Desempenho mecânico aprimorado de Fe biodegradável MIM

28 de abril de 2023

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Biomateriais metálicos degradáveis ​​são uma nova família de ligas com potencial para uso em implantes médicos com função temporária. Estas ligas estão sendo consideradas como potenciais substitutos para as ligas resistentes à corrosão atualmente utilizadas em implantes ortopédicos, cardiovasculares e pediátricos. O desenvolvimento de materiais à base de ferro tem sido de particular interesse para aplicações de suporte de carga, sendo o Mn visto como um dos elementos de liga mais promissores.

Estudos relataram que a quantidade de Mn liberada pela degradação de ligas à base de FeMn em fluidos corporais é muito inferior ao seu nível de toxicidade no sangue e o corpo também pode metabolizar racionalmente a liberação gradual de Mn. Enquanto isso, o potencial do eletrodo do Mn é inferior ao do Fe; a solução sólida infinita formada por Fe-Mn possui maior potencial de corrosão; e, quando o teor de Mn é superior a 29% em peso, as ligas Fe-Mn possuem uma única fase de austenita, melhorando a compatibilidade com imagens de ressonância magnética (MRI). A adição de C pode melhorar ainda mais a taxa de degradação das ligas à base de FeMn, formando células galvânicas locais e, simultaneamente, melhora a resistência e a plasticidade das ligas Fe-Mn.

Pesquisa no Laboratório Estatal de Metalurgia do Pó da China, Universidade Central do Sul, em cooperação com o Segundo Hospital XiangYa, também localizado na Universidade Central do Sul, Changsha, mostrou que a liga Fe-35Mn com a adição de 0,5C tem baixa volatilidade de Mn, alta densidade e propriedades mecânicas favoráveis ​​quando produzido por moldagem por injeção de metal. Os resultados da pesquisa foram publicados em um artigo intitulado 'Desempenho mecânico aprimorado de uma liga biodegradável de Fe-Mn fabricada por moldagem por injeção de metal e adição de carbono menor', por Ye Zhang, et al., em Metals, 12, 884, 23 de maio. , 2022, 9 pp.

Os autores afirmaram que, em seus trabalhos anteriores sobre determinação das propriedades mecânicas e de degradação de ligas degradáveis ​​de Fe-Mn produzidas pelo MIM, constatou-se que ainda havia uma perda significativa de Mn (2,25%) devido à volatilização durante a sinterização, a impureza de oxigênio o conteúdo é alto (0,32% em peso%) e a densidade relativa atingiu apenas aproximadamente 93%. O mecanismo de deformação único e a alta porosidade resultaram em propriedades mecânicas relativamente pobres (resistência à tração de 558 MPa e alongamento de 10,8%). O presente trabalho relatado teve, portanto, como objetivo introduzir e otimizar o teor de carbono na liga MIM Fe-Mn, utilizando sinterização sob pressão, e examinar a microestrutura sinterizada resultante, as propriedades mecânicas e o correspondente mecanismo de deformação mecânica.

Neste estudo, pós pré-ligados de Fe-35Mn (D50 = 14,0 µm) e grafite (D50 = 30,8 µm) foram misturados com um sistema aglutinante multicomponente (60% em peso de parafina + 36,5% em peso de polietileno de alta densidade + 3,5% em peso de ácido esteárico) para produzir a matéria-prima MIM, com carga de pó a 58% em volume. A matéria-prima Fe-35Mn também foi preparada sem adição de carbono para comparação das propriedades sinterizadas. A matéria-prima peletizada foi moldada por injeção para produzir as amostras da parte verde Fe-35Mn-0,5C, com comprimento de 108 mm e diâmetro de 3,8 mm, como mostrado na Fig.

Foi utilizado um método de desligação em duas etapas, envolvendo desligação com solvente (Diclorometano, 40°C, 8 h), seguida de desligação térmica (árgônio, 600°C, 1 h). As amostras debound foram então sinterizadas a 1200°C por 7 h sob uma atmosfera de baixo vácuo (10-1 Pa) ou uma atmosfera de argônio usando pressão aplicada de 5 atm. A seleção da temperatura de sinterização e do tempo de retenção referiu-se principalmente à pressão de vapor de equilíbrio do Mn estabelecida pelos autores em seu estudo relatado anteriormente.

Verificou-se que uma pequena quantidade de vapor de Mn volatilizado foi evacuado continuamente durante a sinterização a vácuo, promovendo a perda contínua de Mn durante o processo de sinterização. No entanto, este problema foi evitado durante a sinterização sob pressão, o que reduz drasticamente a volatilização do Mn e garante a estabilidade da composição da liga. A Tabela 1 mostra o conteúdo elementar e a densidade relativa das três composições investigadas. Como pode ser visto, a densidade relativa do Fe-35Mn sinterizado sob pressão com 0,5% de adição de carbono (PS0,5) atingiu 97%. Os poros da liga sinterizada a vácuo (VS) apresentaram formatos irregulares, enquanto os poros das ligas PS e PS0,5 sinterizadas sob pressão em argônio eram finos e uniformes.