Prestazioni meccaniche migliorate del Fe biodegradabile MIM

28 aprile 2023

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I biomateriali metallici degradabili sono una nuova famiglia di leghe con il potenziale per l'uso in impianti medici con una funzione temporanea. Queste leghe sono considerate potenziali sostituti delle leghe resistenti alla corrosione attualmente utilizzate per impianti ortopedici, cardiovascolari e pediatrici. Lo sviluppo di materiali a base di ferro è stato di particolare interesse per le applicazioni portanti, dove il Mn è considerato uno degli elementi di lega più promettenti.

Gli studi hanno riportato che la quantità di Mn rilasciata dalla degradazione delle leghe a base di FeMn nei fluidi corporei è molto inferiore al loro livello di tossicità nel sangue e il corpo può anche metabolizzare razionalmente il rilascio graduale di Mn. Nel frattempo, il potenziale dell'elettrodo di Mn è inferiore a quello di Fe; la soluzione solida infinita formata da Fe-Mn ha un potenziale di corrosione più elevato; e, quando il contenuto di Mn è superiore al 29% in peso, le leghe Fe-Mn possiedono una singola fase austenite, migliorando la compatibilità con la risonanza magnetica (MRI). L'aggiunta di C può migliorare ulteriormente la velocità di degradazione delle leghe a base FeMn formando celle galvaniche locali e contemporaneamente migliora la resistenza e la plasticità delle leghe Fe-Mn.

La ricerca presso il Laboratorio statale cinese di metallurgia delle polveri, Università del Sud Centrale, in collaborazione con il Secondo Ospedale XiangYa, anch'esso situato presso l'Università del Sud Centrale, Changsha, ha dimostrato che la lega Fe-35Mn con l'aggiunta di 0,5C ha una bassa volatilità di Mn, alta densità e proprietà meccaniche favorevoli se prodotto mediante stampaggio a iniezione di metalli. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in un articolo intitolato "Enhanced Mechanical Performance of a Biodegradable Fe–Mn Alloy Manufactured by Metal Injection Moulding and Minor Carbon Addition", di Ye Zhang, et al., in Metals, 12, 884, 23 maggio , 2022, 9 pp.

Gli autori hanno affermato che, nel loro precedente lavoro sulla determinazione delle proprietà meccaniche e di degradazione delle leghe degradabili Fe-Mn prodotte dal MIM, si era riscontrato che c'era ancora una significativa perdita di Mn (2,25%) dovuta alla volatilizzazione durante la sinterizzazione, l'impurità dell'ossigeno il contenuto è elevato (0,32 in peso%) e la densità relativa ha raggiunto solo il 93% circa. Il singolo meccanismo di deformazione e l'elevata porosità hanno prodotto proprietà meccaniche relativamente scarse (resistenza alla trazione di 558 MPa e allungamento al 10,8%). Il presente lavoro riportato mirava quindi a introdurre e ottimizzare il contenuto di carbonio nella lega MIM Fe-Mn, utilizzando la sinterizzazione a pressione, ed esaminando la microstruttura sinterizzata risultante, le proprietà meccaniche e il corrispondente meccanismo di deformazione meccanica.

In questo studio, polveri pre-legate di Fe-35Mn (D50 = 14,0 µm) e grafite (D50 = 30,8 µm) sono state miscelate con un sistema legante multicomponente (60% in peso paraffina + 36,5% in peso polietilene ad alta densità + 3,5% in peso di acido stearico) per produrre la materia prima MIM, con caricamento di polvere al 58% in volume. Anche la materia prima Fe-35Mn è stata preparata senza aggiunta di carbonio per il confronto delle proprietà sinterizzate. La materia prima pellettizzata è stata stampata ad iniezione per produrre campioni di parte verde Fe-35Mn-0,5C, aventi una lunghezza di 108 mm e un diametro di 3,8 mm, come mostrato in Fig. 1 (c).

È stato utilizzato un metodo di deceraggio in due fasi, che prevedeva il deceraggio con solvente (diclorometano, 40°C, 8 h), seguito dal deceraggio termico (argon, 600°C, 1 h). I campioni debound sono stati quindi sinterizzati a 1200°C per 7 ore in un'atmosfera a basso vuoto (10−1 Pa) o in un'atmosfera di argon utilizzando una pressione applicata di 5 atm. La scelta della temperatura di sinterizzazione e del tempo di mantenimento si riferiva principalmente alla pressione di vapore di equilibrio di Mn stabilita dagli autori nel loro studio precedentemente riportato.

Si è riscontrato che una piccola quantità di vapore di Mn volatilizzato veniva continuamente evacuata durante la sinterizzazione sotto vuoto, favorendo la continua perdita di Mn durante il processo di sinterizzazione. Tuttavia, questo problema è stato evitato durante la sinterizzazione a pressione, che riduce drasticamente la volatilizzazione del Mn e garantisce la stabilità della composizione della lega. La tabella 1 mostra il contenuto elementare e la densità relativa delle tre composizioni studiate. Come si può vedere, la densità relativa del Fe-35Mn sinterizzato a pressione con l'aggiunta dello 0,5% di carbonio (PS0.5) ha raggiunto il 97%. Si è scoperto che i pori della lega sinterizzata sotto vuoto (VS) avevano forme irregolari, mentre i pori delle leghe PS e PS0,5 sinterizzate a pressione in argon erano fini e uniformi.