vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2019-64-3-296-303vestift-454Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКАMECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICSЭлектролитно-плазменное полирование кобальт-хромовых сплавов медицинского назначенияElectrolytic-plasma polishing of cobalt-chromium alloys for medical productsАлексеевЮ. Г.AliakseyeuYu. G.

Алексеев Юрий Геннадьевич – кандидат технических наук, доцент, генеральный директор – проректор по производственной деятельности

Государственное предприятие «Научно-технологический парк БНТУ «Политехник»

ул. Я. Коласа, 24, 220013, Минск

Yuri G. Aliakseyeu – Ph. D. (Engineering), Assistant Professor, General Manager – Vice-rector on production activity

State Enterprise “Scientific and Technological Park BNTU “Polytechnic”

24, Ya. Kolas Str., 220013, Minsk

y.aliakseyeu@bntu.byКоролёвА. Ю.KorolyovA. Yu.

Королёв Александр Юрьевич – кандидат технических наук, заведующий научно-исследовательским сектором перспективных технологий

Государственное предприятие «Научно-технологический парк БНТУ «Политехник»

ул. Я. Коласа, 24, 220013, Минск

 

Aleksandr Yu. Korolyov – Ph. D. (Engineering), Head of Prospective Technologies Department

State Enterprise “Scientific and Technological Park BNTU “Polytechnic”

24, Ya. Kolas Str., 220013, Minsk

korolyov@park.bntu.byНиссВ. С.NissV. S.

Нисс Владимир Семёнович – кандидат технических наук, доцент, заведующий инновационно-производственным центром медицинского оборудования и изделий

пр. Независимости, 65, 220013, Минск

Vladimir S. Niss – Ph. D. (Engineering), Assistant Professor, Head of the Innovation and Production Center of Medical Equipment and Products

65, Nezavisimosti Ave., 220013, Minsk

niss@park.bntu.byБелорусский национальный технический университетBelarusian National Technical University201905102019643296303Copyright © Алексеев Ю.Г., Королёв А.Ю., Нисс В.С., 20192019Алексеев Ю.Г., Королёв А.Ю., Нисс В.С.Aliakseyeu Y.G., Korolyov A.Y., Niss V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/454

При изготовлении имплантатов, подверженных повышенным циклическим нагрузкам, в последнее время широко используются кобальт-хромовые сплавы, обладающие высокой твердостью и износостойкостью. Шероховатость рабочих поверхностей является одной из важнейших характеристик таких изделий. Традиционные процессы финишной отделки поверхности имплантатов из кобальт-хромовых сплавов основаны на механических и электрохимических методах. Недостатками механических методов являются малая производительность, подверженность внедрению инородных частиц, затруднения при обработке сложных геометрических форм. Для электрохимических технологий рассматриваемые материалы труднообрабатываемые, в процессах их полирования используются вредные электролиты, состоящие из растворов кислот. В качестве альтернативы существующим методам предложено использование экологически безопасного метода электролитно-плазменного полирования, основным преимуществом которого является применение в качестве электролитов водных растворов солей концентрацией 3–5 %. По результатам отработки технологического процесса установлено, что на большинстве режимов электролитно-плазменного полирования кобальт-хромовых сплавов медицинского назначения на поверхности происходит формирование рельефа в виде сетки выступов, происхождение которых можно объяснить неоднородностью структуры материала, возникающей на стадии получения заготовки литьем. Причем высота образующихся рельефных выступов оказывает непосредственное влияние на величину шероховатости поверхности. В результате исследований определены режимы процесса электролитно-плазменного полирования, обеспечивающие формирование гладкой поверхности без присутствия рельефных выступов, сглаживание микрорельефа с удалением царапин, образуемых в результате предварительного шлифования, с достижением низкого значения шероховатости (Ra 0,057 мкм) и высокого коэффициента отражения (0,7), что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к поверхности имплантатов.

In the manufacture of implants that are subject to increased cyclic loads, cobalt-chromium alloys with high hardness- and wear resistance have recently been widely used. Roughness of working surfaces is one of the most important characteristics of such products. The traditional processes of finishing the surface of cobalt-chromium alloy implants are based on mechanical and electrochemical methods. The disadvantages of mechanical methods are low productivity, susceptibility to the introduction of foreign particles, difficulties in processing of complex geometric shapes. For electrochemical technologies the treated materials are considered intractable, harmful electrolytes, consisting of solutions of acids, are used in the process of polishing. As an alternative to existing methods, it was proposed to use an environmentally safe method of electrolytic-plasma polishing, the main advantage of which is the use of aqueous solutions of salts with a concentration of 3–5 % as electrolytes. According to the results of the technological process, it has been established that at most electrolyte-plasma polishing modes of cobalt-chromium alloys for medical purposes, a relief in the form of a grid of protrusions occurs on the surface, the origin of which can be explained by the heterogeneity of the material structure that occurs at the stage of casting. Moreover, the height of the formed relief protrusions has a direct impact on the amount of surface roughness. As a result of studies, electrolyte-plasma polishing process modes were established, ensuring the formation of a smooth surface without the presence of embossed protrusions, smoothing the microrelief with the removal of scratches resulting from pre-grinding, achieving a low roughness value (Ra 0.057 micron) and a high reflection coefficient (0.7), which fully meets the requirements for the surface of the implants.

кобальт-хромовый сплавэлектролитно-плазменное полированиешероховатостьрельефнапряжениеплотность токаcobalt-chrome alloyelectrolytic-plasma polishingroughnessreliefvoltagecurrent densityReferencesCobalt-chromium alloys in fxed prosthodontics in Sweden / M. Kassapidou [et al.] // Acta Biomaterialia Odontologica Scandinavica. – 2017. – Vol. 3, iss. 1. – P. 53–62. https://doi.org/10.1080/23337931.2017.1360776Kassapidou M., Stenport V., Hjalmarsson L., Johansson C. Cobalt-chromium alloys in fxed prosthodontics in Sweden. Acta Biomaterialia Odontologica Scandinavica, 2017, no. 3, iss. 1, pp. 53–62. https://doi.org/10.1080/23337931.2017.1360776Высокие технологии на службе отечественной медицины / В. Минченя [и др.] // Наука и инновации. – 2018. – №5 (183). – С. 21–23.Minchenya V., Aliakseyeu Yu., Olgomets I., Avtushko A. High Technologies in the service of domestic medicine. Nauka i innovatsii = Science and Innovation, 2018, no. 5 (183), pp. 21–23 (in Russian).Surface properties and corrosion behavior of Co–Cr alloy fabricated with selective laser melting technique / Xianzhen Xin [et al.] // Cell Biochem. Biophys. – 2013. – Vol. 67. – P. 983–990. https://doi.org/10.1007/s12013-013-9593-9Xian-zhen Xin, Jie Chen, Nan Xiang, Bin Wei. Surface properties and corrosion behavior of Co–Cr alloy fabricated with selective laser melting technique. Cell Biochemistry and Biophysics, 2013, vol. 67, pp. 983–990. https://doi.org/10.1007/s12013-013-9593-9The effect of microstructure on the wear of cobalt-based alloys used in metal-on-metal hip implants / R. Varano [et al.] // Proc. IME H.J. Eng. Med. – 2006. – Vol. 220, iss. 2. – P. 145–159. https://doi.org/10.1243/09544119jeim110Varano R., Bobyn J. D., Medley J. B., Yue S. The effect of microstructure on the wear of cobalt-based alloys used in metal-on-metal hip implants. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 2006, vol. 220, iss. 2. pp. 145–159. https://doi.org/10.1243/09544119jeim110Alvarez, E. Surface Damage in Retrieved Total Knee Replacement Femoral Components / E. Alvarez. – Clemson: Clemson Univ., 2012. – 222 p.Alvarez E. Surface Damage in Retrieved Total Knee Replacement Femoral Components. Clemson, Clemson Univ., 2012. 222 p.Жулев, Е. Н. Несъемные протезы. Теория, клиника и лабораторная техника / Е. Н. Жулев. – М.: Мед. информ. агентство, 2010. – 488 c.Zhulev E. N. Fixed Prostheses. Theory, Clinic and Laboratory Equipment. Moscow, Medical Information Agency, 2010. 488 p. (in Russian).Surface fnish machining of medical parts using plasma electrolytic polishing / H. Zeidler [et al.] // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 49. – P. 83–87. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.07.038Zeidler H., Boettger-Hiller F., Edelmann J., Schubert A. Surface fnish machining of medical parts using plasma electrolytic polishing. Procedia CIRP, 2016, vol. 49, pp. 83–87. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.07.038Особенности электролитно-плазменного нагрева при электрохимико-термической обработке стали / Ю. Г. Алексеев [и др.] // Наука и техника. – 2013. – № 6. – С. 20–24.Aliakseyeu Y. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S., Parshuto A. E. Characteristics of electrolytic-plasma heating at electrochemical-heat treatment of steel. Nauka i tekhnika = Science & Technique, 2013, vol. 6, pp. 20–24 (in Russian).Aliakseyeu, Yu. Electrolyte-Plasma Treatment of Metal Materials Surfaces / Yu. Aliakseyeu, A. Korolyov, A. Bezyazychnaya // CO-MAT-TECH 2006: Proceeding of the Abstracts of 14th International Scientifc Conference, Slovak University of Technology, 19–20 October 2006. – Trnava, 2006. – P. 6.Aliakseyeu Yu., Korolyov A., Bezyazychnaya A. Electrolyte-Plasma Treatment of Metal Materials Surfaces. COMAT-TECH 2006: Proceeding of the Abstracts of 14th International Scientifc Conference, Slovak University of Technology, 19–20 October 2006. Slovakia, Trnava, 2006, p. 6.Влияние электролитно-плазменной обработки на структуру и свойства поверхностного слоя стали 12Х18Н10Т / И. В. Фомихина [и др.] // Весцi Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фiз.-тэхн. навук. – 2008. – № 3. – С. 24–29.Fomikhina I. V., Lisovskaya Yu. O., Aliakseyeu Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S. Effect of electrolytic-plasma treatment on the structure and properties of the surface layer of authentic stainless steel. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fzika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physicaltechnical series, 2008, vol. 3, pp. 24–29 (in Russian).Модель размерного съема материала при электролитно-плазменной обработке цилиндрических поверхностей / Ю.Г. Алексеев [и др.] // Наука и техника. – 2012. – №3. – С. 3–6.Aliakseyeu Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S., Parshuto A. E. Model of metal removal in electrolytic-plasma treatment of the cylindrical surfaces. Nauka i tekhnika = Science & Technique, 2012, vol. 3, pp. 3–6 (in Russian).Электролитно-плазменная обработка при нестационарных режимах в условиях высокоградиентного электрического поля / Ю. Г. Алексеев [и др.] // Наука и техника – 2017. – № 5. – С. 391–399. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-391-399Aliakseyeu Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S., Parshuto A. E. Electrolyte-plasma treatment under non-stationary mode in a high-gradient electric feld. Nauka i tekhnika = Science & Technique, 2017, vol. 5, pp. 391–399. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2017-16-5-391-399 (in Russian).Электролитно-плазменное полирование титановых и ниобиевых сплавов / Ю.Г. Алексеев [и др.] // Наука и техника. – 2018. – №3. – C. 211–219. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-3-211-219Alekseev Yu. G., Korolyov A. Yu., Niss V. S., Parshuto A. E., Budnitski A. S. Electrolyte-Plasma Polishing of Titanium and Niobium Alloys. Nauka i tekhnika = Science & Technique, 2018, vol. 3, pp. 211–219. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-3-211-219 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.