Biomateriały

Stopy kobaltu

1. Kobalt

Kobalt (Co cobaltum) pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych układu okresowego. Czysty kobalt jest lśniącym, srebrzystym metalem o własnościach ferromagnetycznych. Ma właściwości zbliżone do niklu w tym że występuje w naturze rzadziej i jest o wiele droższy. Gęstość kobaltu to 8,83 Mg/m³ temperatura topnienia Co osiąga 1493 ° C, a temperatura wrzenia 2900 ° C.  Jest stosowany jako dodatek do stopów magnetycznych. Metaliczny kobalt jest składnikiem niektórych stopów o wysokich parametrach (tzw. nadstopy). W postaci metalicznej lub jako tlenek jest składnikiem elektrod akumulatorów , niklowo-kadmowych i niklowo-metalowo-wodorkowych.

Kobalt wykazuje dwie odmiany alotropowe. W temperaturze pokojowej występuje odmiana α o sieci heksagonalnej A3, a w temperaturze wyższej od 417° C odmiana ß o sieci ściennie centrowanej typu A1.  Kobalt charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję atmosferyczną, w środowiskach wód gruntowych, siarkowodoru, wodorotlenków sodu i potasu, ulegając korozji pod działaniem chloru, bromu, amoniaku i dwutlenku siarki.

Zastosowanie kobaltu :

Jest stosowany do elektrolitycznego powlekania metali i stopów o dużej odporności na korozję, jako lepiszcze w produkcji węglików spiekanych oraz jako dodatek stopowy w stalach szybkotnących, stopach na magnesy oraz stopach żarowytrzymałych.

1. Kobalt jako pierwiastek stopowy

Kobalt jest stosowany głównym jako pierwiastek stopowy, np. do stopów na:

• magnesy trwałe (do 20%);

• stale szybkotnące (do 10%);

• stellity (35-55 %) ;

• węgliki spiekane (do ok. 15%);

• nadstopy( do 60%);

• stale maraging( do ok 15 %);

• stopy kovar(ok 18%).

Poza tym jest stosowany izotop promieniotwórczy Co⁶⁰ w medycynie i gamma w defektoskopii.

1. Układy

-Układ kobalt-żelazo

Układ ten od strony kobaltu tworzy roztwory stałe. Natomiast od strony żelaza otrzymujemy dla bardzo nieznacznego zakresu, od 17,3% do 19,1% stężenia Co mieszaninę dwu faz alfa i gamma. Poniżej temperatury solidusu oraz linii przemiany alfa->gamma znajduje się austenit, który w temperaturze niżej od 1000 stopni C przechodzi w ferryt. Wszystkie stopy tego układu wykazują własności magnetyczne. W układzie tym, w temperaturze 730 stopni C tworzy się nadstruktura FeCo o uporządkowanym układzie atomów.

Układ kobalt-chrom

Układ kobalt chrom od strony kobaltu krzepnie jako eutektyczny w temperaturze 1400 stopni C, zaś od strony chromu jako perytektyczny w temperaturze 1470 stopni. Należy zaznaczyć, że eutektyka składa się z kryształów roztworu chromu w kobalcie alfa i kryształów roztworu delta. Faza delta ulega przemianie w temperaturach od 1310 do 1260 stopni na fazę t, która dla stężenia chromu z zakresu od około 53% do około 58% pozostaje już do temperatury otoczenia. Natomiast faza alfa, w miarę obniżania temperatury od strony kobaltu przechodzi całkowicie w fazę epsilon. Rozpuszczalność kobaltu w chromie wynosząca w temperaturze 1260 stopni około 38% Co, w miarę obniżania temperatury maleje i w temperaturze otoczenia wynosi do około 10%. Przemiana magnetyczna w tym układzie występuje tylko od strony niklu i obniża się w miarę wzrostu zawartości chromu.

Układ kobalt-molibden

Układ kobalt molibden krzepnie jako układ perytektyczny w temperaturze 1585 stopni Cod strony molibdenu i jako eutektyczny w temperaturze 1340 stopni od strony kobaltu. W układzie tym występują dwie fazy międzymetaliczne tworzące się w stanie stałym. Są to: faza Mo6Co7 tworząca się w temperaturze około 1480 stopni oraz faza MoCo3 w tempetarurze 1020 stopni. Przemiana magnetyczna w tym układzie występuje tylko od strony kobaltu i obniża się w miarę wzrostu zawartości molibdenu.

Układ kobalt-nikiel-żelazo

Układ kobalt-nikiel-żelazo utworzony jest przez roztwory stałe lub ich mieszaniny. Metale wymienione w tym układzie, w temperaturze otoczenia, różnią się budową sieci krystalicznej:

-nikiel krystalizuje w układzie regularnym, ma sieć płaskocentryczną

-żelazo krystalizuje w układzie regularnym, ma sieć przestrzennie centrowaną.

-kobalt krystalizuje w układzie heksagonalnym.

Metale te, jak i ich stopy w temperaturze otoczenia wykazują własności ferromagnetyczne.

Układ kobalt-chrom-żelazo

Układ kobalt-chrom-żelazo przestawia oprócz izoterm krzepnięcia krzywą S1 S2, która w części od strony układu żelazo-kobalt wskazuje składy roztworów stałych o minimalnych temperaturach, a w części od strony układu kobalt-chrom wskazuje składy eutektyki.

Układ kobalt-chrom-wolfram

Układ kobalt chrom wolfram przestawia wyznaczone niektóre izotemy krzepnięcia i linie eutektyk podwójnych e1-e2-e. W układzie tym, w temperaturze 1395 stopni, znajduje się punkt eutektyki potrójnej E, którego skład tworzy: około 44% Co, około 30 % Cr oraz około 26% W.

1. Podział stopów ze względu na technikę wytwarzania

-Odlewnicze stopy na osnowie kobaltu

Odlewnicze stopy kobaltu w stanie lanym charakteryzuj się strukturą niejednorodnego austenitu oraz znaczną segregacją chemiczną. W osnowie austenitu występują wydzielenia węglików M23C6. Największa segregacja austenitu występuje w obszarze dendrytów, a podstawowym pierwiastkiem ulegającym segregacji jest chrom, którego stężenie zmienia się w zakresie od 19 do 35%. W znacznie mniejszym zakresie segregacji ulega molibden, którego stężenie waha się w granicach od 4 do 6%

-Stopy kobaltu przerabiane plastycznie

W stopach kobaltu przerabianych plastycznie w porównaniu do odlewanych ograniczono stężenie węgla, chromu, krzemu i manganu, a zwiększono stężenie niklu z 2,5% do 33-37%, wprowadzono także tytan. Poprzez taką modyfikację składu chemicznego tych stopów uzyskuje się wyższą podatność do odkształceń plastycznych oraz większą odporność na korozję zmęczeniową i naprężeniową w zestawieniu z stopami odlewanymi.

1. Podział stopów kobaltu ze względu na zastosowanie

-Żarowytrzymałe stopy kobaltu

-Stopy kobaltu magnetycznie twarde

-Stopy kobaltu odporne na ścieranie

-Stopy kobaltu stosowane na implanty

Żarowytrzymałe stopy kobaltu

Dwuskładnikowe stopy kobaltu nie znalazły szerszego zastosowania. Żarowytrzymałe stopy kobaltu zawierają zwykle kilka spośród następujących pierwiastków: Fe, Ni, Si, Mn, Ti, W, V, Ta oraz C, B lub N.

Materiały te tworzone są głównie dla:

-potrzeb chemii wysokich temperatur

-lotnictwa

-techniki jądrowej

-kosmonautyki

-technik zbrojeniowych.

Charakteryzują się:

-dużą odpornością na korozję wysokotemperaturową

-wysokim współczynnikiem przewodnictwa cieplnego

-niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej

-wysoką stabilnością w czasie pracy przy małych naprężeniach

-posiadają wysoką temperaturę topliwości

-dobrą spawalnością

-odpornością na ścieranie

-odpornością na zmęczenia cieplne

Ponadto żarowytrzymałe stopy kobaltu są mało plastyczne, na ogół nie można obrabiać ich przez obróbkę plastyczną na zimno, ani na gorąco. Stosuje się w stanie lanym, odlewając w piasku lub w formach metalowych Stopy kobaltu stosowane są w stanie surowym lub po obróbce cieplnej, polegającej na przesycaniu i długotrwałym sztucznym starzeniu.

Krokiem w rozwoju technologii elementów wykonanych z stopów kobaltu jest wprowadzenie ceramicznych warstw ochronnych z korundu lub dwutlenku cyrkonu. Warstwy takie napylane próżniowo lub plazmowo o grubości ok. 0,2 mm, skutecznie zabezpieczają materiał rodzimy przed utlenianiem i jednocześnie obniżają temperaturę warstwy wierzchniej stopu

Stopy kobaltu magnetycznie twarde

Magnesy wykonywane z stopu alnico produkowane są ze względu na najwyższą spośród wszystkich magnesów stabilność temperaturową parametrów magnetycznych, bardzo wysoka temperaturę Curie oraz wysoką temperaturę pracy. Cechuje je także najwyższa odporność na korozję.

Podstawowe zastosowania magnesów alnico to:

-na przyrządy pomiarowe

-na urządzenia kontrolne, wiele typów przetworników i czujników

-na motory i prądnice

-inne zastosowania, szczególnie takie, w których wymagane jest pole magnetyczne stabilne w funkcji temperatury, a przestrzeń konstrukcyjna jest dostatecznie duża aby pomieścić magnes

Stopy kobaltu odporne na ścieranie noszą nazwę stellitów.

Skład chemiczny stellitów tworzą:

-węgiel w zakresie 2 – 4%

-kobalt w zakresie 35-55 %

-chrom w zakresie 25-33%

-wolfram w zakresie 10-25%

-żelazo w zakresie 0-10%

W stellitach kobalt może być częściowo zastępowany przez nikiel, a wolfram przez mangan, molibden, wanad, tantal lub tytan.

Stellity

Stellity nie są poddawane obróbce plastycznej, a obróbka mechaniczna przez skrawanie odbywa się jedynie przy użyciu węglików spiekanych lub szlifowania. Z powodu małej przewodności cieplnej, stellity nie obrabia się cieplnie, gdyż nagłe zmiany temperatury mogłyby dobrowadzić do powstawania uszkodzeń na powierzchni materiału. Wytrzymałość na rozciąganie tych materiałów wynosi około 200 kG/mm2, a twardość brinella około 650 kG.

Ze względu na dużą odporność na ścieranie, korozję i żaroodporność stellity znalazły zastosowanie na:

-narzędzia skrawające

-ciągadła i matryce do prasowania na gorąco

-ponadto stosuje się je do stellitowania( czyli naprawiania stellitem) części maszyn narażonych szczególnie na działanie gazów spalinowych i wysokiej temperatury.

Stopy kobaltu stosowane na implanty

Stopy na osnowie kobaltu stosowane są na wyroby dla chirurgii kostnej. Cechują się dobrą odpornością na korozję wżerową i szczelinową, posiadają zdolności do repasywacji w roztworach fizjologicznych, wykazują tolerancję w środowisku tkanek i płynów ustrojowych, zaliczane są do grupy materiałów nietoksycznych. O ich własnościach decyduje skład chemiczny oraz struktura, która jest uzależniona od rodzaju technologii wytwarzania.

Zastosowanie:

-endoprotezy stawowe,

-płytki,

-wkręty kostne,

-groty,

-druty,

-elementy kształtowe do zespoleń dociskowych kości,

-do wytwarzania dentystycznych rekonstrukcji ruchomych.