Resistencia al desgaste en una aleación cobalto-cromo-molibdeno con adiciones de titanio y carbono para aplicaciones biomédicas

Abstract

This work studies the effect of adding 0.5% Titanium content in a Co-30Cr-5Mo alloy as well as increasing the carbon content from 0.1 to 0.3%. The fundamental objective of such additions is to improve the sliding wear resistance of the alloys through the additional formation of Ti carbides. Both carbon and titanium are presented in the form of ferroalloys on the market, so adding them to the alloys also implies adding iron to the composition. Microstructural prediction studies using the JMatPro simulation software indicate that the addition of all these elements promotes an increase in the amount of the sigma phase, which is undesirable because it is a very hard and brittle compound. Fortunately, this undesirable phase could be eliminated by a solution heat treatment at 1200°C for two hours, which lowers the hardness of the alloys. An additional thermal treatment of aging produced the precipitation of chromium carbides of the M23C6 type in the form of elongated bars dispersed in the cobalt matrix, producing the maximum hardness in the alloys. Each of the alloys was tested for wear under two loads 52 and 78 N and under dry sliding conditions and in contact lubricated by Hank's solution and at a sliding speed of 0.5 m/s. The results indicate that Ti additions produce small amounts of TiC and a slight increase in the content of the sigma phase, which increases the hardness under casting conditions. This same alloy, with additions of Ti, presents the maximum values of hardness in aged conditions. The wear resistance of the alloys shows a clear agreement with the hardness, particularly in the wear process without lubrication.

Este trabajo estudia el efecto de adicionar contenidos de 0.5% de Titanio en una aleación Co-30Cr-5Mo, así como incrementar el contenido de carbono de 0.1 a 0.3%. El objetivo fundamental de tales adiciones es mejorar la resistencia al desgaste por deslizamiento de las aleaciones mediante la formación adicional de carburos de Ti. Tanto el carbono como titanio se presentan en forma de ferroaleaciones en el mercado, por lo que adicionarlos a las aleaciones implica también adicionar hierro a la composición. Estudios de predicción microestructural por medio del software de simulación JMatPro, indican que la adición de todos estos elementos promueve un incremento en la cantidad de la fase sigma, la cual es indeseable por ser un compuesto muy duro y frágil. Afortunadamente, esta fase indeseable se pudo eliminar mediante un tratamiento térmico de solubilizado a 1200°C por dos horas, lo cual baja la dureza de las aleaciones. Un tratamiento térmico adicional de envejecido produjo la precipitación de carburos de cromo del tipo M23C6 en forma de barras alargadas en forma dispersa en la matriz de cobalto produciendo la máxima dureza en las aleaciones. Cada una de las aleaciones fue ensayada en desgaste bajo dos cargas 52 y 78 N y bajo condiciones de deslizamiento en seco y en contacto lubricado mediante solución de Hank y a una velocidad de deslizamiento de 0.5 m/s. Los resultados indican que las adiciones de Ti producen pequeñas cantidades de TiC y un ligero aumento en el contenido de la fase sigma, lo cual incrementa la dureza en condiciones de colada. Esta misma aleación, con adiciones de Ti presenta los valores máximos de dureza en condiciones de envejecido. La resistencia al desgaste de las aleaciones presenta una concordancia clara con la dureza particularmente en el proceso de desgaste sin lubricación.