PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE AMOSTRAS DE FERRO PURO, OBTIDAS POR METALURGIA DO PÓ CONVENCIONAL E POR INJEÇÃO

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1 PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE AMOSTRAS DE FERRO PURO, OBTIDAS POR METALURGIA DO PÓ CONVENCIONAL E POR INJEÇÃO D. P. Wermuth (1), V. Martins (1), A. C. Tavares (2), M. G. Borba (2), L. Schaeffer (2) Instituto Federal Sul-rio-grandense Câmpus Sapucaia do Sul (1) Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2) Universidade Federal do Rio Grande do Sul Av. Bento Gonçalves, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. diego.wermuth@ufrgs.br RESUMO Nos últimos anos, avanços significativos foram feitos no desenvolvimento de materiais biocompatíveis e biodegradáveis para aplicações médicas. Neste estudo foram analisadas as propriedades físicas e mecânicas de corpos de prova produzidos com Ferro puro. As peças foram produzidas por metalurgia do pó convencional e por moldagem de pós metálicos por injeção para a utilização na área médica. Uma das características destes processos é a porosidade apresentada nos produtos finais, logo, facilitaria a adesão de fármacos e proporcionaria maior degradabilidade/absorção do componente no corpo humano. O pó utilizado na fabricação das peças foi encaminhado para analise de granulometria, os corpos de prova foram submetidos a análises de porosidade, densidade a verde e sinterizada, dureza, microdureza, ensaio de tração e metalografia. Palavras chaves: Moldagem de pós metálicos por injeção; Metalurgia do pó convencional; Biomateriais. 3986

2 INTRODUÇÃO O estudo de biomateriais degradáveis tem sido um dos tópicos mais avançados no campo de pesquisa de biomateriais. Atualmente, órteses comerciais apresentam mais de 99,5% em peso de ferro. O ferro possui grande força radial devido ao seu alto módulo de elasticidade [1] e o processo de biodegradação envolvem a oxidação de ferro a íons ferrosos e sua dissolução em fluidos corporais [2], [3]. Os íons ferrosos reduzem a proliferação de células musculares lisas em condições in vitro e este processo pode inibir uma lesão chamada Hiperplasia Neointimal. Outra grande vantagem da aplicação de ferro puro, relatada por estudos, é a diminuição da trombogenicidade sem toxicidade local. Um estudo sobre a biodegradação de ferro comercialmente puro foi realizado por Moleman (2012), a fim de caracterizar a taxa de corrosão e degradação em fluidos corporais sintéticos para aplicações biomédicas, como scaffolds para engenharia de tecidos [2]. O processo convencional da metalurgia do pó consiste na utilização de pós metálicos e não metálicos para a confecção de peças confiáveis, dentro de uma ferramenta com formato desejado pela aplicação de pressão. As peças feitas por metalurgia do pó possuem certa porosidade, que pode ser controlada por fatores como: pressão de compactação, temperatura e tempo de sinterização, tamanho e forma das partículas de pó, entre outros fatores [4]. A moldagem por injeção de metal (MIM) é um processo de fabricação pelo qual o metal finamente pulverizado é misturado com uma quantidade de material aglutinante para formar um "feedstock" para ser utilizado por um equipamento similar com aos de processamentos de plástico [5]. Este processo permite injetar diversos materiais, tais como: ferro e ligas ferrosas, titânio e suas ligas [6], [7], níquel e suas ligas [8], aço inoxidável [9] [10], ligas magnéticas [11] e cerâmica ligas com W [12]. Desde o início do processo MIM, a geração total de patentes excedeu 300 no ano de 2000 [13]. MATERIAIS E MÉTODOS O pó utilizado neste estudo foi fornecido pela empresa TCK com uma pureza de 99,5% e com um tamanho de partícula entre 10 e 20 micrômetros. 3987

3 Para determinar o tamanho das partículas foi utilizado a técnica de difração por laser, que é um método pelo qual as partículas são dispersas em um fluido em movimento causando descontinuidades no fluxo do fluido, que são detectadas por uma luz incidente e correlacionadas com o tamanho da partícula. As amostras analisadas foram compactadas em uma matriz cilíndrica de aço temperado AISI D6 com uma prensa hidráulica Eka com capacidade máxima de 40 toneladas. A ferramenta de compressão tinha 13,0 mm de diâmetro interno e 50,0 mm de altura, juntamente com o punção inferior de 15 mm de altura e o punção superior de 60 mm de altura. Nesta etapa a pressão de compactação foi definida através da curva de compressibilidade descrita pela norma ASTM B331 [14. 15], que é definida como a capacidade de uma certa quantidade de pó densificar sob a ação de uma pressão de compressão. A mistura de ligantes poliméricos e pós metálicos para obtenção do feedstock foi realizada em um reômetro de torque da marca HaakeRhecord EU3V. As amostras foram injetadas em uma máquina Arburg allrounder 170s e após foram encaminhadas para o processo de extração química por Hexano com temperatura entre 50 a 70 C durante 6 horas. A sinterização das peças foram realizadas em forno tubular elétrico, com atmosfera de 75% de nitrogênio e 25% de hidrogênio. O ciclo de sinterização proposto, após a extração térmica, consistiu em aquecimento da temperatura ambiente até 600 C com taxa de aquecimento de 5 C / min e 10 C / min até a temperatura final de sinterização em 1150 ºC, permanecendo nesta temperatura por 60 min. O resfriamento foi realizado em forno até a temperatura ambiente. Foi realizado a dureza Brinell nas peças sinterizadas com um durômetro MRS de acordo com a norma ASTME10 [14]. Também foi realizada a microdureza Vickers de acordo com a norma ASTM 384 [15] no equipamento Insise ISH-TDV As amostras foram encaminhadas para metalografia, realizada de acordo com o preparo padrão, sendo lixadas com lixa de óxido de alumínio com 100, 200, 400, 600, 800, 1000 e 1200 "mesh" sendo polidas com pasta de alumina 1μm [16]. As amostras polidas foram observadas por um microscópio óptico para avaliar a porosidade e após, encaminhadas para ataque químico com 2% do reagente Nital, para revelar o tamanho do grão. O microscópio óptico utilizado para a análise metalográfica era da marca 3988

4 OLYMPUS. As amostras sinterizadas foram encaminhadas para ensaio de tração realizadas de acordo com a ASTM A370. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 1 mostra a morfologia em SEM do pó de ferro utilizado. Pode ser visto que o pó exibe as formas esféricas com uma distribuição homogênea de tamanhos de partícula. A morfologia apresentada pelo pó é devido ao seu processo de produção por atomização. Através das imagens obtidas observase que a superfície das partículas de pó de ferro é lisa, sem protuberâncias significativas. Figura 1. Micrografias de MEV da morfologia do pó de ferro de (a) 500 X e (b) 2000 X. Observa-se em relação ao diâmetro, apresentado pela amostra de pó de ferro analisada, que 10% das partículas possuem um diâmetro de 2,70 micrômetros, 50% das partículas possuem um diâmetro de 6,61 micrômetros e 90% têm um diâmetro de 13,36 micrômetros. Portanto, o diâmetro médio das partículas tem um diâmetro de 7,47 micrômetros. A densidade do ferro puro compactado e sinterizado é mostrada na Figura

5 Figura 2. Densidade do ferro puro compactado e sinterizado. A densidade do ferro puro sinterizado atingiu uma densidade de 7,28 a 7,42 g / cm³ na pressão de MPa. A metalografia de amostra de ferro puro compactado com 1000 MPa de pressão é mostrada na Figura 3: sem ataque químico (A) e corrosão do Nital 2% (B). Figura 3. Metalografia de ferro puro compactado sem ataque químico (A) e com ataque Nital 2% (B). Observa-se na Figura 3 (A), que a amostra apresenta baixa porosidade (áreas mais escuras). A figura (B) apresenta grão de diferentes tamanhos, que 3990

6 estão entre 10 a 30 mícrons os menores e grãos maiores entre 100 e 150 mícrons. A dureza Brinell das amostras apresentam um desvio padrão médio de ± 6,32 HB. Isso ocorre porque a porosidade é diferente em pontos específicos das amostras. Observou-se que a porosidade influencia na dureza da seguinte forma: quanto maior a pressão de compactação, menor a porosidade e maior a dureza das amostras de ferro puro. Observa-se também de 600 MPa a 1000 MPa de pressão que a dureza oscila na mesma faixa, indicando que o material compactado a partir de 600 MPa obtém densidade de acordo com a literatura. Na microdureza Vickers, observa-se que amostras compactadas entre 600 MPa a 1000 MPa de pressão que a microdureza oscila na mesma faixa, e o valor médio foi de 120 HV. Baseado na literatura, utilizou-se a seguinte proporção para confecção da carga de injeção: 60% da carga (por volume) de pó metálico, que foram injetados em diversas amostras. A Figura 4 mostra o resultado da micrografia realizada no feedstock desenvolvido. Figura 4. Micrografia do feedstock. Observa-se na Figura 4 que o tamanho de partícula está entre 2 e 9 micrômetros e está bem distribuído sobre o polímero. O resultado da variação do tamanho de partícula do pó utilizado é um excelente indicador para a fabricação de cargas injetáveis e o processo apresentou alta repetitividade dos valores físicos medidos nas amostras. 3991

7 As amostras injetadas obtiveram a densidade de 4,95 ± 0,05 g / cm³. Após a etapa de sinterização, a densidade das barras de tração alcançou as maiores densidades, atingindo 6,84 g / cm³ com um valor médio de 6,50 ± 0,4 g/cm³. Este controle foi extremamente importante para entender o comportamento das ceras e polímeros estruturais durante a extração química e térmica. A metalografia da amostra sinterizada, processada por injeção, é mostrada na Figura 5: sem ataque químico (A) e com ataque Nital 2% (B). Figura 5. Metalografia de ferro puro sinterizado, processado por injeção, sem ataque químico (A) e com ataque de Nital 2% (B). A partir das micrografias da Figura 5, observa-se que a porosidade está distribuída homogeneamente e os poros são pequenos permitindo uma alta densidade da peça sinterizada. O tamanho de grão apresentado nas amostras injetadas e sinterizadas ficaram entre 5 a 10 micrômetros. Os valores medidos de microdureza, apresentaram grande desvio padrão, ± 15 HV. A microdureza medida nas bordas dos corpos de prova ficaram entre 62,9-90 HV e no núcleo das amostras entre 62,4 80 HV. As medidas de dureza Brinnel também apresentaram uniformidade, na borda dos corpos de prova ficaram entre HB e no núcleo entre HB. As diferenças entre as regiões, tanto na microdureza quanto na dureza das amostras, demonstram a repetibilidade do processo de fabricação das amostras injetadas. 3992

8 Após o ensaio de tração pode-se observar que o ferro puro tem um módulo de elasticidade muito menor que o aço (207 GPa). A força média de escoamento foi de 111,0 MPa e a resistência à tração média foi de 188,8 MPa da amostra de ferro puro. Comparando os resultados obtidos neste estudo com o ferro puro recozido, observa-se que os valores obtidos foram semelhantes aos da literatura, cuja força de escoamento é de 130 MPa e a resistência à tração de 262 MPa. A diferença nos valores deve-se ao fato que as amostras de ferro puro deste estudo apresentam porosidade. CONCLUSÕES Após as analises e dos ensaios realizados é possível chegar as seguintes conclusões: A pressão de compactação de 600 MPa e o tamanho de partícula de 10 micrômetros alcançaram densidades de acordo com a literatura; A densidade de amostras compactadas e sinterizadas variaram entre 7,28 a 7,42 g / cm³, dando um resultado satisfatório de 94,46% em relação à densidade do ferro puro; As amostras injetadas de ferro puro micrométricas obtiveram a densidade verde dentro do valor médio de 5,0 ± 0,1 g / cm³. Após a sinterização, as amostras obtiveram densidade de 6,84 g / cm³ com valor médio de 6,50 ± 0,4 g / cm³; O tamanho do grão ficou entre aproximadamente 5 a 10 micrômetros e a variação da dureza da borda estava entre 62,9 e 90 HV. No núcleo estava entre 62,4 a 80,5 HV. A dureza obtida na borda ficou entre 42 a 50 HB e no núcleo entre 38 e 43 HB; O valor médio da resistência a tração foi de 188,8 MPa para as amostras de ferro puro. REFERÊNCIAS [1] GARG, S., PATRICK W. SERRUYS, M. Coronary Stents. Current Status Journal of the American College of Cardiology. 10, 2010, Vol

9 [2] ZEMA, L., LORETI, G., MELOCCHI, A., MARONI, A., GAZZANIGA A. Injection Molding and its applica-tion to drug delivery. Journal of Controlled Release,. 2012, Vol. 159, pp [3] GOPINATH MANI, MARC D. FELDMANB, DEVANG PATEL, C. MAULI AGRAWAL. Coronary stents: A materi-als perspective. Biomaterials , Vols. 28,, pp [4] SANDEROW, H. Management & Engineering Technologies. Powder Metallurgy Methods and Design. In: INTERNATIONAL, A. ASM Metals Handbook v7 - Powder Metal Technologies and Applications. 9ª. ed. Ohio, EUA: ASM International, v. 7, p [5] DAVIES, P. A.; DUNSTAN, G. R.; HAYWARD, A. C. E. H. R. I. L. Development of master alloy powders, including nickel-based superalloys, for metal injection molding (MIM), Altrincham, p. 12. Disponivel em: < wders/technical_papers/development-of-master-alloy-powders.pdf>. Acesso em: 07 maio [6] QUINARD, C.; SONG, J.; BARRIERE, T. E. G. J. C. Elaboration of PIM feedstocks with 316L fine stainless steel powders for the processing of microcomponents. Powder Technology, 208, [7] LIU, L.; LOH, N. H.; TAY, B. Y. E. T. S. B. Microstructure evolution of 316L stainless steel micro components prepared by micro powder injection molding. Powder Technology, 206, [8] SILVA, A. et al. Study of soft magnetic iron cobalt based alloys processed by powder injection molding. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 320,

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11 TITLE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF PURE IRON SAMPLES, OBTAINED BY POWDER METALURGY AND METAL INJECTION MOULDING ABSTRACT Significant advances have been made in the development of biocompatible and biodegradable materials for medical applications. In this study the physical and mechanical properties of test specimens produced with pure iron were analyzed. The parts were produced by conventional powder metallurgy and metal injection moulding for use in the medical components. One of the characteristics of these processes is the porosity presented in the final products, thus facilitating drug adhesion and providing greater degradability / absorption of the component in the human body. The samples were submitted to porosity analysis, green and sintered density, hardness, microhardness, tensile test and metallography. Keywords: Metal injection moulding; Powder metallurgy; Biomaterials. 3996