DE2225577C3

DE2225577C3 - Verwendung einer Legierung auf Kobalt-Chrom-Basis als Biowerkstoff

Info

Publication number: DE2225577C3
Application number: DE2225577A
Authority: DE
Inventors: Leo Dr.-Ing. 5810 Witten Rademacher
Original assignee: EDELSTAHLWERK WITTEN AG 5810 WITTEN
Current assignee: EDELSTAHLWERK WITTEN AG 5810 WITTEN
Priority date: 1972-05-26
Filing date: 1972-05-26
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE2225577A1; US3865585A; FR2189526A1; CH579635A5; DE2225577B2; GB1413588A; FR2189526B1; IT985216B; CA993689A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Legierung auf Kobalt-Chrom-Basis mit 26 bis 31% Chrom. 4 bis 63% Molybdän, bis 2%. vorzugsweise 1,5% Silizium, bis 6%. vorzugsweise 3% Mangan, bis 1% Eisen, bis 0.5% Kohlenstoff. Rest Kobalt mit den y, üblichen hers'ellungsbedingten Verunreinigungen.

Alle Gehaltsangaben gelten in Gewichtsprozent.

Kobalt-Chrom-Legierungen sind im Maschinenbau vornehmlich zu.n Herstellen von Teilen bekannt, die starken korrosiven und mechanischen Belastungen bei .m hohen Temperaturen ausgcsct/i sind. So kommen nach »Technische Mitteilungen Krupp«. 1968. S. 554. beispielsweise Kobalt-Chrom Legierungen mit 20 bis 33% Chrom jIs Werkstoff für Dampf und Gasturbinen zur Verwendung. Darüber hinaus eignen sich Kobalt- t > Chrom Legierungen jedoch auch als Werkstoffe für die Chirurgie b/w. /um Herstellen von Implantaten und in der Zahnheilkunde /um Herstellen von Prothesengerüsten.

Implantat-Gußlegierungen mit beispielsweise 30.8% in Chrom. 5.0% Molybdän. 0.4% Kohlenstoff. 0.3% Sili/ium. 0.5% Mangan und 0.7% Eisen. Rest Kobalt sind in uer Zeitschrift »|ournal of Materials«. 1966. S 384 bis 412. beschrieben, während aus der deutschen Patent schrift 6 42 040 eine als Werkstoff für Ersat/kauwerk γ, zeuge geeignete Gußlegierung mit 10 bis 40% Chrom, bis 5% Molybdän, jeweils bis 1% Kohlenstoff. Sili/mm und/oder Mangan und bis <">% Eisen. Rest Kobalt bekannt ist. die ein gutes I-ormfiillungsvermögen und eine hohe Elastizität besitzen soll- Bekannt ist auch die Verwendung ähnlicher Legierungen, deren Köbaltge* halt (eilweise durch Nickel bis-20% ersetzt ist Und die bis j'e 6% Silizium und Mangan sowie Kupfer, Aluminium, Tilaii, Niob, Vanadin, Zirkonium, Tantal, Beryllium und Bor einzeln öder nebeneinander enthalten können, &5

Die Verwendung der KobaluChronvLegiefüngen in der Chirurgie·· und Zahnheilkunde beruht darauf, daß sie bestündig gegenüber den im Körper und in der Mundhöhle auftretenden korrodierenden Medien sind, sich leicht zu den häufig sehr komplizierten Formen vergießen und gut bearbeiten lassen und einen hohen Elastizitätsmodul sowie eine große Festigkeit und Härte besitzen. Die bekanntgewordenen Werte liegen für den Elastizitätsmodul bei durchschnittlich 220 000 N/mm³ und je nach der Festigkeitsstufe der Legierung für die technische Elastizitätsgrenze (0,01-Grenze) bei rd. 390 bzw. 440 N/mm³, für die 0,2-Grenze bei rd. 600 bzw. 625 N/mm² und für die Zugfestigkeit bei rd. 880 bzw. 910 N/mm². Für die Härte werden Werte von 340 bzw. 380 HB angegeben.

Ein Nachteil der beschriebenen Kobalt-Chrom-Legierungen ist ihre geringe Verformbarkeit; sie wird üblicherweise durch die Bruchdehnung ausgedruckt Die bekanntgewordenen 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 werd ;n.

Es sind deshalb titanhaltige Legierungen auf Kobaltbasis mit verbesserter Verformbarkeit bei gleicher oder gesteigerter Festigkeit entwickelt worden. Diese Legierungen enthalten außer Kobalt 5 bis 15% Chrom, 5 bis 15% Nickel, bis zu i% Molybdän, bis /u 1% Kohlenstoff. Silizium. Mangan. Aluminium und/oder Eisen sowie 4 bis 10% Titan. Die angegebenen Werte bewegen sich fur die 0.2-Grenze zwischen etwa 560 und 800 N/mm', für die Zugfestigkeit /wischen etwa 845 und 1110 N/mm', für du· Dehnung /wischen 10 und 12.7% und für die Brinellharte /wischen 330 und 380 kp/mm·'. Diese Legierungen besitzen jedoch wegen der hohen Affinitat des Titans /um Sauerstoff den wesentliche.ι Nachteil, daß sie unter Vakuum oder Schutzgas erschmolzen werden müssen und daß sie /um Herstellen der Prothesen und Implantate nur mit einem Acetylen-Sauerstoff-Brenner hei absolut neutral eingestellter Flamme und nicht mit den teilweise auch gebrauchli chen Hochfrequenz InduktionsHei/quellen aufgeschmolzen werden können.

Aus der US Patentschrift 23 81 459 ist eine 50 bis 70% Kobalt. 20 bis 40% Chrom. 3 bis 7% Molybdän und bis 0.5°'» Kohlenstoff enthaltende Gußlegierung bekannt, die eine hohe Beständigkeit gegenüber heißen Turbinenabgasen sowie eine hohe Warmfestigkeit, insbeson dere Kriechfestigkeit besitzen soll. «Iber den Stickstoff gehalt der 1 egierung ist jedoch nichts bekannt.

Fs 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 Kohlen stoffgehalte wird die Dehnung auf 10 bis 14.5% erhöhl Diesem Vorieil steht jedoch als wesentlicher Nachteil ein spürbares Absinken <lcr festigkeit gegenüber Die angegebenen Werte liegen für die 0,2*Greiue zwischen 375 und 415 N/mm², für die Zugfestigkeit zwischen 595 Und 715 M/mm³ und für die Härte (DPi-I) zwischen 27ö und 3iÖ kp/mm²,

Üef Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Biölegicfung Vorzuschlagen, die neben einer ausrei* chendeh Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit eine Verformbarkeit bzw, Dehnung besitzt, die ein plastisches Verformen ohne Bfuchgcfähr zuläßt* Die Lösung

dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, in die eingangs erwähnte Legierung über den üblichen als Verunreinigung vorliegenden Stickstoffgehalt hinaus Stickstoff einzuführen und ihren Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff zu begrenzen. Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß die eingangs erwähnte Legierung 0,15 bis 0,5% Stickstoff enthält und ihr Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff 0,7% nicht übersteigt, wobei der Kohlenstoffgehalt jeweils den kleineren Anteil ausmacht

Für besondere Anwendungsfälle sollten sowohl der Silizium- wie auch der Mangangehalt jeweils 1% nicht übersteigen. Weiterhin kann die Legierung bis 0,5%, vorzugsweise 0,01 bis 0,15% Bor enthalten.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert, deren Zusammensetzungen sich aus der Tabelle I und deren mechanische Eigenschaften sich aus der TaIeIIe II ergeben.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzung

0,021

0,014

0.013

0.12

0,12

0.16

0.32

0.14

037
0,29
0,22
0.19
0,21
0,22
033
0,15
039

0,39 030 0,23 031 033 034 0,49 P.47 0,53

1,16 1,25 i.Oi 055 0,90 1,10 1,00 0,66 1.27

2,92
2.77
236
0,97
031
3,10

61.5
61.4
62,4
59,8
59.9
59.5
62,2
64.5
58.5

26.83
27,65
27,65
27,97
2739
27,27
27.70
27.80
27,41

5,12
4,98
5,00
5.10
5,10
5,94
5,04
5.21
5.09

0,017
0.11

Tabelle II

Mechanische Eigenschaften

Bei- 002 "ze

^Nr· (N/mm') (N/mm*)

580
565
570
675
685
655
655
635
725

735

795

845

1000

1005

960

940

895

1010

8,2 14,6 17.1 12,0 12,0

83 10,9

7.1

8,2

Härte HV 30

(kp/mm²)

316 311 308 327 316 326 332 339 328

Hieraus erhellt der Einfluß des weitgehenden bis geringfügigeren Austausche 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.

«ι Die Beispiele 4 bis 6 gelten für eine Summe Gewichtsprozent (N + C) von rd. 030 bis 0,35%. Gegenüber einer vergleichbaren Legierung ohne Stickstoffzusatz sind sowohl die Werte für die Dehnung als auch für die 0,2-Grenze und Zugfestigkeit betrachten» lieh 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 4i) nicht unter die Erfindung fallenden Beispiel 8 geht hervor, daß in der Summe Gewichtsprozent (N + C) der Kohlenstoff den kleineren Anteil ausmachen und rd. 0.2% nicht übersteigen sollte.

Bei den Schmelzen der Beispiele 4 bis 6 und 9 ist der 4') Mangangehalt bis auf rd. 3% erhöht worden, um die Löslichkeit der Legierungen für den Stickstoff zu erhöhen. Fin Zusatz an Bor verbessert (Beispiele 5 und 6) die Vergießbarkeil. Die mechanischen Eigenschaften werden dadurch in keinem Fall beeinträchtigt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Kobalt-Chrom-Legierung, bestehend aus 26 bis 31% Chrom, 4 bis 6,5% Molybdän, bis 2%, vorzugsweise 1,5% Silizium, bis 6%, vorzugsweise 3% Manga'n, bis 1% Eisen, bis 0,5% Kohlenstoff und 0,15 bis 0,5% Stickstoff bei einem Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff bis 0,7%, wobei der Kohlenstoffgehalt jeweils den kleineren Anteil ausmacht, Rest Kobalt einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen als Biowerkstoff, der wie Prothesengerüste und Implantate bei hoher Festigkeit eine gute Kaltverformbarkeit besitzen muß.

2. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1, die jedoch höchstens 0,2% Kohlenstoff enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2. die jedoch jeweils höchstens 1% Silizium und Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, die jedoch bis 0,5%. vorzugsweise 0.01 bis 0.15% Bor enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

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