코발트크롬

Cobalt-chrome
WorkNC Dental을 사용하여 제조된 치과 교량 및 크라운이 있는 코발트 크롬 디스크

코발트크롬 또는 코발트크롬(CoCr)은 코발트와 크롬의 금속 합금이다. 코발트크롬은 특정 강도가 매우 높으며 가스 터빈, 치과 임플란트, 정형외과 임플란트 등에 흔히 사용된다.[1]

역사

Co-Cr 합금은 1900년대 초 Elwood Haynes에 의해 코발트와 크롬을 융합하여 처음 발견되었다. 이 합금은 텅스텐과 몰리브덴과 같은 다른 많은 원소들과 함께 처음 발견되었다. 헤인즈는 자신의 합금이 산화 및 부식성 가스에 저항할 수 있으며, 이 합금을 끓는 질산에 노출시키더라도 눈에 보이는 타질의 징후는 보이지 않는다고 보고했다.[2] 스텔라이트라는 이름으로 항공우주산업,[3] 절삭기, 베어링, 블레이드 등 높은 내마모성이 필요한 다양한 분야에서 Co-Cr 합금을 사용해 왔다.

Co-Cr 합금은 바이오의약품 적용이 발견되면서 더 많은 관심을 받기 시작했다. 이 합금은 20세기 의료용 공구 제조에 처음 사용되었고,[4] 1960년 최초의 Co-Cr 보형물 심장 판막이 이식되었는데, 우연히도 높은 내마모성을 보이며 30년 이상 지속되었다.[5] 최근에는 내성성이 우수하고 생체적합성이 뛰어나며 고온에서 용융점이 높고 믿을 수 없는 강도로 인해 Co-Cr 합금이 엉덩이와 무릎, 치과 부분교량공사, 가스터빈 등 많은 인공관절 제조에 사용되고 있다.[4]

합성

공통 Co-Cr 합금 생산에는 코발트 산화물과 크롬 산화 광석에서 코발트와 크롬을 추출해야 한다. 두 광석은 모두 순금속을 얻기 위해 환원 과정을 거쳐야 한다. 크롬은 보통 알루미늄 열감소 기술을 거치며, 특정 광석의 특성에 따라 다양한 방법으로 순수 코발트를 달성할 수 있다. 그런 다음 순수 금속은 전기 아크나 유도 용융에 의해 진공 상태에서 함께 융합된다.[4] 고온에서 금속의 화학 반응성 때문에 이 공정에 진공 상태나 불활성 대기가 있어야 산소가 금속으로 흡수되지 않는다. Co-Cr-Mo 합금인 ASTM F75는 즉시 냉각되는 작은 노즐을 통해 용해된 금속을 배출하여 합금의 미세한 분말을 만들어냄으로써 불활성 아르곤 대기에서 생산된다.[3]

그러나 위에서 언급한 방법을 통한 Co-Cr 합금의 합성은 매우 비싸고 어렵다. 최근 2010년, 케임브리지 대학의 과학자들은 용해된 염화 전해액의 산화 전구 음극의 감소를 수반하는 FFC 케임브리지 프로세스로 알려진 새로운 전기 화학적 고체 상태 감소 기술을 통해 합금을 생산해 왔다.[4]

특성.

Co-Cr 합금은 대부분 CrO로23 구성된 보호용 패시브 필름의 자발적 형성으로 인해 부식에 대한 높은 내성을 보이며, 표면에는 코발트 및 기타 금속 산화물 양이 경미하다.[6] 바이오의약품 산업에 광범위하게 적용되었음이 보여주듯이, Co-Cr 합금은 생체적합성으로 잘 알려져 있다. 생체적합성은 또한 필름과 이 산화된 표면이 생리적 환경과 어떻게 상호작용하는가에 달려있다.[7] 스테인리스강과 유사한 우수한 기계적 특성은 카바이드의 다층적 구조와 강수에 의한 결과로서 Co-Cr 합금의 경도를 엄청나게 증가시킨다. Co-Cr 합금의 경도는 550~800MPa, 인장 강도는 145~270MPa로 다양하다.[8] 더욱이 인장 강도와 피로 강도는 열처리되면서 급격히 증가한다.[9] 단, Co-Cr 합금은 연성이 낮은 경향이 있어 부품 파손을 일으킬 수 있다. 이것은 합금이 고관절 교체에 일반적으로 사용되기 때문에 우려되는 것이다.[10] 낮은 연성을 극복하기 위해 니켈, 탄소 및/또는 질소를 첨가한다. 이러한 원소는 γ 단계를 안정화시켜 Co-Cr 합금의 다른 위상에 비해 기계적 특성이 우수하다.[11]

공통유형

다양한 분야에서 공통적으로 생산되고 사용되는 Co-Cr 합금이 몇 가지 있다. ASTM F75, ASTM F799, ASTM F1537은 구성이 매우 유사하지만 생산 공정이 약간 다른 Co-Cr-Mo 합금, ASTM F90은 Co-Cr-W-Ni 합금, ASTM F562는 Co-Ni-Cr-Mo-Ti 합금이다.[3]

구조

코발트나 크롬의 성분 비율과 온도에 따라 Co-Cr 합금은 다른 구조를 보인다. 합금이 약 60-75%의 크롬을 함유하고 있는 σ 위상은 깨지기 쉽고 골절될 수 있다. FCC 결정 구조는 γ 단계에서 발견되며, γ 단계에서는 σ 단계에 비해 강도 및 연성이 개선된 것으로 나타난다. FCC 결정 구조는 일반적으로 코발트가 풍부한 합금에서 발견되는 반면 크롬이 풍부한 합금은 BCC 결정 구조를 갖는 경향이 있다. γ상 Co-Cr 합금은 고압에서 ε 상으로 변환할 수 있으며, HCP 결정 구조를 나타낸다.[11]

사용하다

의료용 임플란트

내마모성과 생체적합성이 높아 무릎과 엉덩이 관절을 비롯한 인공관절을 만드는 데 가장 많이 사용되는 것이 코크르 합금이다.[4] Co-Cr 합금은 내식성이 있어 이식 시 주변 조직과의 합병증을 감소시키고, 화학적으로 불활성화돼 자극, 알레르기 반응, 면역 반응 가능성을 최소화한다.[12] Co-Cr 합금은 혈액 및 연조직에서도 우수한 생체적합성을 보여줌으로써 스텐트 및 기타 수술용 임플란트 제조에도 널리 사용되어 왔다.[13] 정형외과 임플란트에 사용되는 합금 조성은 산업 표준 ASTM-F75: 주로 코발트, 27~30% 크롬, 5~7% 몰리브덴, 망간 및 실리콘 각 1% 미만, 0.75% 미만이 철, 0.5% 미만이니켈, 극소량의 탄소, 질소, 텅스텐, 극소량 등 기타 중요 요소에 대한 상한선을 기술한다. 인, 유황, 붕소 [1]등

코발트-크롬몰리브덴(CoCrMo) 이외에도 코발트-니켈-크롬몰리브덴(CoNiCrMo)이 임플란트에도 사용된다.[citation needed] CoNiCr 합금에서 방출된 Ni 이온의 가능한 독성 및 이들의 제한된 마찰 특성은 이러한 합금을 관절성분으로 사용하는 데 있어 관심의 대상이다. 따라서 CoCrMo는 일반적으로 총 관절성형술의 지배적인 합금이다.[citation needed]

치과 보철물

Co-Cr 부분 의치.

Co-Cr 합금 틀니 및 주조 부분 틀니는 금 합금에 비해 비용이 낮고 밀도가 낮아 1929년부터 일반적으로 제조되어 왔지만, Co-Cr 합금은 치과용 보철물의 중요한 요소인 탄성 계수와 주기적 피로 저항성이 높은 경향이 있다.[14] 합금은 치아 부분부분을 위한 금속틀로서 일반적으로 사용된다. 이러한 목적으로 잘 알려진 브랜드는 비탈륨이다.

산업

부식 및 마모에 대한 고저항과 같은 기계적 특성 때문에 Co-Cr 합금(예: Stellite)는 내마모성이 높은 풍력 터빈, 엔진 구성품 및 기타 많은 산업/기계적 구성품을 만드는 데 사용된다.[3]

코-크르 합금은 또한 보석류, 특히 웨딩 밴드를 만들기 위해 패션 산업에서 매우 흔하게 사용된다.

위험

Co-Cr 합금 도구와 보철물에서 방출되는 금속은 알레르기 반응과 피부 습진을 일으킬 수 있다.[15] 니켈이 인체에서 가장 보편적인 금속 감작제인 만큼 생체적합성이 낮기 때문에 보철물이나 니켈 질량 Co-Cr 합금 비율이 높은 의료기기는 피해야 한다.[11]

참고 항목

참조

  1. ^ a b ARCAM ASTM F75 CoCr 합금 웨이백 기계에 2011-07-07 보관
  2. ^ 헤인즈, E. 금속 합금 미국 특허 번호 873745; 1907.
  3. ^ a b c d 라트너, B. D.; 호프만, A. S. 쇤, F. J.; 레몬스, J. E. 바이오소재 과학, 제2편; 1996년 아카데미 출판사
  4. ^ a b c d e Hyslop, D. J. S.; A. M. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. A. 프레이, D. J. 생물의학적으로 중요한 Co-Cr 합금의 전기화학 합성. Acta Materialia. 2010, 58, 3124-3130.
  5. ^ 타르지아, V.; 보티오, T.; Testolin, L.; Gerosa, G. Mitral Positioin에서 Starr-Edwards Prothesis(31년 연장) 내구성. 인터랙티브 흉부외과Vasc Thorac Surg. 2007, 6, 570-571.
  6. ^ Bettini, E.; Leygraf, C.; Pan, J. CoCrMo 합금에 대한 전류 증가 특성: "트랜스패시브" 해산 vs. 물 산화. Int. J. 전기화학. Sci. 2013, 8, 11791-11804.
  7. ^ Zimmermann, J.; Ciacchi, L. C. C. CoCr 합금 표면의 선택적 Cr 산화의 기원 J. Pjus. 화학. 레트 2010, 1,2343-2348.
  8. ^ 카렉, A; 바빅, J. Z.; 샤우펄, Z.; 토미슬라프, B. Co-Cr 합금의 Metal Base Framework에 대한 기계적 특성 J. 프로스트호돈트. 레스토르. 덴트. 2011년 1, 13-19.
  9. ^ 데빈, T.M.; 울프, J. 캐스트 vs. 연마 코발트-크롬 수술용 임플란트 합금. J. 바이오메드. 1975년 9월 151-167번지
  10. ^ Longquan, S., Northwood, D., Cao, Z. 연성 바이오메디컬 코발트-크롬 합금의 특성 J. Mat. Sci. 1994, 29, 1233-1238.
  11. ^ a b c Lee, S.; N.N.; Jiba, A. N. 첨가물과 Cr-Enricment의 조합으로 생물학적 Co-Cr-Mo 합금의 기계적 특성이 크게 개선되었다. 자재 거래. 2008, 2, 260-264.
  12. ^ H.H.; R. D.; D.; Djuansja, J. R. P.; 생물의학 응용을 위한 금속. 생물 의학 공학 – 이론에서 응용에 이르기까지. 2011, 410-430.
  13. ^ Keiakes, D. J.; Cox, D. A.; Hermiller, J. B.; Midei, M. G.; 코발트 크롬 관상동맥 스텐트 합금의 유용성. 아메르. J. 심장. 2003, 92, 463-466
  14. ^ 청, H, 쉬, M; 장, W; 정, M; 리, X. 부분 탈착식 치과용 코발트-크로미움 합금 클라스의 주기적 피로 특성 J. 보철 덴트 2010, 104, 389-396.
  15. ^ Kettelarij, J. A., Liden, C., Axen, E.; Juander, A. Coald, Nicle, Chromium Release from Dental Tools and Allows. 데르미티스에 연락하십시오. 2014, 70, 3-10.