Effect of manufacturing technology on tribological properties of Co28Cr6Mo alloy

• Autorzy: Mróz A. , Garbiec D. , Jakubowicz J. , Łapaj Ł. , Wielowiejska-Giertuga A. , Gierzyńska-Dolna M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2016.5.7

Warianty tytułu

PL

Wpływ technologii wytwarzania wyrobów ze stopu Co28Cr6Mo na ich właściwości tribologiczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The physical, chemical, mechanical properties of alloys used in endoprosthesis components in the osteoarticular system or dental implants depend not only on the chemical composition, but also on the applied production technology. The article presents the results of friction and wear testing of samples produced by selective laser melting and spark plasma sintering of the ASTM F75 alloy powder (Co28Cr6Mo alloy). As reference material, an ASTM F1537 LC rod was used from which samples were prepared by machining. The friction and wear tests were conducted by means of a tribological tester with a block-ring tribosystem. The tests were performed without lubricating fluid at ambient temperature. The test results constituted a comparison of the frictional resistance in contact with bearing steel 100Cr6 as well as a comparison of the wear values depending on the given friction pair load as a function of sliding distance. Analysis of the wear mechanism of the test materials was based on microscopic observation of the friction surfaces, chemical composition analysis of the surfaces using energy dispersive X-ray spectroscopy as well as roughness measurements. For the friction pair involving the reference sample, the friction coefficient was characterized by a constant value of about 0.40 regardless of the load or travelled sliding distance. In the case of the samples greater frictional resistance was found. The friction coefficient for the friction pairs involving samples produced using the technology of selective laser melting and spark plasma sintering varied in the range 0.50 to 0.62 and from 0.70 to 0.74. Based on the obtained results of weight loss, it was calculated that the reference material sample was characterized by the smallest wear coefficient, while the largest was demonstrated by samples produced by spark plasma sintering. Microscopic observations showed that regardless of the employed technology to produce the samples, the dominant type of wear was abrasive-adhesive wear. Analysis of the chemical composition of the tested material confirmed the tendency to form oxide layers on the surface. As a result of the ongoing wear, the roughness of the friction surfaces increased. The longer the sliding distance the sample travelled, the greater the increase in the Ra parameter value and the greater the force loading the friction couple.

PL

Właściwości stopów stosowanych na endoprotezy układu kostno-stawowego lub implanty stomatologiczne mogą różnić się nie tylko ze względu na skład chemiczny, ale także ze względu na zastosowaną technologię wytwarzania. W ostatnich latach obserwowano wzrost zainteresowania technikami addytywnymi oraz rozwój metod konsolidacji materiałów proszkowych, które w procesie spiekania wykorzystują zjawiska fizyczne towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego. Przykładami takich technologii są odpowiednio selektywne przetapianie laserowe (SLM) oraz iskrowe spiekanie plazmowe (SPS). Dostępne publikacje wskazują na możliwość wykorzystania tych technologii do wytwarzania endoprotez, przy czym aspekt odporności na zużycie tribologiczne nie jest w tych pracach wystarczająco wyjaśniony. Celem podjętej pracy było porównanie odporności na zużycie tribologiczne i mechanizmu zużycia próbek wytworzonych z proszku stopowego ASTM F75 z zastosowaniem technologii SLM i SPS w odniesieniu do materiału referencyjnego ASTM F1537 LC.

Słowa kluczowe

EN

Co28Cr6Mo alloy; selective laser melting; spark plasma sintering; tribology

PL

stop Co28Cr6Mo; selektywne przetapianie laserowe; iskrowe spiekanie plazmowe; tribologia

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 37, nr 5
• Strony: 245--251
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Mróz A.

• Metal Forming Institute, Poznan, Poland

autor

Garbiec D.

• Metal Forming Institute, Poznan, Poland

autor

Jakubowicz J.

• Institute of Materials Science and Engineering, Poznan University of Technology, Poznan, Poland

autor

Łapaj Ł.

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

autor

Wielowiejska-Giertuga A.

• Metal Forming Institute, Poznan, Poland

autor

Gierzyńska-Dolna M.

• Metal Forming Institute, Poznan, Poland

Bibliografia

• [1] Bono C. M., Garfin S. R.: History and evolution of disc replacement. The Spine Journal 4 (2004) 145÷150.
• [2] Patel B., Favero G., Inam F., Reece M., Angadji A., Bonfield W., Huang J., Edirisinghe M.: Cobalt-based orthopedic alloys: Relationship between forming route, microstructure and tribological performance. Materials Science and Engineering 32 (2012) 1222÷1229.
• [3] Guoqing J., Weidong L., Lei’na G.: An adaptive process planning approach of rapid prototyping and manufacturing. Robotics and Computer- Integrated Manufacturing 1 (29) (2013) 23÷38.
• [4] Rivera S., Panera M., Miranda D., Belzunce V.: Development of dense and cellular solids on CrCoMo alloy for orthopedic application. Procedia Engineering 10 (2011) 2979÷2987.
• [5] Garbiec D.: Iskrowe spiekanie plazmowe (SPS): teoria i praktyka. Inżynieria Materiałowa 204 (2) (2015) 60÷64.
• [6] Lu Y., Wu S., Gan Y., Li J., Zhao C., Zhuo D., Lin J.: Investigation on the microstructure, mechanical property and corrosion behavior of the selective laser melted CoCrW alloy for dental application. Materials Science and Engineering C49 (2015) 517÷525.
• [7] Hazlehurst K. B., Wang C. J., Stanford M.: An investigation into the flexural characteristics of functionally graded cobalt chrome femoral stems manufactured using selective laser melting. Materials and Design 60 (2014) 177÷183.
• [8] Zhu Y., Zou J., Chen X., Yang H.: Tribology of selective laser melting processed parts: Stainless steel 316 L under lubricated conditions. Wear 350-351 (2016) 46÷55.
• [9] ASTM F-75-12, Standard specification for Cobalt–28 Chromium–6 Molybdenum alloy castings and casting alloy for surgical implants.
• [10] ASTM F-1537-11, Standard specification for wrought Cobalt–28 Chromium– 6 Molybdenum alloys for surgical implants.
• [11] Mróz A., Jakubowicz J., Gierzyńska-Dolna M., Wiśniewski T., Justyna W.: Wpływ technologii wytwarzania wyrobów ze stopu Co28Cr6Mo na ich właściwości fizyczne, mechaniczne i odporność korozyjną. Inżynieria Materiałowa 36 (1) (2015) 2÷8.
• [12] ASTM F-732-00, Standard test method for wear testing of polymeric materials used in total joint prostheses.
• [13] ASTM G-77 Standard test method for ranking resistance of materials to sliding wear using block-on-ring wear test.
• [14] Mróz A., Garbiec D., Wielowiejska-Giertuga A., Wiśniewski T., Gierzyńska-Dolna M., Agnieszka M.: Structural, mechanical and tribological properties of spark plasma sintered Ti6Al4V alloy. Archives of Metallurgy and Materials 61 (2) (2016) 665÷670.
• [15] Garbiec D., Mróz A., Wiśniewski T., Miler M., Heyduk F., Gierzyńska- -Dolna M.: Wpływ ciśnienia prasowania i szybkości nagrzewania na zużycie tribologiczne spieków z proszku Ti6Al4V wytwarzanych metodą SPS. Obróbka Plastyczna Metali 24 (2) (2015) 147÷158.
• [16] Nosal S.: Tribologia. Wprowadzenie do zagadnień tarcia, zużywania i smarowania. Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań (2012).
• [17] Chen Y., Li Y., Kurosu S., Yamanaka S., Tang N., Koizumi Y., Chiba A.: Effects of sigma phase and carbide on the wear behavior of CoCrMo alloys in Hanks’ solution. Wear 310 (1-2) (2014) 51÷62.
• [18] Hedberg Y. S., Qian B., Shen Z. Virtanen, S., Wallinde I. O.: In vitro biocompatibility of CoCrMo dental alloys fabricated by selective laser melting. Dental Materials 30 (5) (2014) 525÷534.
• [19] Islam A., Farhat Z. N.: Effect of porosity on dry sliding wear of Al–Si alloys. Tribology International 44 (4) (2011) 498÷504.

Uwagi

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