Rendimiento mecánico mejorado del Fe biodegradable MIM

28 de abril de 2023

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Los biomateriales metálicos degradables son una nueva familia de aleaciones con potencial para su uso en implantes médicos con función temporal. Estas aleaciones se están considerando como posibles sustitutos de las aleaciones resistentes a la corrosión que se utilizan actualmente en implantes ortopédicos, cardiovasculares y pediátricos. El desarrollo de materiales a base de hierro ha sido de particular interés para aplicaciones de carga, siendo el Mn uno de los elementos de aleación más prometedores.

Los estudios han informado que la cantidad de Mn liberado por la degradación de aleaciones a base de FeMn en los fluidos corporales es mucho menor que su nivel de toxicidad en la sangre y el cuerpo también puede metabolizar racionalmente la liberación gradual de Mn. Mientras tanto, el potencial del electrodo de Mn es menor que el del Fe; la solución sólida infinita formada por Fe-Mn tiene un mayor potencial de corrosión; y, cuando el contenido de Mn es superior al 29% en peso, las aleaciones de Fe-Mn poseen una única fase de austenita, lo que mejora la compatibilidad con las imágenes por resonancia magnética (MRI). La adición de C puede mejorar aún más la tasa de degradación de las aleaciones a base de FeMn mediante la formación de células galvánicas locales y, simultáneamente, mejora la resistencia y la plasticidad de las aleaciones Fe-Mn.

La investigación realizada en el Laboratorio Estatal Clave de Metalurgia de Polvos de la Universidad Central Sur de China, en cooperación con el Segundo Hospital XiangYa, también ubicado en la Universidad Central Sur, Changsha, ha demostrado que la aleación Fe-35Mn con la adición de 0,5C tiene una baja volatilidad de Mn. alta densidad y propiedades mecánicas favorables cuando se produce mediante moldeo por inyección de metal. Los resultados de la investigación fueron publicados en un artículo titulado 'Enhanced Mechanical Performance of a Biodegradable Fe-Mn Alloy Manufactured by Metal injection moulding and Minor Carbon Addition', por Ye Zhang, et al., en Metals, 12, 884, 23 de mayo. , 2022, 9 págs.

Los autores afirmaron que, en su trabajo anterior sobre la determinación de las propiedades mecánicas y de degradación de las aleaciones degradables Fe-Mn producidas por MIM, se encontró que todavía había una pérdida significativa de Mn (2,25%) debido a la volatilización durante la sinterización, la impureza de oxígeno. El contenido es alto (0,32% en peso), y la densidad relativa alcanzó sólo aproximadamente el 93%. El mecanismo de deformación único y la alta porosidad dieron como resultado propiedades mecánicas relativamente pobres (resistencia a la tracción de 558 MPa y alargamiento del 10,8%). Por lo tanto, el presente trabajo informado tuvo como objetivo introducir y optimizar el contenido de carbono en la aleación MIM Fe-Mn, utilizando sinterización a presión y examinando la microestructura sinterizada resultante, las propiedades mecánicas y el correspondiente mecanismo de deformación mecánica.

En este estudio, se mezclaron polvos prealeados de Fe-35Mn (D50 = 14,0 µm) y grafito (D50 = 30,8 µm) con un sistema aglutinante multicomponente (60 % en peso de parafina + 36,5 % en peso de polietileno de alta densidad + 3,5% en peso de ácido esteárico) para producir la materia prima MIM, con una carga de polvo al 58% en volumen. También se preparó materia prima de Fe-35Mn sin adición de carbono para comparar las propiedades sinterizadas. La materia prima granulada se moldeó por inyección para producir muestras de piezas verdes de Fe-35Mn-0,5C, que tenían una longitud de 108 mm y un diámetro de 3,8 mm, como se muestra en la Fig. 1 (c).

Se utilizó un método de desaglutinación de dos pasos, que implica la desaglutinación con disolvente (diclorometano, 40 °C, 8 h), seguida de una desaglutinación térmica (argón, 600 °C, 1 h). Luego, las muestras liberadas se sinterizaron a 1200°C durante 7 h bajo una atmósfera de bajo vacío (10-1 Pa) o una atmósfera de argón usando una presión aplicada de 5 atm. La selección de la temperatura de sinterización y el tiempo de mantenimiento se refirió principalmente a la presión de vapor de equilibrio de Mn establecida por los autores en su estudio publicado anteriormente.

Se descubrió que una pequeña cantidad de vapor de Mn volatilizado se evacuaba continuamente durante la sinterización al vacío, promoviendo la pérdida continua de Mn durante el proceso de sinterización. Sin embargo, este problema se evitó durante la sinterización a presión, lo que reduce drásticamente la volatilización del Mn y garantiza la estabilidad de la composición de la aleación. La Tabla 1 muestra el contenido elemental y la densidad relativa de las tres composiciones investigadas. Como puede verse, la densidad relativa del Fe-35Mn sinterizado a presión con 0,5% de adición de carbono (PS0,5) alcanzó el 97%. Se encontró que los poros de la aleación sinterizada al vacío (VS) tenían formas irregulares, mientras que los poros de la aleación PS y PS0.5 sinterizada a presión en argón eran finos y uniformes.

La figura 2 muestra que la resistencia a la tracción de la aleación Fe-Mn-0,5C sinterizada a presión alcanzó 778 MPa, lo que supone un aumento significativo en comparación con la aleación Fe-Mn sin C, y el alargamiento aumentó al 35%. El aumento significativo en la resistencia y la plasticidad se atribuyó a la optimización del proceso de sinterización a presión y al contenido de carbono, que en combinación ayudaron a aumentar la densidad.

Los autores concluyeron que la microestructura sinterizada a presión altamente densa del Fe-35Mn-0,5C mostraba una composición de fase de austenita uniforme, plasticidad inducida por macla y un mecanismo de crecimiento de macla acelerado por carbono, todos los cuales son responsables de sus excelentes propiedades mecánicas.

www.mdpi.com/journal/metals

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