Proceso tecnologico en fabricación de aleaciones biocompatibles (Ni-Cr)
- Resumen
- Introducción
- Las
aleaciones metálicas biocompatibles - Materiales y métodos
- Conclusiones
- Bibliografía
- Anexos
Resumen
Este Trabajo Referativo trata sobre la tecnología
de fabricación de aleaciones biocompatibles y considera un
detallado estudio que justifica la presencia de materiales
metálicos del tipo Ni–Cr, para diferentes fines en
el sistema de salud.
Tal estudio tiene en cuenta la caracterización
del material en el sentido de la composición
química, diagrama de fases, estudios estructurales,
propiedades mecánicas y las consideraciones
teóricas relacionadas con las interpretaciones de tales
caracterizaciones, además de un conjunto de
recomendaciones tecnológicas para su posterior
elaboración.
Summary
This work deals with the technology for manufacturing
biocompatible alloys , and it considers a detailed study that
justifies the presence of metallic Ni-Cr, for different purposes
in the health system.
Such a study keeps in mind the characterization of the
material in the sense of the chemical composition, diagram of
phases, structural studies, mechanical properties and the
theoretical considerations related with the interpretations of
such characterizations, and a group of technological
recommendations for its later elaboration.
Introducción
Los materiales metálicos utilizados en
aplicaciones médicas eran fundamentalmente el oro y la
plata hasta el siglo XVIII. Posteriormente comenzaron a
utilizarse los aceros, y ya en el siglo XX aparecieron los aceros
inoxidables y las aleaciones de Co-Cr-Mo, ya que los cirujanos no
contaban con metales inertes que pudieran ser implantados, pues
el oro era demasiado blando y las aleaciones de hierro se
degradaban con facilidad además de que no eran
inertes.
Las mencionadas aleaciones se diferenciaban de las
utilizadas hasta el momento por el porcentaje de cromo
incorporado en alrededor de un 20-30 %, lo que impedía la
degradación del metal y un mejor comportamiento ante la
acción de fuerzas.
Durante el siglo XX aparecieron los materiales
funcionales; es decir; aquellos que cumplen con una
función específica en los sistemas modernos
eléctricos, electrónicos, ópticos,
mecánicos, sensores y también en el cuerpo humano.
Los biomateriales son, por excelencia, materiales
funcionales.
La principal aplicación de los biomateriales,
incluyendo las aleaciones metálicas, es reparar o
reconstruir las partes del cuerpo humano que han sufrido
daño o se han perdido, con lo que se busca relevar el
sufrimiento y prolongar la vida. La intervención al cuerpo
humano, conocida como cirugía, se ha practicado desde la
antigüedad en civilizaciones de América, India, Medio
Oriente, Grecia y Roma; quienes la llevaban a cabo combinando
magia, religión y medicina.
De hecho, los arqueólogos encuentran a menudo
evidencias de craneotomías, amputaciones, tratamientos de
fracturas de huesos, operaciones cesáreas,
etcétera. Por supuesto, hay varios elementos que
intervienen en la elevación de la calidad de los servicios
de rehabilitación, uno de ellos es la anestesia; antes de
su existencia, los pacientes eran sedados con opio, alcohol y
otras drogas que generalmente tenían repercusiones en los
pacientes.
La ingeniería biomédica, como
integración de la medicina y la ingeniería de
materiales, ha avanzado con pasos gigantescos en las
últimas décadas. Los biomateriales cumplen
funciones básicas en el cuerpo humano, asegurando la
calidad de vida de las personas enfermas o de quienes hayan
sufrido accidentes traumáticos, proveyéndolas de
implantes ortopédicos, reguladores de sistemas
cardiovasculares y biosensores, por mencionar algunos
ejemplos.
El uso de materiales biocompatibles que se integren al
organismo en reemplazo de una pieza dental, o de partes
óseas, ha aumentado notablemente en los últimos
años, lo que ha mejorado las condiciones de vida de las
personas.
En libros sobre el tema de materiales biocompatibles se
explica que en las áreas más importantes en las que
se usan los biomateriales son las restauraciones dentales y los
implantes lo cual no es del todo cierto. Dentro de los implantes
este autor diferencia los implantes estructurales, utilizados
como reemplazo de tejidos perdidos, de los cardiovasculares. Los
estructurales incluyen los implantes dentales, las
prótesis articulares y las maxilofaciales.
En el caso de los implantes dentales, se trata de
pequeños dispositivos que se colocan dentro del hueso de
los maxilares donde previamente se realizó un orificio del
tamaño apropiado. La mayoría de ellos son
pequeños tornillos o conos confeccionados con titanio o
una aleación de titanio, aluminio y vanadio. Luego se
¨atornillan¨ al implante otras piezas con la finalidad de
reemplazar los piezas dentales faltantes.
Las prótesis dentales reemplazan piezas dentales
faltantes y pueden quitarse y volver a colocarse en la boca. En
comparación con las que existían en el pasado, las
actuales son más tolerables.
La biocompatibilidad y la oseointegración son dos
conceptos de vital importancia al considerar la temática
de los implantes dentales, el primero está dado por el
grado de tolerancia de un organismo vivo al material, así
como la posibilidad de estimular la formación de hueso en
íntimo contacto con el implante,
respectivamente.
El conocimiento y la aplicación de los
biomateriales involucra un amplio espectro de disciplinas, tales
como: medicina, biología, química, física,
mecánica, metalurgia, informática y
computación; así como numerosas áreas de
actividad, algunas bien establecidas y otras nuevas o
innovadoras, las cuales se desarrollan en instituciones de
estudio, investigación o servicios (hospitales,
policlínicos especializados y escuelas de medicina), donde
se implementan los conocimientos a cerca de la especialidad de
biomateriales.
Hoy en Cuba, médicos e ingenieros trabajan de
conjunto en los temas relacionados con los biomateriales y su
aplicación, por lo que se han hecho aportes significativos
al país en lo relacionado a diversos materiales no
metálicos como las amalgamas y los composites, así
como las prótesis de cadera, ejemplo de ello lo constituye
el Complejo Científico Ortopédico Internacional
hospital ¨Frank País¨. En la rama de la
odontología se registran alrededor de diez prótesis
dentales, lo que da la medida del esfuerzo que realiza el
país por mejorar las condiciones de vida de nuestra
población.
Nuestro país, a pesar de los esfuerzos realizados
en este sentido; no puede cubrir todos los servicios en el
área de la odontología debido a factores externos
como el alto costo de los materiales metálicos
(Representan actualmente un considerable gasto del orden de los
millones USD).
A pesar del alto nivel científico que tienen los
especialistas de esta rama, no existe en su formación una
cultura de materiales metálicos. Dentro de las directivas
del partido, existe un interés especial en que nuestro
país sustituya las importaciones.
El Ministerio de Salud Pública que no está
ajeno a esto, toma un gran interés ya que la salud en
nuestro país es totalmente subsidiada por el estado
Revolucionario.
En este trabajo se hace referencia a algunos aspectos
fundamentales sobre los biomateriales, así como las
aleaciones biocompatibles qué tienen como base el cromo
(Cr) y al níquel (Ni), sus ventajas y desventajas,
así como su amplio campo de utilización.
Situación
problémica:
Nuestro país; a pesar de los esfuerzos realizados
en la confección de materiales biocompatibles, dada la
importancia de estos en la Industria Medica-Mecánica , su
creciente utilización y demanda por las industrias
modernas, hacen que estos materiales tengan cada día una
mayor utilidad por la economías mundiales, en el caso de
Cuba, no puede cubrir todas las necesidades y utilidades en los
servicios en el área, debido a factores externos como el
alto costo de los materiales metálicos (Representan
actualmente un considerable gasto en USD) y no contar con
experiencias generalizadoras, que permitan la elaboración
de aleaciones metálicas biocompatibles para deferentes
fines, a partir de tecnologías baratas.
A pesar del alto nivel científico que tienen los
especialistas de esta rama, no existe en su formación una
cultura de utilización, divulgación y
promoción del uso de materiales biocompatibles, que
contribuyan a desarrollar una estrategia de generalización
relacionada con la aplicación en la medicina cubana de
dichos materiales.
Dentro de las directivas del PCC, existe un
interés especial por que en el país se utilicen de
forma racional aquellos recursos que puedan constituir una
alternativa sostenible para alcanzar el desarrollo
económico, valorando la necesidad de sustituir las
importaciones de aquellas materias primas, que existan con
posibilidades de explotación económica en el
territorio nacional.
El Ministerio de Salud Pública que no está
ajeno a esto, y toma un gran interés en la
utilización de los materiales biocompatibles, los cuales
se aprovechan en sus variadas producciones para uso
quirúrgico, implantes, etc. Alcanzando meritorios
resultados en esos esfuerzos y se ha llevado estas experiencias a
otros pueblos hermanos que se han beneficiado de las
tecnologías medicas cubanas.
Problema:
¿Bajo que condiciones tecnológicas es
posible la obtención de una aleación
metálica biocompatible para deferentes fines?
Este Problema se manifiesta en el objeto
de trabajo que se define a continuación:
Proceso tecnológico para la
obtención de aleaciones metálicas
biocompatibles para deferentes fines.
Se establece como objetivo del presente trabajo
establecer estudio de un conjunto de tecnologías de
obtención de una aleación metálica
biocompatible a partir de la evaluación de propiedades y
condiciones de desarrollo para su empleo en deferentes
campos.
Y como objetivos específicos se
señalan los siguientes:
Analizar los diferentes soportes teóricos que
sustenta todo lo relacionado con el aprovechamiento,
utilización de los materiales biocompatibles en el
mundo y Cuba.Investigar las formas de obtención de las
aleaciones metálicas-biocompatible a partir de la
evaluación de propiedades de estos materiales y su
aplicación en la economía.
Preguntas científicas:
1. ¿Que materiales, bibliografías
son compatibles para el estudio del aprovechamiento de los
materiales biocompatibles?2. ¿Cuales son las formas de
obtención de aleaciones metálicas-biocompatible
a partir de la evaluación de las propiedades de estos
materiales?
Con las siguientes tareas.
Búsqueda, análisis y procesamiento de
la información bibliografía con respecto al
tema.Estudio de las tecnologías de
obtención de aleaciones metálicas
biocompatibles.Realización de un informe y su
defensa.
Métodos que se utilizan en el desarrollo
de la investigación son los siguientes:
Métodos teóricos:
Histórico lógico: se utilizo con el
fin de conocer la evaluación, trayectorias y
desarrollo del objetivo de investigación,
estableciendo sus aspectos esénciales, así como
sus antecedentes y regularidades.Analítico- Sintético: se empleo para
revelar los factores que inciden en le proceso de
formación y desarrollo de la utilización de los
materiales en la industria medica.
Métodos Empírico:
Análisis documental: se empleo para revisar
los documentos nacionales e internacionales que posibilitaron
el análisis de los fundamentos teóricos e
históricos que sustentan las investigaciones sobre la
utilidad de los materiales biocompatibles.
Capítulo I:
Las aleaciones
metálicas biocompatibles.
En este capítulo se hace referencia a algunos
aspectos fundamentales sobre los biomateriales, así como
las aleaciones biocompatibles que tienen como base el cromo y el
níquel, sus ventajas y desventajas, así como su
amplio campo de utilización.
El cuerpo humano está constituido por una
estructura ósea rígida siendo ésta el
soporte mecánico de los tejidos blandos: músculos,
piel, mucosas y, por supuesto, los órganos:
corazón, hígado, páncreas, pulmones, etc.
Dentro y entre todos estos elementos se encuentran o circulan
numerosos fluidos corporales como sangre, plasma, jugos
gástricos, saliva, orina, etc. El fluido extracelular,
localizado entre los diferentes tejidos, se mantiene a una
temperatura de 37 oC, es una solución acuosa, salina, con
conductividad eléctrica y pH 7.4, que contiene 1% de
cloruro de sodio, así como cantidades menores de otras
sales y componentes orgánicos.
La saliva producida por diversas glándulas
bucales es una solución acuosa compuesta por varias sales
orgánicas e inorgánicas, ácidos
orgánicos, proteínas, carbohidratos y
lípidos, con una concentración total de 5 g/L y un
pH 7.0. En la boca se produce un litro de saliva por día,
utilizada principalmente durante la masticación de
alimentos.
I.1 Materiales Biocompatible
En cirugía un biomaterial es el material que
puede ser utilizado en algún implante o prótesis.
Como su nombre lo identifica, tiene buenas condiciones para su
interacción con el cuerpo humano o cualquier parte de
él.
"En términos médicos un biomaterial es un
compuesto farmacológicamente inerte diseñado para
ser implantado o incorporado dentro del sistema vivo. En este
sentido el biomaterial se implanta con el objeto de sustituir y/o
regenerar tejidos vivientes y sus funciones". (Diccionario de
la Lengua Española, XXII Ed.)
Los implantes pueden ser de colocación interna
y/o externa. Estos materiales son sometidos a situaciones
adversas dado que están expuestos de modo temporal o
permanente a fluidos del cuerpo, donde son afectado por la
corrosión generada de los componentes del implante, o
bien, puede causar el envenenamiento del organismo
vivo.
Los biomateriales contribuyen a restituir las funciones
de los tejidos vivos y órganos en el cuerpo. Por lo tanto
es importante entender las relaciones existentes entre las
propiedades, funciones y estructuras de los materiales
biológicos dado que las propiedades requeridas de un
material biocompatible varían de acuerdo con la
aplicación particular de cada caso. Las pruebas
fisicoquímicas de los materiales para implante in vivo son
casi imposibles. Sin embargo las pruebas in vitro deben ser
realizadas antes del implante.
Los biomaterial se utilizan básicamente en
implantes y fijaciones ortopédicas; los plásticos
flexibles para corregir tejidos blandos, cartílagos, venas
y arterias, los plásticos rígidos para reemplazar
la cabeza del fémur que gira dentro de la concavidad de la
pelvis; asimismo, los materiales cerámicos se emplean en
el reemplazo de huesos y como recubrimientos sobre
metales.
También se aplican materiales avanzados como las
aleaciones con memoria
de forma, las cuales pueden cambiar por efecto de la
temperatura dentro del cuerpo humano, amoldándose a las
cavidades en las que han sido insertadas. Los materiales porosos,
por su parte, permiten el crecimiento del hueso dentro de los
poros y su posterior unión con las fibras de los tejidos
adyacentes. Las espirales elásticas de acero inoxidable
introducidas en venas o arterias cubren el objeto de evitar que
estas se colapsen.
La composición química de los metales y
aleaciones afecta en forma significativa el comportamiento de
corrosión en el cuerpo humano; un ejemplo puede ser el
caso del contenido de carbono y nitrógeno, así como
su microestructura, el tamaño del grano, la presencia de
inclusiones no metálicas y la rugosidad de la superficie,
factores que se rigen por normas nacionales y en particular por
el estándar ISO 5832.
Los biomateriales deben cumplir con requisitos para un
buen cumplimiento efectivo y utilizable con eficiencia y dentro
de tales exigencias están:
Ser biocompatibles, es decir no tener reactividad o
al menos ínfima con tejidos
orgánicos.Resistir a la corrosión de los fluidos
corporales y tejidos del organismo vivo.Cumplir la función biológica o
mecánica planeada de utilización como
implantes, sustitos de estructuras óseas y de
fluidos.Dentro los biomateriales utilizados en implantes se
tienen los diferentes grupos:Metales y aleaciones.
a) Titanio comercial puro.
b) Tantalio.
c) Acero inoxidable
d) Cromo-Níquel-Hierro.
e) Cobalto-Cromo-Molibdeno.
Cerámicos.
a) Óxidos de aluminio
(Al2O3).b) Hidroxiopatita.
c) Fosfato tricalcio.
d) Aluminio de calcio.
Carbones.
a) Carbón vítreo
policristalino.b) Carbono-silicio.
Polímeros.
a) Polmetacrilato.
b) Polietetrafluoetileno.
c) Polietileno.
d) Polisulfuro.
En la actualidad dentro de los metales
implantológicos utilizados, se tiene el tantalio y el
titanio y dentro de los cerámicos el óxido de
aluminio y la hidroxiopatita. Los polímeros y carbones
tienen poco uso en la implantologíadental.
Los materiales presentes en el primer grupo tienen
por lo general cada una de ellos características
definidas, las aleaciones al Cr-Ni (las inoxidables), son
fáciles de colar, resistentes en boca, posee una
difusibidad térmica insignificante y un peso
especifico bajo. Su alta resistencia permite trabajos finos
como las aleaciones de metales preciosos para
cerámica.I.2 Biocompatibilidad
Se considera a la biocompatibilidad como "Ausencia
de reacciones alérgicas, inmunitarias, etc, en el
contacto entre los tejidos del organismo y algunos
materiales" (Diccionario Glosario Categoría
Ciencia). Es la propiedad trascendental en la
interacción biomaterial con el cuerpo humano, es decir
la ausencia de una reacción fisicoquímica
perniciosa del biomaterial implantado con los tejidos y los
fluidos biológicos corporales, también llamados
soluciones fisiológicas.En este caso es manejado por la ciencia y la
nanotecnología el implante "Acción y efecto de
implantar aparatos como prótesis o sustancias que se
colocan en el cuerpo para mejorar algunas de sus funciones, o
confines estéticos" (Diccionario de la Lengua
Española, XXII Ed.).El implante no debe alterar la composición y
las propiedades de los componentes de la sangre
(glóbulos rojos y blancos, proteínas,
lípidos) y tampoco coagular la sangre, para evitar
trombos.Los dispositivos biomédicos adaptados al
cuerpo humano se fabrican con los cuatros materiales de
ingeniería convencionales más empleados como
son: metálicos, plásticos, cerámicos y
compuestos; según sea: el uso, ubicación,
función; órgano-tejido duro o blando a
reemplazar y/o reparar, características del paciente y
su propio estado de lesión del tejido
orgánico.Las características de la superficie del
implante: rugosidad, grado de pulido, porosidad, potencial
eléctrico, humectación y comportamiento
hidrofóbico o hidrófilo, son factores decisivos
que afectan su compatibilidad y determinarán la
interacción del implante con las bacterias y su
capacidad de colonizar su superficie, puesto que éste
es el primer contacto con el cuerpo humano que va a
determinar el proceso de asimilación o rechazo del
implante, así como la velocidad del proceso curativo
y, finalmente, la falla sexitos de la
implantación.I.3 Exigencias básicas de los
materiales biocompatibles:A pocos materiales en la industria se le exigen tan
buenas cualidades de estabilidad química, no tener
actividad trombogénica, carcinogénica,
hemolítica o alérgica, entre otras y ser
fácilmente esterilizables en un medio que no deteriore
sus propiedades. A continuación se muestran los
requerimientos específicos de los diversos elementos
de una prótesis.Material del perno:
Alta resistencia mecánica.
Alta resistencia a la
corrosión.Alta tenacidad a la fractura.
Rugosidad para facilitar la adherencia a un
revestimiento que asegure a su vez, su adherencia al
hueso, mejorando el esfuerzo cortante en dicha
interfase.
La fijación debe
asegurar:1. La transferencia del
esfuerzo proximal al hueso.2. La menor liberación
de esfuerzo al hueso para prevenir su
adelgazamiento.
I.4 Propiedades físicas y
mecánicas:Como característica generales, podemos decir
del biomaterial, que el módulo elástico mas
parecido al hueso es hidroxiopatita, pero su baja tenacidad a
la fractura no lo hace adecuada para ser utilizada como
material estructural por lo que se utiliza como recubrimiento
de las prótesis de Ti-Al-V para asegurar su adherencia
cortical. De los biomateriales metálicos, la
aleación de Ti-Al-V tiene el módulo mas cercano
al hueso compacto, pero es de un orden de magnitud mayor. A
su vez, esta aleación presenta baja densidad,
acompañada de altas propiedades mecánicas, por
tanto su resistencia específica es la mayor de todas
las aleaciones utilizadas.Una clasificación generalizada de la
resistencia a la corrosión de las aleaciones de mayor
a menor es Ti-Al-V > Co-Cr-Mo > Sandvik SAF 2 507 >
AISI 316L. El acero Sandvik es un acero inoxidable duplex con
mayor contenido de cromo y nitrógeno que el AISI
316L.Los tipos de aleaciones recomendadas para
aplicaciones en implantes son las aleaciones forjadas, aunque
se utilizan en ocasiones las aleaciones coladas a la cera
perdida, Del tipo CoCrMo(vitallium), dichas aleaciones
están normalizadas bajo a ASTM F75. Tienen la
siguiente composición química 59-69% Co, 27-30%
Cr, 5-7% Mo. Sin embargo poseen las más bajas
propiedades mecánicas de todas las aleaciones Co-Cr.
Es muy usada por su bajo costo y por la facilidad para
producir formas difíciles.Las aleaciones Co-Cr-Mo forjadas están
normalizadas en la ASTM 799. Su composición
química es de 58-59% Co, 27-30% Cr. 5-7% Mo. Poseen
propiedades de resistencia a la fluencia, a la tensión
y a la fatiga de las cuales son el doble de las exhibidas por
la ASTM F75.Las aleaciones Co-Cr-W-Ni forjadas (ASTM F90)
contienen 45-26% Co, 19-21% Cr 14-16 W, 9-11% Ni. El W y le
Ni se adiciona para mejorar maquinabilidad y procesabilidad.
Posee muy altos valores de resistencia a la fluencia y a la
tensión cuando esta trabajada en
frío.Las aleaciones CoCrWNi forjadas (ASTM F592) contiene
29-38%% Co,19-21% Cr 9-10.5% Mo, 33-37% Ni y presentan muy
altas resistencias a la tensión debido a una
combinación excepcional de endurecimiento por trabajo
en frío, endurecimiento por solución
sólida y endurecimiento por precipitación del
(CoMo). Por ello posee el más alto valor de
resistencia a la fatiga de todas las aleaciones
metálicas (700-800Mpa).I.5 Procesos y equipos más utilizados para
la obtención de los materiales metálicos
biocompatibles.Estos materiales generalmente se fabrican en hornos
eléctricos, ya que esta es la tecnología mas
generalizada en el mundo para ellos. Sin embargo se pueden
obtener como materiales conformado mediante diversos
métodos, para esto si queremos obtener de ellas
figuras y/o piezas, podemos emplear procesos
tecnológicos de elaboración por semiproductos
laminados o conformados y los semiproductos fundidos en
piezas.En el caso de piezas por laminación se trata
de fabricar como barras conformadas en caliente o en
frío (semimoldes), que reelaboran y se mecanizan en su
acabado por maquinado. Dichas barras obtenidas por vaciado
continuo o semicontinuo en IVC con perfiles
variados.Algunas piezas de configuraciones sencillas se
pueden obtener por forja, pero solo por procesos de
fundición y específicamente los de moldes de
arena especial o llamadas en cáscara, en cera perdida
y otras a media, baja o alta presión, pueden emplearse
para fabricar cualquiera de estas aleaciones con gran
precisión dimensional, elevada calidad (mínimo
grado de defectos e imperfecciones micro estructurales) y
acabado superficial.Teniendo como equipos piro metalúrgicos a
hornos fusores específicos eléctricos de arco,
inducción o de plasma de baja o muy baja capacidad y
de ser posible, utilizando técnicas especiales de
tratamiento y mejoramiento del metal sin residuales de
escoria, gases o inclusiones no metálicas.No obstante por la magnitud del tipo de
producción en piezas similares o distintas del proceso
de fabricación y de acabado de las piezas obtenidas,
se puede señalar que la selección del proceso
tecnológico para refabricar los
semiproductode las aleaciones seleccionadas se pueden basar en
cáscara o en concha.Las operaciones básicas del proceso especial
de fundición en cera perdida son usadas para obtener
los semiproductos, que se refundan y se viertan en moldes
especiales para usos biomédicos de gran
precisión en piezas perfiladas complejas y
pequeñas luego.Los procesos de obtención de los materiales
metálicos biocompatibles antes expuestos sólo
nos dan una idea de las posibles formas o variantes que se
pueden optar para obtener una buena aleación de dicho
metal.I.6 Diagrama de estado de las aleaciones con
solubilidad parcial enhestado sólido:Ambos componentes son solubles totalmente en estado
líquido, parcialmente en estado sólido y no
forman compuestos químicos.Componentes Ni y Cr. Fases: L, a y
ß.En las aleaciones de este tipo es posible la
existencia de fase líquida, solución
sólida del componente Cr en el Ni, que se llama
solución a, y solución sólida del
componente Ni en el Cr que llamaremos ß. En estas
aleaciones es posible el equilibrio invariante cuando existen
al mismo tiempo las tres fases L, a y ß. En dependencia
de que reacción se desarrolla en las condiciones de
existencia de las tres fases, puede haber dos tipos de
diagramas, un diagrama con eutéctica y otro con
peritéctica.I.6.1 Diagrama de fases Ni-Cr.
En este sistema no se forman fases que sean
componentes puros. Del líquido solo se pueden
desprender soluciones a y ß. Por consiguiente, junto a
las verticales Ni y Cr correspondientes a los componentes
puros, se encuentran las regiones de existencia de las
soluciones sólidas a y ß. La solubilidad
límite del componente Cr en Ni se determina por la
curva de solubilidad DF, y la del Ni en Cr por la
CG.Las aleaciones que se encuentran entre estas dos
líneas se hallan fuera de loslimites de solubilidad y son de dos fases formadas
por a + ß. El final de la reacción transcurre
según L– a + ß.La línea AEB es en este diagrama la de
líquidos, y la ADCB, la de sólidos. Conociendo
la regla de las fases y la de los segmentos puede seguirse el
proceso de cristalización de cualquiera de las
aleaciones. (Ver figura 1).Figura 1: Diagrama de fases
correspondiente a Ni-Cr.(Autor: Yusdel Díaz,
2007)En el diagrama se muestra una región
sombreada que corresponde con el espectro de las aleaciones
biocompatibles de Ni-Cr. Esto resulta de gran importancia
para establecer las posibles estructuras a obtener. Se ha
logrado establecer por laboratorios especializados en el tema
que lo que se obtiene en esta región no es mas que
soluciones sólidas base níquel, (fase a) en
presencia de carburos de cromo (fase ß).I.7 Influencia de los elementos de
aleación.No obstante, es necesario analizar el efecto que las
aleaciones ternarias en un cuasi diagrama de Ni-Cr con 6% Mo
y Co estables, que se dan en esta aleación, que por
demás en el proceso tecnológico deben recibir
influencia de la desoxidación (limpieza del
baño) y por eso puede tenerse presente los residuales
considerables de Si, con presencia pequeña de Mn
residual, así como de %C por efecto de solubilidad
facilitada de este junto a los restantes elementos de la
aleación.El diagrama antes expuesto sólo nos da una
idea del posible comportamiento de la aleación, ya que
los elementos aleantes en pequeñas proporciones como
el molibdeno y el titanio, ensanchan las zonas
bifásicas del diagrama y esto posibilita que las zonas
que antes eran de equilibrio se desplacen o simplemente
desaparezcan.Estas aleaciones tienen además otros
elementos como el carbono, el cual tiene sobre el cobalto y
el níquel los mismos efectos que sobre el hierro,
dando origen a compuestos con alto y bajo contenido en
carbono. El tungsteno, el molibdeno y el titanio,
además de mejorar considerablemente las propiedades
mecánicas mejoran también las propiedades
anticorrosivas. En el caso del molibdeno es el encargado de
mantener la resistencia a la corrosión en ambientes
clorados.I.8 Mecanismo del proceso de
cristalización.Ya en el año 1878, D.K Chernov, cuando
estudiaba la estructura del acero fundido, indicó que
el proceso de cristalización consta de dos procesos
elementales. El primer proceso consiste en la
formación de partículas pequeñas de los
cristales las que se les conoce con el nombre de
gérmenes y que en la actualidad se llaman centro o
núcleos de cristalización. El segundo proceso
es el crecimiento de los cristales a partir de estos centros.
(Ver figura 2)I.8.1 Estructura de las formaciones
cristalinas.El proceso de cristalización real se complica
por la acción de diversos factores cuya influencia en
el proceso es tan grande, que el papel del grado de
subenfriamiento puede resultar secundario en el sentido
cuantitativo. En la cristalización a partir del estado
líquido tienen un valor primordial para la velocidad
de desarrollo del proceso y para la forma de los cristales
que se producen, factores como la velocidad y la
dirección en que se extrae el calor, la presencia de
partículas insolubles que pueden servir de centros de
cristalización, la existencia de corrientes de
convección en el líquido, etc.Figura 2: Curva cinética de
transformación.(Autor: Yusdel Díaz,
2007)En la dirección en que se extrae el calor, el
cristal crece más de prisa que en las otras
direcciones. Si en la superficie lateral de un cristal en
crecimiento se produce una prominencia, el cristal adquiere
la propiedad de crecer también en dirección
lateral. Como resultado de esto se genera un cristal
arborescente, llamado dendrita.La estructura dendrítica es típica del
metal fundido. Si las condiciones son favorables y el
enfriamiento es lento, entonces pueden crecer dendritas
redimensiones grandes. La estructura consta de un tronco (eje
principal) del que parten las ramas(los ejes
secundarios).Cuanto más rápido fuera el
enfriamiento durante la cristalización, tanto menores
serán las dimensiones (altura) de la dendrita y
menores también las distancias entre los ejes
secundarios.I.8.2 Zonas típicas que se forman en las
piezas fundidas.La estructura de las piezas fundidas cuenta de tres
zonas principales. La primera zona de cristalización
es la corteza superficial de grano fino, formada por
pequeños cristales-dendritas desorientados. Al primer
contacto con el molde se produce en la capa delgada de metal
líquido un brusco gradiente de temperaturas y el
fenómeno del subenfriamiento, lo que ocasiona la
formación de una gran cantidad de centros de
cristalización. Como resultado de esto la corteza toma
forma de grano fino.La segunda zona es la de los cristales o granos
columnares. Después de la formación de la
corteza, las condiciones de extracción del calor
(debido a la resistencia térmica, a la
elevación de la temperatura de las paredes de la
lingotera y a otras causas), el gradiente de temperatura en
la capa de metal más próximo a ella disminuye
bruscamente y por lo tanto disminuye el grado de
subenfriamiento del metal.Como resultado de esto, de un número
pequeño de centros de cristalización comienzan
a crecer cristales columnares orientados perpendicularmente a
la superficie de la corteza(es decir en la dirección
que se extrae el calor, pero en sentido
contrario).La tercera zona es de los cristales equiaxiales. En
el centro del molde no existe ya una dirección
determinada de extracción del calor, la temperatura
del metal que se enfría tiene a equilibrarse casi por
completo en los distintos puntos y el líquido se
transforma en una especie de estado pastoso debido a que en
los distintos puntos de el se forman cristales embrionarios.
Luego estos puntos se pueblan de ejes-ramas en diversas
direcciones, que se encuentran entre si.A consecuencia de esto se forma una estructura
equiaxial. Los centros de cristalización suelen ser en
este caso inclusiones pequeñísimas que hay en
el metal líquido, que no se disuelven en
este.I.8.3 Factores que influyen en el proceso de
cristalización.El grado de desarrollo de los cristales columnares
variará principalmente en dependencia de la
composición química del metal, de su grado de
sobrecalentamiento, del tamaño del molde, de la
velocidad de colada, de la forma del molde y del espesor de
las paredes de este. Estos factores influirán en la
velocidad de extracción del calor y en la
formación de mayores o menores gradientes de
temperatura dentro del volumen del metal
líquido.El volumen del metal líquido es mayor que el
del cristalizado, por lo que el metal vertido se contrae
durante el proceso de cristalización, lo que hace que
se formen cavidades rechupes. Estos pueden estar llenos de
gases, solubles en el metal liquido pero que se desprenden
durante la cristalización.Capítulo II:
Materiales y
métodos.En este capítulo se abordan los materiales y
métodos utilizados para obtener las propiedades de las
aleaciones Ni-Cr, se debe considerar que algunos de los
experimentos que se realizan, como el de estructura, se hacen
para las materias primas importadas, y para esta
después de refundir, según se
necesite.II.1 Proceso de fabricación de las
aleaciones Ni-Cr.En el proceso de fabricación de las
aleaciones especiales de Ni-Cr por el método especial
de cera perdida la velocidad de cristalización y
solidificación de los semiproductos se logra
lentamente y se obtiene en la estructura final una mezcla de
componentes a y ß de granos estables no finos
(tamaños normales). Se debe definir como se comporta
esta mezcla estructural en las propiedades mecánicas,
anticorrosivos y de durabilidad de la aleación sobre
el medio biomédico. De forma semejante se debe conocer
como estructuralmente estas fases tienen relación con
los defectos y variabilidad de propiedades
mecánicas.II.2 Proceso tecnológico para la
obtención de las probetas.Para realizar los estudios posteriores es necesario
obtener probetas del material refundido con dimensiones
acorde a la norma de los experimentos que se le van a
realizar. El proceso tecnológico a utilizar es
fundición por el método de cera
perdida.Para realizar dicho proceso se debe de tener al
menos los siguientes requisitos:Tazas de goma y espátulas para la
preparación del material.Vibradoras para revestir el molde.
Hornos de calentamiento o estufas para el
calentamiento del molde.Máquinas diseñadas para la
colada.Crisol de cerámica.
Materiales refractarios para revestir los
moldes.Que las materias primas a utilizar para la
colada esté constituida por las petitas de 6g de
Ni-Cr, (productos de importación).
II.2.1 Preparación del
molde:Es necesario aclarar que todos los pasos realizados
en la preparación del molde se realizan de forma
manual, por lo que en el influye determinantemente la
experiencia de técnicos.Se utiliza para la preparación del
molde:Caja de molde dividida.
Plantillas de madera.
Yeso.
Agua.
Espátula.
Vasija.
II.2.2 Orden de operación:
Se toma una vasija y se le añade el yeso en
una proporción necesaria para la cual se quiere
llegar, se le agrega una cantidad de agua necesaria, se
mezclan estos componentes hasta lograr una pasta ni muy densa
ni muy fluida. Logrado esto, se adiciona la mezcla en una de
las mitades de la caja hasta umbral dándole algunos
golpes a la caja para que la pasta asiente bien,
obteniéndose una dureza tal que permita empotrar las
plantillas en ella. (Ver Anexo 1)La colocación de las plantillas debe
realizarse a mitad, es decir, una mitad debe quedar en ese
semimolde y la otra libre, la que va a ser copiada por la
otra mitad de caja, o sea, la superior. En este proceso se
observa un desprendimiento de calor lo que corresponde a una
reacción exotérmica.Terminada las cajas estas se dejan en reposo
alrededor de 45 minutos.Pasado el tiempo, se separan ambos moldes, se
eliminan las plantillas de madera y posteriormente en los
moldes se adiciona un separador por toda la superficie y se
espera de 5-10 minutos para que seque bien.Luego se prepara el material acrílico que va
a tomar el lugar de la huella dejada por las plantillas en
los moldes.Los materiales de acrílico
están constituidos por dos componentes:
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