DE2225577A1 - Legierung auf kobalt-chrom-basis - Google Patents

Legierung auf kobalt-chrom-basis

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Description

? ? ? S R 7
Unsere Akte: 27 500 25. Mai 1972"^^'
Bn/C
Edelstahlwerk Witten Aktiengesellschaft, 5810 Witten, Auestraße 4
"Legierung auf Kobalt-Chrom-Basis"
Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Kobalt-Chrom-Basis. Sie weist verbesserte Zähigkeitseigenschaften auf und ist insbesondere für Zahnprothesengerüste und chirurgische Implantate geeignet.
Kobalt-Chrom-Legierungen sind im Maschinenbau vornehm- . lieh zum Herstellen von Teilen bekannt, die starken korrosiven und mechanischen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Sie sind aber gleichermaßen in der Chirurgie zum Herstellen von Implantaten und in der Zahnheilkunde zur Herstellung von Prothesengerüsten bekannt.
In den genannten medizinischen Bereichen haben vor allem solche Legierungen Bedeutung gewonnen, die neben Kobalt als Basiselement 26 bis 31% Chrom, 4 bis 6,5% Molybdän, bis zu jeweils 1% Silizium, Mangan und Eisen sowie 0,3
bis 0,5% Kohlenstoff enthalten. Daneben werden auch Legierungen verwendet, die, hauptsächlich auf Kosten des
Kobaltgehaltes, bis zu 20% Nickel.aufweisen und teilweise noch bis auf 6% im Silizium- und Mangangehalt erhöht sowie mit Zusätzen an Kupfer, Aluminium, Titan; Niob,
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Vanadin, Zirkon, Tantal, Beryllium und Bor, und zwar einzeln oder in Kombination, versehen sein können.
Die Verwendung der angesprochenen Kobalt-Chrom-Legierungen in der Chirurgie und Zahnheilkunde beruht darauf, daß sie
a) beständig gegenüber den im Körper und in der Mundhöhle auftretenden korrosiven Beanspruchungen sind,
b) sich leicht zu den häufig sehr komplizierten Formen ■ vergießen und gut bearbeiten lassen,
c) einen hohen Elastizitätsmodul sowie eine große Festigkeit und Härte besitzen. Die bekannt gewordenen Werte liegen für den Elastizitätsmodul bei durchschnittlich 220.000 N/mm und Je nach der Festigkeitsstufe der Legierung für die technische Elastizitätsgrenze (O,01-Grenze) bei rd.
390 bzw. 440 N/mm , für die 0,2-Grenze bei rd. 600 bzw. 625 N/mm2 und für die Zugfestigkeit bei rd. 880 bzw. 910 N/mm . Für die Härte werden Werte von 340 bzw. 380 HB angegeben.
Ein Nachteil der beschriebenen Kobalt-Chrom-Legierungen ist ihre geringe Verformungsfähigkeit. Sie wird üblicherweise durch die Bruchdehnung ausgedrückt. Die bekannt gewordenen Werte sind zwar sehr unterschiedlich, bewegen sich aber überwiegend zwischen 2 und 6%. Der höchste mitgeteilte Wert liegt bei 8%. Wegen dieser niedrigen Dehnungswerte der Legierungen können an den daraus hergestellten Teilen plastische Verformungen, z.B. Richtarbeiten an den Halteklammern von Zahnprothesengerüsten, ohne Bruchgefahr nur sehr begrenzt ausgeführt werden.
Es sind deshalb titanhaltige Legierungen auf Kobaltbasis mit verbesserter Verformungsfähigkeit bei gleicher oder ge-
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steigerter Festigkeit entwickelt worden. Diese Legierungen enthalten außer Kobalt 5 bis 15% Chrom, 5 bis 15% Nickel, bis zu 3% Molybdän, bis zu 1% Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Aluminium und/oder Eisen sowie 4 bis 10% Titan. Die'angegebenen Werte bewegen sich für die 0,2-Grenze zwischen rd,
2
560 und 800 N/mm , für die Zugfestigkeit zwischen rd. 845
und 1.110 N/mm , für die Dehnung zwischen 10 und 12,7%. und für die Brinellhärte zwischen 330 und 380 kp/mm . Diese Legierungen haben jedoch wegen der sehr hohen Affinität des Titans zum Sauerstoff den wesentlichen Nachteil, daß sie unter Vakuum oder Schutzgas erschmolzen werden müssen, und daß sie zum Herstellen der Prothesen und Implantate nur mit einem Acetylen-Sauerstoff-Brenner bei absolut neutral eingestellter Flamme und nicht mit den teilweise auch gebräuchlichen Hochfrequenz-Induktions-Heizquellen aufgeschmolzen werden können.
Es sind schließlich auch Legierungen auf Kobalt-Chrom-Basis bekannt, die neben Kobalt aus 20 bis 28% Chrom, 10 bis 20% Nickel» sehr eng begrenzten Gehalten an Molybdän, nämlich 3,7 bis 4,1%, und an Kohlenstoff, nämlich 0,18 bis 0,22%, bestehen. Infolge dieser engen Begrenzung der Molybdän- und Kohlenstoffgehalte wird die Dehnung auf 10 bis 14,5% erhöht. Diesem Vorteil steht jedoch als wesentlicher Nachteil ein spürbares Absinken der Festigkeits- . eigenschaften gegenüber. Die angegebenen Werte liegen für:, die 0,1-Grenze zwischen 375 und 415 N/mm , für die Zug-
festigkeit zwischen 595 und 715 N/mm und für die Härte (DPH) zwischen 270 und 310 kp/mm2.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezählten Nachteile zu vermeiden und gleichzeitig die gute Verformbarkeit zu erhalten oder gar zu verbessern.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch eine Le-
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gierung auf Kobalt-Chrom-Basis mit 26 bis 31% Chrom, 4 bis 6,5% Molybdän, bis 2%, vorzugsweise 1,5% Silizium^ bis 6%,vorzugsweise 3% Mangan, bis V/o Eisen, jeweils bis 0,5% Kohlenstoff und' Stickstoff bei einer Summe (C + N) bis 0,7%, Rest Kobalt einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen»
Für besondere Anwendungsfälle sollte sowohl der Siliziumwie auch der Mangangehalt jeweils 1% nicht überschreiten. Weiterhin ist ein Borgehalt bis 0,5%> vorzugsweise Q,01 bis 0,15%, vorgesehen.
Beispiele für Legierungen nach der Erfindung sind in Tabelle I zusammengefaßt. Die zugehörigen mechanischen Eigenschaften enthält Tabelle II.
309849/071 β
Tabelle 1 - Chemische Zusammensetzung
Beispiel C N (C+N) Si Mh Co - Ct Mo B 1 I
Nr. 00 .00 (%) (%) (°/o) (Yo) (%) (Yo) (%) VJl
1 0,021 0,37 0,39 1,16 0,99 61,5 26,83 5,12 - I
2 0,014 0,29 0,30 1,25 1,02 61,4 27,65 4,98 -
3 0,013 0,22 0,23 1,01 0,96 62,4 27,65 5,00 -
OJ
f—\ 		4 ' 0,12 0,19 0,31 0,95 2,92 59,8 27,97 5,10 -
*»—*
to 		5 O.,12 0,21 0,33 .0,90 2,77 59,9 27,99 5,10 0,017
CD 6 0,12 0,22 0,34 1,10 2,96 59,5 27,27 5,94 .0,11
€£> 7 0,16 0,33 0,49 1,00 0,97 62,2 27,70 5,04 -
O 8 0,32' 0,15 0,47. 0,66 0,31 64,5 27,80 5,21 -
■•-3 9 0,14 0,39 0,53 1,27 3,10 58,5 2?, 91 5,09 —
CD
Tabelle II - Mechanische Eigenschaften
00,2 0ZB δ5 Härte
HV 30
Beispiel
Nr0 		N/mm2 N/mm2 % kg/mm
580 735 8,2 516
1 56^ 795 14,6 311
2 570 845 17,1 308
3 675 1000 12,0 327
4 685 1005 12,0 316
5 655 960- 8,3 326
6 655 940 10,9 332
7 635 895 7,1 339
8 725 1010 8,2 328
9
Hieraus erhellt der Einfluß des weitgehenden Ms geringfügigeren Austauschs des Kohlenstoffs gegen Stickstoff . Die günstigste Konfiguration von Festigkeit und Verformbarkeit ist jedoch zu erreichen,' wenn der Kohlenstoff gemäß den Beispielen 4 bis 9 durch Stickstoff ersetzt wird.
Die Beispiele 4 bis 6 gelten für eine Summe Gew.-% (N+C) von rd. 0,30 bis 0,35%. Gegenüber einer vergleichbaren Legierung ohne Stickstoffzusatz sind sowohl die Werte für die Dehnung wie auch für die 0,2-Grenze und Zugfestigkeit beträchtlich erhöht. Die Härte ist jedoch trotz der Festigkeitssteigerung etwas erniedrigt. Das deutet darauf hin, daß die Steigerung der Zugfestigkeitswerte im Zugversuch eine unmittelbare Folge der verbesserten Verformbarkeit ist. Aus dem Vergleich der Beispiele 7 und 9 mit dem Beispiel 8 geht hervor, daß in der Summö Gew.-% (N+C) der Kohlenstoff den kleineren Anteil ausmachen und rd. 0,2% nicht überschreiten sollte.
'Bei den Schmelzen der Beispiele 4 bis 6 und 9 ist der Man-
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2225^77
gangehalt bis auf rd. 3% erhöht worden, um die Löslichkeit der Legierungen für den Stickstoff zu erhöhen. Ein Zusatz an Bor verbessert (Beispiele 5 und 6) die Vergießbarkeit. Die mechanischen Eigenschaften werden dadurch in keinem Fall beeinträchtigt.
309849/.ü 718

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Legierung auf Kobalt-Chrom-Basis mit 26 bis 31% Chrom,
4 bis 6,5% Molybdän, bis 2%, vorzugsweise 1,5% Silizium, bis 6%, vorzugsweise 3%, Mangan, bis 1% Eisen, jeweils bis 0,5% Kohlenstoff und Stickstoff, bei einer Summe (Kohlenstoff + Stickstoff) bis 0,7%, Rest Kobalt einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch höchstens 0,2% Kohlenstoff enthält.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch jeweils höchstens 1% Silizium und Mangan enthält.
4. Legierung nach den Ansprüchen 1,2 oder 3 mit bis 0,5%, vorzugsweise 0,01 bis 0,15% Bor.
5· Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 \ bis 4 für die Zahnheilkunde, z.B. als Werkstoff für Prothesengerüste.
6. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1
bis 4 für die Cirurgie, z.B. als Werkstoffe für Implantate.
7. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1
bis 4 als Werkstoffe für Maschinenbauteile, die bei hohen Temperaturen korrosiv und mechanisch stark beansprucht werden.
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