Effect of manufacturing technology of ball-and-socket joint made of Co28Cr6Mo alloy on its tribological properties

• Autorzy: Mróz A. , Garbiec D. , Jakubowicz J. , Łapaj Ł.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2017.1.5

Warianty tytułu

PL

Wpływ technologii wytwarzania przegubu kulowego ze stopu Co28Cr6Mo na właściwości tribologiczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of friction and wear testing of ball-and-socket joints, made of ASTM F75 alloy powder, applying the technologies of selective laser melting and spark plasma sintering. The reference material constituted joints produced by machining from a ASTM F1537 LC rod. The tribological tests were carried out using the movement simulator of a spinal motion segment of our own design, in the environment of distilled water. The test results consisted of a comparison of the friction resistance values occurring in the friction couple and comparison of the wear indicators of the upper and lower components, which simulate the tribological system of an intervertebral disc endoprosthesis in the spinal lumbar segment. Analysis of the wear mechanism of the bearing surfaces was performed on the basis of microscopic observations and measurements of friction surface roughness. Regardless of the manufacturing technology, the coefficient of friction varied in the range of 0.25 to 0.30, wherein a median value for all the tested material combinations was in the range of 0.27 to 0.29. The lowest resistance to tribological wear was demonstrated by the joints produced employing spark plasma sintering technology. The wear of the joints produced with this technology was about 20% higher in comparison to those joints formed by selective laser melting, and about 30% higher compared to the joints produced in a conventional manner from ASTM F1537 LC alloy. Observations performed using scanning electron microscopy showed that regardless of the production technology, the dominant type of wear was abrasive-adhesive wear. Unlike the joints produced in a conventional manner, the bearing surfaces of the components produced by means of selective laser melting and spark plasma sintering technologies, there is evidence of fatigue damage. The results call into question the possibility of using alternative technologies in the manufacturing process of endoprosthesis components exposed to tribological wear.

PL

Celem pracy była analiza mechanizmu zużycia tribologicznego powierzchni trących elementów przegubu kulowego w warunkach kinematyki ruchu i obciążeń zbliżonych do tych, które występują w naturalnym segmencie ruchowym odcinka lędźwiowego kręgosłupa. Uzyskane wyniki badań pozwoliły odpowiedzieć na pytanie, czy istnieje potencjalne uzasadnienie możliwości zastosowania technologii selektywnego przetapiania laserowego SLM (selective laser melting) i iskrowego spiekania plazmowego SPS (spark plasma sintering) w procesie wytwarzania elementów endoprotez współpracujących ślizgowo.

Słowa kluczowe

EN

Co28Cr6Mo alloy; selective laser melting; spark plasma sintering; ball-and-socket joint; simulator testing; wear

PL

stop Co28Cr6Mo; selektywne przetapianie laserowe; iskrowe spiekanie plazmowe; przegub kulowy; testy symulatorowe; zużycie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 38, nr 1
• Strony: 26--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Mróz A.

• Metal Forming Institute, Poznań

autor

Garbiec D.

• Metal Forming Institute, Poznań

autor

Jakubowicz J.

• Institute of Materials Science and Engineering, Poznań University of Technology

autor

Łapaj Ł.

• Department of General Orthopaedics, Musculoskeletal Oncology and Trauma Surgery, Poznań University of Medical Sciences

Bibliografia

• [1] Pourzal R., Catelas I., Theissmann R, Kaddick C., Fischer A.: Characterization of wear particles generated from CoCrMo alloy under sliding wear conditions. Wear 271 9-10 (2011) 1658÷1666.
• [2] Attar H., Calin M., Zhang L., Scudino S., Eckert J.: Manufacture by selective laser melting and mechanical behavior of commercially pure titanium. Science and Engineering A 593 (21) (2014) 170÷177.
• [3] Garbiec D., Rybak T., Heyduk F., Janczak M.: Nowoczesne urządzenie do iskrowego spiekania plazmowego proszków SPS HP D 25 w Instytucie Obróbki Plastycznej. Obróbka Plastyczna Metali 22 (2011) 221÷225.
• [4] Guyer R., McAfee P., Hochschuler S., Blumenthal S., Fedder I. L, Ohnmeiss D., Cunningham B.: Prospective randomized study of the Charité artificial disc: data from two investigational centers. The Spine Journal 4 (6) (2004) 252÷259.
• [5] Valdevit A., Errico T.: Design and evaluation of the FlexiCore metal-onmetal intervertebral disc prosthesis. The Spine Journal 4 (2004) 276÷288.
• [6] Moghadas P., Mahomed A., Hukins D., Shepherd D.: Friction in metal-onmetal total disc arthroplasty: Effect of ball radius. Journal of Biomechanics 45 (2012) 504÷509.
• [7] White A., Panjabi M.: Clinical biomechanics of the spine. Lippincott Williams & Wilskins (1990).
• [8] Mróz A., Jakubowicz J., Gierzyńska-Dolna M., Wiśniewski T., Wendland J.: Wpływ technologii wytwarzania wyrobów ze stopu Co28Cr6Mo na ich właściwości fizyczne, mechaniczne i odporność korozyjną. Inżynieria Materiałowa Materials Engineering 36 (1) (2015) 2÷8.
• [9] Mróz A., Garbiec D., Jakubowicz J., Wielowiejska-Giertuga A., Łapaj Ł., Gierzyńska-Dolna M.: Effect of manufacturing technology on tribological properties of Co28Cr6Mo alloy. Inżynieria Materiałowa Materials Engineering 37 (5) (2016) 245÷251.
• [10] Harper M., Dooris A., Pare P.: The fundamentals of biotribology and its application to spine arthroplasty. SAS Journal 3 (2009) 125÷132.
• [11] Nosal S.: Tribologia. Wprowadzenie do zagadnień tarcia, zużywania i smarowania. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań (2012).
• [12] Posada O. M., Gilmour D., Tate R. J., Grant M. H.: CoCr wear particles generated from CoCr alloy metal-on-metal hip replacements, and cobalt ions stimulate apoptosis and expression of general toxicology-related genes in monocyte-like U937 cells. Toxicology and Applied Pharmacology 281 (2014) 125÷135.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).