Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica. Séptimo semestre. No boleta: B102587

Transcripción

1 Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica. Séptimo semestre. No boleta: B Tema de tesis: CARACTERIZACIÓN MECÁNICA Y ESTRUCTURAL DE UNA ALEACIÓN Co-Cr-Mo ASTM F75, ENDURECIDA SUPERFICIALMENTE POR DIFUSIÓN DE BORO OBJETIVO GENERAL. Caracterización de una aleación Co-Cr-Mo ASTM F75 endurecida por borurización en polvo determinando la cinética de crecimiento de las capas boruradas formadas en esta aleación así como las propiedades fractomecánicas del sistema para aplicaciones tribológicas. Objetivos específicos: Determinar el crecimiento de la capas CoB y Co 2 B formadas sobre la superficie de la aleación Co-Cr-Mo para estimar el coeficiente de difusión de boro en las capas boruradas. Determinar la dureza característica de las capas CoB y Co 2 B mediante ensayos de indentación instrumentada Berkovich a lo largo de los espesores de capa, a carga constante de 50mN respectivamente para determinar el gradiente de dureza y esfuerzos térmicos residuales desde la superficie del acero hasta el núcleo del acero. Emplear el ensayo de indentación instrumentada Vickers depth-sensing sobre las capas boruradas, CoB y Co 2 B, con cargas de indentación variables para determinar las propiedades elasto-plásticas de dichas capas, además de evaluar el efecto de tamaño de la huella de indentacion (ISE) presente en dichas capas a 10 µm para la capa superficial y en la zona compacta de la capa Co 2 B desde la superficie de la aleacion ednurecida considerando cargas variables para estimar valores de dureza real en ambas capas en un rango de 15 a 450 mn. Estimar el valor de la tenacidad a la fractura (KIC) y en las capas CoB y Co 2 B a 15 μm de distancia y en la zona compacta respectivamente, mediante la técnica de indentación instrumentada Vickers depth-sensing, empleando cargas variables de 250 a 450 mn respecto a cada condición de tratamiento para determinar el comportamiento mecánico del sistema bicapa CoB-Co 2 B.

2 RESUMEN. La aleación ASTM F-75 fundida está formada por una serie de elementos en diferentes composiciones, los cuales tiene el objeto de proporcionar las diferentes propiedades necesarias para coexistir con el cuerpo humano. Algunas de las propiedades más importantes es la biocompatibilidad que está ampliamente relacionada con la resistencia a la corrosión y debe ser estrictamente controlada para evitar posibles reacciones del cuerpo humano con los productos de corrosión depositados por la aleación. La mayoría de las prótesis ortopédicas fabricadas con aleación de cobalto se producen mediante fundiciones según la norma ASTM F Estas son más baratas, pero desarrollan tamaño de grano grueso, segregación microestructural no uniforme y menor resistencia a la tracción y fatiga. Las aleaciones como la ASTM F-75 de cobalto son materiales muy duraderos y versátiles diseñados para varias aplicaciones. Ciertas prótesis contienen grandes cantidades de aleación de cobalto ASTM F-75. Algunos componentes de muchos sistemas de implantes dentales también se construyen a partir de esta aleación, Figura 1. Incluso ciertos componentes en muchos sistemas de implantes ortopédicos están hechos con aleación ASTM F-75. Los consumidores tienen acceso a implantes de rodilla y articulaciones de cadera de aleaciones ASTM F-75. Figura 1. Diagrama esquemático, el cual muestra las tres partes del cuerpo humano principales donde actualmente se realiza el reemplazo de articulaciones por implantes hechos de la aleación ASTM F-75.

3 El tratamiento de las superficies son ampliamente usados para incrementar el desempeño de las aleaciones biomédicas para mejorar las propiedades mecánicas o la resistencia a la corrosión y para reducir la posible falla del implante. La borurización es un tratamiento termoquímico el cual incrementa la resistencia a la corrosión y al desgaste de aleaciones ferrosas y no ferrosas debido a la formación de recubrimientos duros de boruros en la superficie del material. La combinación de las favorables propiedades superficiales desgastecorrosión en los boruros está asociada con su estructura cristalina y con la fuerza de los enlaces interatómicos. En este caso, la aleación ASTM F-75 borurada puede ser benéfica para aplicaciones médicas. El boro es altamente soluble en metales con un volumen atómico pequeño, tales como hierro, cromo, molibdeno o cobalto. El sistema, diagrama de fases, Co-B consiste en tres compuestos intermetálicos (Co 3 B, Co 2 B y CoB) de los cuales para dicho trabajo de investigación se generaron dos compuestos CoB, capa más superficial y, Co 2 B, capa interior, Figura 2. Zona de difusión Co 2 B CoB Figura 2. Morfología de la capa borurada formada en la superficie de la aleación ASTM F-75 a 1248 K durante 10 horas de exposición. Las fase CoB tiene aproximadamente 15.5 % en peso de boro con una estructura cristalina ortorrómbica. Por otro lado, la capa Co 2 B posee aproximadamente 8.4 % en peso de boro con una estructura tetragonal. En la Figura 3 se presentan las estructuras cristalinas de las fases CoB y Co 2 B. a) b) Figura 3. Representación esquemática de la celda unitaria de los boruros de cobalto. a) fase CoB y, b) fase Co 2 B.

4 Debido al contenido de elementos aleantes y determinar la morfología de los boruros de cobalto en la superficie de la aleación ASTM F-75, se hizo un barrido en la superficie de la capa borurada hacia el núcleo de la aleación por regiones (Figura 4) mediante el ensayo de Espectrometría de Dispersión de Energía de Rayos X (EDS). Región Zona de difusión. Región fase Co 2 B. Región fase CoB. Figura 4. Análisis de EDS, por regiones, sobre las capas de boruro de cobalto formadas a 1248 K durante 10 horas de tratamiento. Con el propósito de verificar la presencia de los boruros de cobalto CoB y Co 2 B, y de compuestos intersticiales con boro, se realizó un análisis por Difracción de Rayos X (XRD) aplicado sobre la pieza borurada de la aleación ASTM F-75, Figura 5.

5 Figura 5. Modelo de Difracción de Rayos-X de la aleación ASTM F75 borurada a 1223 K durante 6 horas de tratamiento.