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Proceso tecnologico en fabricación de aleaciones biocompatibles (Ni-Cr)

Enviado por Daniel Pérez Díaz



Partes: 1, 2

  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Las aleaciones metálicas biocompatibles
  4. Materiales y métodos
  5. Conclusiones
  6. Bibliografía
  7. 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 implantología

    dental.

    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 semiproducto

    de 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 los

    limites 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).

    Monografias.com

    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.

    Monografias.com

    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:

    Partes: 1, 2

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