EFEITOS DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS NA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA TI5%PNI PARA USO COMO BIOMATERIAL

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1 EFEITOS DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS NA MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES MECÂNICAS DA LIGA TI5%PNI PARA USO COMO BIOMATERIAL Daniela Cascadan, Carlos Roberto Grandini UNESP Univ. Estadual Paulista, Lab. Anelasticidade e Biomateriais, , Bauru, SP, Brasil RESUMO Dentre as classes de biomateriais mais importantes e utilizadas estão as ligas de titânio. Além da biocompatibilidade é importante que um material para implante apresente propriedades mecânicas satisfatórias que permitem longo tempo de uso no organismo. Para melhorar tais propriedades, são utilizados diferentes tratamentos térmicos e dopagem com oxigênio. A presença do oxigênio intersticial provoca deformações na rede cristalina provocando aumento da dureza e modificações nas propriedades anelásticas resultando na diminuição do módulo de elasticidade. A liga foi preparada a partir da fusão dos metais precursores, tratada térmica e mecanicamente, além de ser dopada com oxigênio, originando amostras com condições diferentes de processamento. Em cada condição, a liga foi caracterizada em termos de quantidade de oxigênio, difração de raios X e microscopia óptica. Também foram analisadas propriedades como microdureza e módulo de elasticidade. PALAVRAS-CHAVES: ligas de titânio, oxigênio intersticial, propriedades mecânicas. Among the most important and used class of biomaterials are titanium alloys. In addition to biocompatibility is important that an implant material present satisfactory mechanical properties that allow long-term use in the body. To improve such properties are used different heat treatment and doping with oxygen. The presence of interstitial oxygen in the crystal lattice deformation causes increase of hardness and causing 213

2 modifications in anelasticity and decreased modulus of elasticity. The alloy was prepared from the fusion of metal precursors, treated thermally and mechanically, and is doped with oxygen, resulting samples with different processing conditions. In each condition, the alloy was characterized in terms of amount of oxygen, X-ray diffraction and optical microscopy. Were also analyzed properties such as hardness and modulus of elasticity. Keywords: titanium alloys, interstitial oxygen, mechanical properties INTRODUÇÃO O titânio puro é um elemento biocompatível, mas suas propriedades como módulo de elasticidade, resistência mecânica e ao desgaste não são satisfatórias para as diversas aplicações específicas como odontológicas, ortopédicas e dispositivos de fixação (1). Ademais, biomateriais utilizados tradicionalmente vêm apresentando efeitos adversos como liberação de íons tóxicos como Ni, V, Al, Co, Cr que é o caso da liga mais amplamente utilizada Ti-Al-V e riscos de falhas devido ao alto módulo de elasticidade (aço inoxidável 316 L e ligas Co-Cr) (2). Estudos anteriores foram sido realizados com ligas de titânio que contém elementos tais como Nióbio (3), Molibdênio (4), Zircônio (5) e Tântalo (6) e dopagem com oxigênio intersticial. Os resultados mostraram que o oxigênio intersticial também aumenta a dureza e modifica as propriedades anelásticas (7), acarretando o aumento ou diminuição do módulo de elasticidade. Os objetivos deste trabalho são a preparação da liga Ti-5%pNi, a partir da fusão à arco dos metais precursores e sua caracterização em termos estrutural, microestrutural e de propriedades mecânicas em diferentes condições de processamento e dopagens com oxigênio intersticial. 214

3 PARTE EXPERIMENTAL As amostras foram obtidas através dos metais comercialmente puros por fusão em forno a arco voltaico em atmosfera inerte de argônio utilizando um cadinho de cobre refrigerado à água. A tabela I mostra a composição química dos lingotes obtidos da fusão dos metais por meio de solubilização das amostras em meio ácido utilizando-se um espectrômetro de emissão óptica com plasma induzido: Tabela I: Resultados da análise química. Elemento Al Cr Cu Fe Mo Ni Mn C Ti 0,008 0,008 0,001 0,070 0,070 5,27 0,020 0,119 balanço 0,005 0,008 0,001 0,070 <0,001 5,36 0,020 0,124 balanço Os lingotes obtidos apresentaram as seguintes microestruturas características da fase alfa do titânio (8). Figura 1: Microscopia óptica da liga obtida após fusão. As amostras foram polidas e feito ataque químico com H 2 O, HNO 3 e HF na proporção volumétrica de 30: 5: 2 (9) utilizandose um Microscópio Olympus BX51M. Os difratogramas (Figura 2) foram obtidos utilizando-se o método do pó e Radiação Cu-Kα com comprimento de onda de 1,544 Å, corrente de 20 ma e potencial de 40kV. Modo de tempo fixo com passo de 0,02 e tempo de permanência de 3,2 segundos, no intervalo de 20 a 100 utiliando-se um Difratômetro Rigaku D/Max-2100PC. Observa-se a 215

4 semelhança com o difratograma do titânio (10) apresenta a mesma estrutura cristalina. concluindo que a liga Figura 2: Difratogramas dos lingotes obtidos após fusão dos metais e do titânio. Em seguida, os lingotes sofreram um processo de forjamento rotativo a quente com aquecimento entre 780 a 860 C seguido da redução das dimensões em uma máquina FENN para a conformação em barras. Nesta condição a amostra foi nomeada de #1. As demais condições sofreram tratamentos térmicos no sistema de ultra-alto vácuo mostrado na Figura 3 e seu esquema na figura

5 Figura 3: Sistema para tratamentos térmicos e dopagens de amostras. Figura 4: Esquema do sistema de tratamentos térmicos e dopagens. Para a redução das deformações resultantes deste processo, as demais amostras sofreram um tratamento térmico de homogeneização ou recozimento que consiste em aquecimento a partir da temperatura ambiente a 10 o C/min até 1000 o C, permanecendo 24 horas nesta 217

6 temperatura e igual taxa de resfriamento, originando a amostra de condição #2. As demais condições foram obtidas por tratamentos adicionais, inclusive a dopagem com oxigênio intersticial conforme o esquema da Figura 5: Figura 5: Nomenclatura das amostras após tratamentos mecânico e térmicos em sistema de ultra alto vácuo. A quantidade de oxigênio das amostras (Tabela II) foi obtida por fusão sob gás inerte e detecção por infravermelho por meio de analisador de gases LECO TC-400. Tabela II: Conteúdo de oxigênio nas amostras. Amostra Ti5Ni#1 Ti5Ni#2 Ti5Ni#3 Ti5Ni#4 Ti5Ni#5 %p Oxigênio 0,14 ± 0,05 0,26 ± 0,01 0,142 ± 0,004 0,22 ± 0,02 0,37 ± 0,01 Os difratogramas das amostras estão representados na Figura 6. Em todas as condições, observam-se os picos referentes às estruturas hexagonal compacta α e martensítica α (#4 e #5) do titânio (10). 218

7 Figura 6: Difratogramas das amostras em todas as condições de estudo. A Figura 7 mostra a microestrutura da liga de condição #2 que apresenta pacotes ou colônias lamelares de estrutura alfa do titânio maiores em relação à liga após fusão em virtude do processo de recozimento e baixa taxa de resfriamento que permitiu o processo de difusão em grande escala (11). Figura 7: Microscopia óptica da amostra Ti5Ni#2. A microestrutura da amostra de condição #3 (Figura 8) é semelhante à #2, pois no tratamento térmico adicional, até 700 o C, 219

8 temperatura abaixo da beta-transus (770 o C), não ocorreu mudança de fase. Figura 8: Microscopia óptica da amostra Ti5Ni#3. As figuras 9 e 10 mostram as microestruturas das amostras que sofreram o processo de dopagem com oxigênio e apresentam estruturas lamelares menores conhecida como basket-weave martensíticas (α ) devido ao resfriamento rápido a partir de uma temperatura acima da betatransus (8). Figura 9: Microscopia óptica da amostra Ti5Ni#4. 220

9 Figura 10: Microscopia óptica da amostra Ti5Ni#5. Os ensaios de microdureza Vickers foram realizados utilizando-se um microdurômetro da marca Shimadzu, modelo HMV-2. A carga utilizada foi de N por um tempo de 60 segundos, sendo realizadas cinco identações. O módulo de elasticidade dinâmico foi calculado a partir das frequências das oscilações livres do sistema (12). Para isso foi utilizado um pêndulo de torção operando em vácuo da ordem de 10-7 Torr e taxa de aquecimento de 1 º C/min. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela III mostra os valores de microdureza, sendo o maior valor referente à condição #1 devido às altas deformações causadas pelo processo de conformação. Nas demais, os valores são maiores quanto maior a quantidade de oxigênio e estruturas lamelares menores (3, 13). Tabela III: Valores de microdureza vickers em todas as condições. Amostra Ti5Ni#1 Ti5Ni#2 Ti5Ni#3 Ti5Ni#4 Ti5Ni#5 Microdureza (HV) 306 ± ± ± ± ± 21 A Figura 11 mostra que os valores de módulo de Young para as amostras coincidem com o valor do titânio puro (14), pois apresentam a 221

10 Módulo de Young (GPa) Módulo de Young (GPa) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico mesma estrutura cristalina. A Figura 12 mostra um decaimento destes valores de acordo com o aumento da quantidade de oxigênio Ti5Ni#1 Ti5Ni#2 Ti5Ni#3 Ti5Ni#4 Ti5Ni# Temperatura (K) Figura 11: Módulo de elasticidade dinâmico das amostras em função da temperatura ,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Quantidade de oxigênio (% p) Figura 12: Módulo de elasticidade em função da quantidade de oxigênio na temperatura de 37 o C. 222

11 CONCLUSÕES Neste trabalho foram preparadas e caracterizadas amostras da liga Ti-5%pNi. Os difratogramas mostram que não houve modificações nas posições dos picos o que significa que as amostras apresentam estruturas monofásicas α e α. As micrografias mostram a estrutura basket-weave no caso das amostram que sofreram resfriamento rápido acima da temperatura β-transus, enquanto que estruturas lamelares maiores foram observadas nas amostras cujo processo de resfriamento lento permitiu os processos de difusão em grande escala. Os resultados de microdureza confirmam que a presença de átomos diferentes e estruturas com grãos menores aumentam seu valor. Os valores de módulo de elasticidade mostraram que esta propriedade nas ligas diminui de acordo com o aumento da quantidade de oxigênio. Conclui-se que a condição que apresenta maior potencial para uso como biomateriais é a #2, já que o valor de módulo de elasticidade é menor e sua microestrutura é estável. REFERÊNCIAS 1. D. M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen. Titanium in Medicine - Engineering Materials. Berlin & Heidelberg, Germany, Springer-Verlag, M. B. Nasab, M. Hassan. Metallic Biomaterials of Knee and Hip - A Review. Trends Biomater. Artif. Organs, 2010, Vol. 24, p L. M. Silva, A. P. R. A. Claro, T. A. G. Donato, V. E. Arana-Chavez, J. C. S. Moraes, M. A. R. Buzalaf, C. R. Grandini. Influence of Heat Treatment and Oxygen Doping on the Mechanical Properties and Biocompatibility of Titanium- Niobium Binary Alloys. Artificial Organs, 2011, Vol. 35, p J. R. S. Martins Jr, R. A. Nogueira, R. O. Araújo, T. A. G. Donato, V. E. Arana-Chavez, A. P. R. A. Claro, J. C. S. Moraes, M. A. R. Buzalaf, C.R. Grandini. Preparation and characterization of Ti-15Mo alloy used as biomaterial. Materials Research, 2011, Vol. 14, p X. Zhao, M. Niinomi, M. N. T. Ishimoto, T Nakano. Development of high Zrcontaining Ti-based alloys with low Young's modulus for use in removable implants. Materials Science and Engineering, 2011, Vol. 31, p Y. Zhou, M Niinomi. Ti 25Ta alloy with the best mechanical compatibility in Ti Ta alloys for biomedical applications. Materials Science and Engineering, 2009, Vol. 29, p A. Puskár. Internal Friction of Materials. Cambridge International Science Publishing, Londres, G. Lϋtjering, J. C. Willians. Titanium Engeneering Materials and Processes. New York, 2ª Edição, Ed. Springer,

12 9. A. A. Khamei, K. A. Dehghani. Study on the Mechanical Behavior and Microstructural Evolution of Ni60 wt% Ti40 wt% (60Nitinol) Intermetallic Compound During Hot Deformation. Materials Chemistry and Physics, 2010, Vol. 123, p P. Majumbar, S. B. Singh, M. Chakraborty. Elastic modulus of biomaterials titanium alloys by nano-identation and ultrasonic techniques a comparative study. Materials Science and Engeneering, 2008, Vol. 489, p W. D. Callister. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ª Edição. Editora Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, C.A.F. Pintão, L.H. Almeida, C.R. Grandini. Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, 2006, Vol. 25, p N. Poondla, T.S. Srivatsan, A. Patnaik, M. Petraroli. A study of the microstructure and hardness of two titanium alloys: Commercially pure and Ti 6Al 4V. Journal of Alloys and Compounds, 2009, Vol. 486, p C. Leyens, M. Peters. Titanium and Titanium Alloys, Willey, New York, AGRADECIMENTOS financeiro. Os autores agradecem a CAPES, FAPESP E CNPQ pelo suporte 224