Tribological Behaviour of CoCrMo Alloys - Influence of Strain Hardening

Abstract

The objective of the present research work was to determine the optimal conditions that allow surface hardening of the Co28Cr6Mo alloy and consequently lead to increased mechanical properties. Since this alloy is used in biomedical applications that are subjected to high mechanical stresses (e.g. knee, shoulder and hip joints) and consequent high surface wear of the prostheses, this improvement of its mechanical properties is intended to extend the longevity of its applications in the human body, extending the time needed between periodic surgical interventions.The results show that the wear occurring on a surface of this Co28Cr6Mo alloy is closely linked to the formation and attachment of oxides at the wear marks. Under certain conditions of normal force applied during service (simulated through tribological tests), this formation of oxides occurs, which promotes the creation of a protective layer against wear. The marks associated with tribological tests of Co28Cr6Mo specimens hardened under certain conditions (of normal pressure, applied during cold hardening) show a high formation of oxides and, in parallel, a better mechanical behaviour, namely a visible reduction of the volume of material removed when subjected to wear. Thus, the results of this research work allowed not only to quantify the influence of oxides in the protection of this alloy against wear, but also to conclude which would be the optimum conditions of mechanical treatment (cold hardening) that would be associated with this improved behaviour.

O objectivo do presente trabalho de investigação foi o de determinar as condições ideais para as quais o endurecimento da superfície da liga Co28Cr6Mo conduz a melhores propriedades mecânicas. Uma vez que esta liga é utilizada em aplicações biomédicas sujeitas a elevadas solicitações mecânicas (por exemplo, articulações do joelho e da anca) e consequente elevado desgaste superficial das próteses, esta melhoria das suas propriedades mecânicas destina-se a prolongar a longevidade das suas aplicações no corpo humano, dilatando assim o tempo necessário entre intervenções cirúrgicas periódicas.Os resultados mostram que o desgaste ocorrido numa superfície desta liga de Co28Cr6Mo está intimamente ligado à formação e fixação de óxidos nas marcas de desgaste. Sob determinadas condições de força normal aplicada durante serviço (simulado através de testes tribológicos), ocorre esta formação de óxidos, que promove a criação de uma camada protetora contra o desgaste. As marcas associadas a testes tribológicos de provetes de Co28Cr6Mo endurecidos sob determinadas condições (de pressão normal, aplicada durante o endurecimento a frio) revelam uma elevada formação de óxidos e, paralelamente, um melhor comportamento mecânico, nomeadamente uma redução visível do volume de material removido quando sujeito ao desgaste. Assim, os resultados deste trabalho de investigação permitiram não só quantificar a influência dos óxidos na proteção desta liga contra o desgaste como concluir sobre quais seriam as condições ótimas de tratamento mecânico (endurecimento a frio) que estivessem associadas a este comportamento melhorado.