Cobalt-chromium (CoCr)-based alloys have been used for wear applications because of their excellent mechanical properties and wear resistance. With growing concern over environmental problems, CoCr alloys are expected to be used for various tribological applications in degraded lubrication states. To expand the applicability of the materials, data should be accumulated across a broad spectrum of experimental parameters. In this work, the friction and wear characteristics of cobalt-chromium-tungsten (CoCrW) and cobalt-chromium-molybdenum (CoCrMo) alloys are investigated experimentally. The tests are conducted using a pin-on-reciprocating-plate tribotester in dry lubrication. CoCrW and CoCrMo are used as pin and plate materials to investigate the effect of the counter material. The results show that the friction coefficients between CoCrW and CoCrMo generally range from 0.4 to 0.5. The friction coefficient between the CoCrW pin and plate is found to be slightly small. However, the total wear between the CoCrW pin and plate is found to be the largest. In contrast, the total wear between the CoCrW pin and plate is relatively small. Furthermore, CoCrW may cause a faster wear progression of CoCrMo, especially for the case in which CoCrMo is used as the pin material. The results of this work provide a better understanding of the tribological properties of CoCrW and CoCrMo alloys. In addition, this work provides a practical guideline for the use of CoCrW and CoCrMo from the tribological design viewpoint.
The biocompatibility and the fatigue strength of Co-Cr-Mo alloy are excellent, so it is used well for the material of artificial joints. The head of artificial joint needs mirror surface for reduction of abrasive resistance. Mirror finishing of Co-Cr-Mo alloy with geometrically defined single crystal diamond cutting tools is handicapped by micro chipping of tool edge. In general, it is said that the micro chipping of diamond tool is caused by work hardening of Co-Cr-Mo alloy for the cut. In the present research, mirror finishing of Co-Cr-Mo alloy by applying ultrasonic elliptical vibration cutting was carried out. The experimental results show that the micro chipping of diamond tool was suppressed and the tool wear was remarkably reduced as compared with the ordinary diamond cutting without elliptical vibration motion. It was confirmed that the good mirror surface of maximum surface roughness of 25 nmP-V was obtained for the cutting length of about 14 m. It is expected that mirror finishing of Co-Cr-Mo alloy can be achieved by applying ultrasonic elliptical vibration cutting practically.
본 연구에서는 3D-프린팅 적층 공정으로 제조한 인공관절용 CoCrMo 합금 소재의 HIP 처리를 포함한 복합열처리 후 소재의 인장특성, 내마모 특성 등의 기계적 특성과 결정구조 및 미세조직 등의 재료특성 변화를 고찰하였다. 내부마이크로 기공을 제거하기 위한 HIP 열처리와 금속탄화물 생성을 위한 상압열처리 및 금속탄화물의 균질화를 위한 용체화 열처리를 거치는 복합열처리 공정을 실시하여 인공관절 소재로서의 특성을 부여하고자 하였다. 3D-프린팅 적층 공정으로 제조한 인공관절용 CoCrMo 합금 소재의 복합열처리 효과는 HIP 공정중의 치밀화 과정, 상압열처리 중의 금속탄화물 생성 및 용체화 열처리 과정중의 금속탄화물의 균질화 효과임을 XRD, FE-SEM, EDS 분석으로 확인하였다.
CoCr-based alloys have been developed as wear-resistant materials owing to their excellent mechanical properties and strong wear resistance. The purpose of this study is to experimentally assess the frictional and wear characteristics of CoCr-based alloys slid against two different counter materials subjected to various normal forces to determine the expansion applicability of CoCr-based alloys. CoCrMo and CoCr alloys were selected as the target materials and NiCr and NiCrB alloys as counter materials. Experimental tests were performed using a pin-on-reciprocating plate tribo-tester under dry lubrication. Before performing the tests, the surface of the specimens was observed through confocal microscopy and the hardness was measured using a micro-Vickers hardness tester. The wear volume of the plate was calculated at the end of the tests using confocal microscope data, and the wear rate was quantitatively obtained based on Archard's wear law. From the results, the wear rates of the CoCrMo specimens that slid against NiCr and NiCrB are 7.69 × 10-6 ㎣/Nm and 5.26 × 10-6 ㎣/Nm, respectively. The wear rates of the CoCr specimens that slid against NiCr and NiCrB were higher than those of the CoCrMo specimens by factors of approximately 4 and 8, respectively. The CoCrMo specimens further exhibited lower friction characteristics than the CoCr specimens. The findings of this study will be useful for expanded applications of CoCr-based alloys as wear-resistant materials for various mechanical parts.
초급냉법중 단롤법으로 제작한 비정질 Fe/sub 68.5/Co/sub 5/M/sub 3/Cu/sub 1/Si/sub 13.5/ B/sub 9/(M=Nb, Mo, Mn, Cr)계 합금을 결정화온도 이상의 온도에서 열처리하여 결정화 시킨 후, 결정립 크 기에 따른 항자력, 투자율 및 교류자기이력손실을 조사 하였다. Fe/sub 68.5/Co/sub 5/M/sub 3/Cu/sub 1/ Si/sub 13.5/B/sub 9/(M=Nb, Mo, Mn, Cr)합금중 M=Mo, Nb조성에서 초미세결정립이 형성되며 약 10nm의 결정립 크기에서 가장 우수한 연자기적 특성을 나타낸다. 그러나 결정립의 크기가 10nm보다 작거나 16nm이 상 커지면 연자기 특성이 열화된다. 결정립크기가 10nm이하에서 연자기특성이 열화되는 것은 결정화 초기 결 정립계에 존재하는 것으로 판단되는 Fe rich 비정질상에 의한 것으로 고찰된다.
Ultrasonic method using SH(shear horizontal) wave has been developed to determine the surface damage in fatigued material. Fatigue damages based on propagation energy were analyzed by multi-regression analysis in interrupted fatigue test specimen including CrMoV and 12Cr alloy steel. From the test results, as the fatigue damage increased the propagation time of the launched waves increased and amplitude of wavelet decreased. Also, analysis for the waveform modulation showed a reliable estimation, with confidence limit of 97% for 12Cr steel and 95% for CrMoV steel, respectively. Therefore, It is thought that SH ultrasonic wave technique can be applied to determine fatigue damage of in-service component nondestructively.
인공관절은 노인성 질환이나 자가 면역질환, 신체적인 외상 등으로 인하여 발생하는 관절의 손상 부위를 대체하기 위하여 고안된 관절의 인공 대용물이다. 인공 관절 중 인공 고관절의 경우 관절 운동을 하는 라이너(Liner)와 헤드(Head) 부분이 마모에 관여하여 인공관절의 수명에 영향을 미치게 되는데, 헤드 소재로서는 Co-Cr-Mo 합금이, 라이너 소재로서는 고분자 소재인 UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene)가 주로 사용되고 있다. 이러한 MOP (Metal-On-Polymer) 구조의 인공관절의 경우, 충격흡수의 장점이 있는 반면, 관절 운동시 발생하는 UHMWPE의 wear debris에 의한 골용해로 인하여 관절이 느슨해지는 문제점이 발생하여 재시술을 필요로 하게 된다. 또한 메탈 헤드의 마모로 인한 금속이온의 용출은 세포 독성의 문제를 야기하여 인공관절의 수명을 낮추는 또 하나의 요인이 되고 있다. 이러한 문제점들을 해결 하기 위하여, 본 연구에서는 PIII&D (Plasma Immersion Ion Implantation & Deposition)공정을 이용하여 Co-Cr-Mo 합금 소재 위에 niobium nitride (NbN) 박막을 증착하여 상대재인 UHMWPE의 마모를 줄이고자 하는 연구를 진행하였다. 마모량의 감소를 위하여, 박막을 증착하기 전에 Co-Cr-Mo 합금 위에 질소를 이온주입 하는 pre-ion implantation 공정을 도입하였으며, Co-Cr-Mo 합금과 NbN박막 사이의 접착력을 증가시키기 위하여 박막의 증착 초기에 이온주입과 증착을 동시에 수행하는 dynamic ion mixing공정을 수행하였다. 실험 결과 pre-ion implantation 공정을 도입한 경우 현재 상용화 되어있는 Co-Cr-Mo 합금에 비하여 마모량을 2배 이상 감소시키는 것을 확인 할 수 있었으며, dynamic ion mixing 공정을 도입한 경우 장시간의 마모 시험에서도 UHMWPE의 마모량을 2배 가까이 줄일 수 있었다.
Purpose: The aims of this study are compare with microstructure and mechanical properties of Co-Cr-Mo alloys fabricated by powder metallurgy(P/M) process and casting process respectively. Methods: Microstructure and micro-hardness were tested by SEM and Vickers Hardness Tester. The sintered specimen was produced by furnace-coolling after sintering, however the casting specimen were produced thru air-cooling and water-cooling after the casting. For observation of phase transformation during sintering, DSC analyzing was carried out. Results: Mean pore size of sintered Co-Cr-Mo alloy was $4.32{\mu}m$ and that of casting alloy was $1.63{\mu}m$. Hardness of sintered alloy was lower than water-quenched casting alloy. Conclusion: Proper sintering temperature of Co-Cr-Mo alloy was above $1,200^{\circ}C$ and pore size of casting specimen were finer than sintered specimen, but hardness were similar.
The microstructure, mechanical properties and melting range of Ni-Cr-Mo based alloys were investigated to develop Be-free Ni-Cr-Mo base dental alloys for Porcelain-Fused-to-Metal Firing(PFM). All as-cast alloys showed dendritic structure. Rockwell hardness of 20Cr7Mo was increased with addition of Si and Ti. On the contrary, it was decreased with addition of Co. The duplex alloying elemental addition such as 3Co + xTi, 2Si + xCo and 2Si + xTi to 20Cr7Mo resulted in much increase of hardness. Rockwell hardness and compressive strength for 20Cr3CoSiTi or 17Cr6CoSiTi alloy that add Si-Ti had similar values compared to the commercial alloys. Melting range for 20Cr3CoSiTi and 17Cr6CoSiTi alloy that add Si-Ti showed similar or lower than commercial alloys. In conclusion, 20Cr3CoSiTi and 17Cr6CoSiTi alloys can be applied for commercial use.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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