilitatii (tabelul 5.10.). Asigurarea proprietatilor mecanice prin tratamentele aplicate pentru diverse produse se poate realiza prin:

recoacerea de recristalizare la 1050⁰C timp de o ora, cand se obtine o scadere a limitei de curgere la cca. 400 MPa, in schimb rezulta o inalta ductilitate a materialului prin cresterea alungirii cu 70%;

forjare la temperaturi de peste 650⁰ C in domeniul structurii C.F.C., dar sub temperaturi de recristalizare (950⁰C), duritatea aliajului depinde de temperatura de forjare si de coroiajul realizat;

forjare la rece sub temperatura de 650⁰C, domeniu in care formarea structurii hexagonal compacte si ecruisarea materialului influenteaza puternic rezistenta mecanica;

forjarea la rece, urmata de tratamentul de imbatranire, cand se obtin rezistente ridicate nominalizate prin limita de rupere ~2550 MPa, limita de curgere este ~ 2400 MPa dar alungirea de numai 4%.

Principii de elaborare, turnare si prelucrare a aliajelor pe baza de cobalt

Aliajele cobaltului cu cromul pot fi prelucrate metalurgic atat prin turnare cat si prin deformare plastica, unele aspecte tehnologice sunt tratate la capitolul 6. Componentele protetice turnate sau matritate sunt apoi prelucrate prin aschiere, sudare, lipire si tratamente termice secundare. In final componentele obtinute sunt slefuite, sterilizate si conservate conform cerintelor standardelor internationale (vezi cap. 7 - anexe).