RESUMO. Palavras-Chaves: corrosão, potenciometria, Ti-6Al-7Nb, AISI 304-L.

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1 ESTUDO DE OBTENÇÃO DA TAXA DE CORROSÃO DA LIGA BIOMÉDICA Ti-6Al-7Nb E DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 304L C. D. Camargo e N. G. Costa Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI CEP (35) Itajubá - MG costang@iem.efei.br RESUMO Com o avanço da medicina na área de implantes, um estudo mais detalhado dos materiais protéticos tem cada vez mais importância. O comportamento corrosivo se destaca entre esses estudos. O uso das técnicas de obtenção da taxa de corrosão permite obter o tempo de vida deste material e conseqüentemente a relação custo/benefício para a sua aplicação. Se o material não apresentar boa resistência a corrosão no meio fisiológico, poderá ser inviável o seu uso como prótese, mesmo se este passar em todos os requisitos mecânicos. Os materiais analisados neste estudo são o aço inoxidável AISI 304-L e a liga Ti-6Al-7Nb. As técnicas utilizadas foram a de circuito aberto e potenciometria. A primeira pode ser usada para se ter um prévio conhecimento do comportamento corrosivo das amostras e o seu tempo de estabilidade. Já a segunda técnica informa, graficamente, o comportamento corrosivo dos materiais durante todo o andamento das análises além de fornecer o potencial de corrosão (E corr ), corrente de corrosão (i corr ) e a taxa de corrosão que são os objetivos deste trabalho. A solução usada foi a de Ringer e os experimentos foram conduzidos a 37ºC e a um ph 7. Os resultados obtidos mostram que os dois materiais apresentam 0,476 mm/ano e 0,894 mm/ano, respectivamente para a liga de titânio e para o aço inoxidável. A liga de titânio mostrou uma melhor estabilidade quanto a variação da tensão ao longo do tempo e isto fornece uma indicação nítida de que estas apresentam uma melhor resistência a corrosão do que o aço inoxidável 304L dentro das condições ensaiadas. Palavras-Chaves: corrosão, potenciometria, Ti-6Al-7Nb, AISI 304-L. INTRODUÇÃO As próteses ortopédicas de aço inoxidável são as mais utilizadas no Brasil devido a seu custo viável dif erentemente da prótese de liga de titânio que tem um preço bem elevado devido ao alto custo da extração e purificação do titânio (1). Por outro lado as ligas de titânio são mais leves e apresentam propriedades mecânicas mais próximas do osso humano que a de aço inoxidável e hoje são muito utilizadas nos Estados Unidos, Reino Unido e Japão (2). A primeira prótese de titânio foi produzida usando a liga Ti-6Al-4V, por volta dos anos 40 e 50 (3). O uso desta liga hoje está limitado devido a estudos que indicam que o vanádio pode reagir com o organismo devido a sua toxicidade (4-5). Isto ainda não foi totalmente comprovado, contudo muitos fabricantes de próteses resolveram substituir o vanádio pelo nióbio. Desenvolveu-se assim a liga Ti-6Al-7Nb, muito utilizada como material para próteses. Este trabalho tem por objetivo obter as taxas de corrosão da liga Ti-6Al-7Nb e do aço inoxidável AISI 304L através das curvas de polarização potenciodinâmicas além de obter o tempo de estabilização destes materiais por circuito aberto. 2502

2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL As ligas usadas para os experimentos foram Ti-6Al-7Nb e o aço inoxidável AISI 304-L. As amostras foram cortadas com área de 0,5 cm 2 e em seguida coladas a um fio de cobre através de uma cola condutora a base de prata. As pontas dos fios foram estanhadas por solda a fim de diminuir o efeito da oxidação no cobre e que servirá de ponte por onde será aplicada uma corrente. As amostras depois de coladas ao fio foram embutidas em uma resina poliéster da marca Milflex de forma cilíndrica antiaderente de aproximadamente 2 cm 2. Em seguida estas amostras foram lixadas e polidas, a fim de se obter uma superfície lisa e sem defeitos. Para os experimentos em circuito aberto as amostras foram imersas em uma solução de Ringer, solução esta que simula o fluido fisiológico do sangue, o plasma. A solução foi mantida a 37 o C através de um equipamento de banho maria da marca QUIMIS. O ph foi controlado através do phmetro da marca Digimed DM-20. O eletrodo de trabalho (amostra) e o eletrodo de calomelano foram conectados a um voltímetro para fazer o teste de circuito aberto. O potencial de estabilização é aquele observado quando a voltagem não oscila mais de 1 mv a cada 10 minutos. Outra técnica utilizada foi a de potenciometria. Utilizando um potenciostato da marca Sensortechnik Meinsberg conectado a um computador com o software PS- Remote. Na potenciometria utilizam-se três eletrodos para o teste, que são calomelano, eletrodo de referencia (platina) e o eletrodo de trabalho (amostra). Todos os eletrodos são submersos na solução de Ringer e conectados ao potenciostato através de cabos do próprio aparelho. A Figura 1 apresenta a célula eletrolítica com os eletrodos de platina e calomelano e a Figura 2 apresenta o potenciostato conectado à célula. A Tabela I apresenta os parâmetro utilizados nos ensaios de corrosão. Ao término do teste, o software do potenciostato nos fornece o E corr (potencial de corrosão), i corr, (potencial de corrosão) e a taxa de corrosão. Fig 1. Célula eletrolítica. Fig 2. Potenciostato/Galvanostato PS- Remote 5 Tabela I Parâmetros do ensaio potenciométrico. Taxa de varredura 0,1667 (mv/s) Intervalo de polarização -800 mv à +800 mv Corrente máxima 2 A. Faixa de corrente Automática Modo Potenciométrico - Potencial x Corrente por área (E x ma/cm 2 ) RESULTADOS E DISCUSSÃO 2503

3 A Figura 3 apresenta o teste de circuito aberto do aço inoxidável 304 L. Observa-se que o potencial do aço cai sensivelmente nos primeiros 1000 minutos de tes te (praticamente 1/3 do tempo total). A partir do milésimo minuto o potencial do aço a curva tende a se estabilizar, mas a estabilização só acontece com 2600 minutos de teste (0,0274 volts). A Figura 4 apresenta o teste de circuito aberto da liga Ti-6Al-7Nb. O comportamento da liga Ti-6Al-7Nb é semelhante ao do aço, porém esta liga teve uma queda muito brusca somente nos primeiros 100 minutos e apesar de continuar alto no decorrer do teste, ela é menos acentuada. Ao atingir tempo de 1100 minutos, o potencial praticamente para de cair, atingindo estabilização em 1440 minutos (0,0206 volts). Neste trabalho considerou um material estável quando a variação do potencial não ultrapassa a 1 mv a cada 10 minutos. 0,35 0,30 0,25 Potencial (V) 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Tempo (min.) Fig 3 Curva de circuito aberto do aço inoxidável AISI 304-L. (E x Tempo) 0,35 0,30 0,25 Potencial (V) 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Tempo (min.) Fig 4 Curva de circuito aberto da liga de titânio Ti-6Al-7Nb (E x Tempo) 2504

4 A análise das Figuras 3 e 4 permite afirmar que a variação do potencial é praticamente a mesma nos dois materiais, porém a diferença no tempo de estabilização é que foi grande. A liga de titânio precisou de aproximadamente 57% do tempo gasto pelo aço para se estabilizar. Outro fato que e importante afirmar é que apesar da diferença de tempo ser grande, o comportamento das duas curvas são bem semelhantes. As Figuras 5 e 6 apresentam respectivamente o comportamento corrosivo do aço inoxidável AISI 304 L e da liga Ti-6Al-7Nb através da técnica de potenciometria. 5 Teste de corrosão por potenciometria do aço inoxidável AISI 304-L B 4 i/área (ma/cm^2) ,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E (V) Fig 5 Curva de polarização do aço inoxidável AISI 304-L 0,10 Teste de corrosão por potenciometria da liga de titânio Ti-6Al-7Nb B 0,08 i/área (ma/cm^2) 0,06 0,04 0,02 0,00-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E (mv) Fig 6 Curva de polarização da liga de titânio Ti-6Al-7Nb Como vimos nas Figuras 5 e 6, a liga de titânio tem um comportamento corrosivo muito mais resistente que o do aço, mantendo uma estabilidade por muito mais tempo. A corrente se mantem praticamente estável por um longo período, só vindo a ter pitting ou inclusões na região de transpassivação, ao contrario do aço que tem a corrente subindo durante todo o processo. A Tabela II apr esenta os resultados da taxa de corrosão das amostras. 2505

5 Tabela II - Taxa de Corrosão das amostras por Potenciometria Ti-6Al-7Nb Aço inoxidável AISI 304 L 0,476 mm/ano 0,894 mm/ano Como podemos observar na Tabela II, a liga Ti-6Al-7Nb teve uma corrosão bem menor que a do aço. Isto se deve também ao fato dos íons de Ti livres, da liga, reagirem com o oxigênio do meio e formar uma fina película passivadora de TiO 2 que é muito resistente e ajuda a protegê-la da corrosão. As Figuras 7a e 7b apresentam a Microscopia Óptica da liga de titânio após teste de potenciometria com aumento de 100X e 200X, respectivamente. Com o aumento de 100X é muito difícil observar qualquer forma de corrosão, porém o uso de maiores aumentos (200X) permite observar com mais nitidez os poucos pontos de corrosão (pitting), porém são este pontos são bem superficiais. Estes resultados permite afirmar que a liga de Ti-6Al-7Nb praticamente não sofre corrosão dentro das condições ensaiadas. (a) (b) Fig. 7 Micrografia da liga Ti-6Al-7Nb usando por microscopia óptica (a) aumento 100X (b) aumento 200 X CONCLUSÕES As técnicas de circuito aberto e potenciometria são muito eficientes no estudo da corrosão, como mostrado na análise da liga Ti-6Al-7Nb e do aço inoxidável AISI 304 L. No circuito aberto pode se analisar a variação do potencial por tempo e desta forma traçar o perfil de cada material. Na potenciometria foi analisado durante todo o teste o comportamento corrosivo dos materiais, podendo assim, saber quando acontece pitting, se o material passiva e se tem região de transpassivação. A liga de titânio apresenta resistência a corrosão melhor que a do aço inoxidável, além de se estabilizar num período de tempo bem mais curto. Isto se deve ao fato do titânio ser um elemento bastante estável e da liga formar uma fina camada passivadora de TiO 2 que é muito resistente a corrosão. Os valores de corrosão para a liga Ti-6Al-7Nb e aço inoxidável AISI 304 L foram respectivamente, 0,476 mm/ano e 0,894 mm/ano, mostrando que a liga tem uma vida útil bem maior que o aço inoxidável. REFERÊNCIAS 1- Campos Fo, M.P. Introdução à Metalurgia Extrativa e Siderurgia, Editora LTC/Funcamp, 1 Edição, Rio de Janeiro,

6 2 M. A. Khan, R. L. Williams and D. F. Williams. In Vitro Corrosion Wear of Titanium Alloys in the Biological Enviroment. Biomaterials, 1996, Vol. 17 N 22 Pag Fraker, A.C., Ruff, A.W. Metallic Surgical Implants: State of the Art. Journal of Metals. pp May, M. F. Lopéz, A. Gutiérrez and J. A. Jiménez. In Vitro Corrosion Behavior of Titanium Alloys Without Vanadium, 47, Issue 9, 15 February 2002, Pag V. A. R. Henriques, C. E. Bellinati, C. R. M. da Silva. Production of Ti- 6%Al-7%Nb Alloy by Powder Metallurgy (P/M). Elsevier Science B. V Pag

7 STUDY OF OBTAINING THE CORROSION RATE OF BIOMEDICAL MATERIALS Ti-6Al-7Nb AND STAINLESS STEEL AISI 304L ABSTRACT The advanced on medical implants makes the study of materials an interesting area. The corrosive behavior is one of the most important subject to be studied. The use of techniques to obtain the corrosion rate of biomedical materials permits to prevent the lifetime of them and consequently the relation cost/ for their application. If the material does not show good corrosion resistance in the physiological environmental, it can be not worth the use of it as biomedical material, even it has all mechanical requirements. The materials used in this study are stainless steel AISI 304L and Ti-6Al-7Nb. The techniq ues used are open circuit and Potentiometry. The first one can be used to know the previous stability time. The second one tells you graphically the corrosive behavior of the materials during the whole time of analysis. Besides it provides the corrosion potential, corrosion current and corrosion rate which are the mains aims of this work. The results show that both materials present mm/year and mm/year respectively for the titanium alloy and stainless steel. The titanium alloy show a better sta bility regards to potential change versus time and this is a clear indication of the better corrosion resistance of this alloy under the condition tested. Keywords: corrosion, potentiometry, Ti-6Al-7Nb, AISI 304 -L. 2508