Улучшенные механические характеристики биоразлагаемого железа MIM.

28 апреля 2023 г.

Поделитесь в своей сети:

Разлагаемые металлические биоматериалы — это новое семейство сплавов, которые могут быть использованы в медицинских имплантатах с временной функцией. Эти сплавы рассматриваются в качестве потенциальной замены коррозионностойких сплавов, используемых в настоящее время для ортопедических, сердечно-сосудистых и педиатрических имплантатов. Разработка материалов на основе железа представляет особый интерес для несущих конструкций, при этом Mn рассматривается как один из наиболее перспективных легирующих элементов.

Исследования показали, что количество Mn, высвобождаемое при разложении сплавов на основе FeMn в жидкостях организма, намного ниже, чем уровень их токсичности в крови, и организм также может рационально метаболизировать постепенное высвобождение Mn. При этом электродный потенциал Mn ниже, чем у Fe; бесконечный твердый раствор, образованный Fe-Mn, имеет более высокий коррозионный потенциал; а когда содержание Mn превышает 29 мас.%, сплавы Fe-Mn обладают единственной аустенитной фазой, что улучшает совместимость с магнитно-резонансной томографией (МРТ). Добавление C может еще больше повысить скорость деградации сплавов на основе FeMn за счет образования локальных гальванических элементов и одновременно улучшить прочность и пластичность сплавов Fe-Mn.

Исследования в Государственной ключевой лаборатории порошковой металлургии Китая Центрального Южного университета в сотрудничестве со Второй больницей Сянъя, также расположенной в Центральном Южном университете в Чанше, показали, что сплав Fe-35Mn с добавкой 0,5C имеет низкую летучесть Mn. высокая плотность и благоприятные механические свойства при производстве методом литья под давлением металла. Результаты исследования были опубликованы в статье Е Чжана и др. под названием «Повышение механических характеристик биоразлагаемого сплава Fe-Mn, полученного методом литья под давлением металла и незначительным добавлением углерода», в журнале Metals, 12, 884, 23 мая. , 2022, 9 с.

Авторы заявили, что в своей предыдущей работе по определению механических и деградационных свойств разлагаемых сплавов Fe-Mn, произведенных MIM, было обнаружено, что все еще наблюдаются значительные потери Mn (2,25%) из-за улетучивания во время спекания, примеси кислорода содержание высокое (0,32 мас.%), а относительная плотность достигает лишь примерно 93%. Единый механизм деформации и высокая пористость привели к относительно плохим механическим свойствам (прочность при растяжении 558 МПа и удлинение 10,8%). Таким образом, настоящая работа, о которой сообщается, была направлена ​​​​на введение и оптимизацию содержания углерода в сплаве MIM Fe-Mn с использованием спекания под давлением и исследование полученной спеченной микроструктуры, механических свойств и соответствующего механизма механической деформации.

В данном исследовании предварительно легированные порошки Fe-35Mn (D50 = 14,0 мкм) и графита (D50 = 30,8 мкм) были смешаны с многокомпонентной связующей системой (60 мас. % парафина + 36,5 мас. % полиэтилена высокой плотности + 3,5 мас.% стеариновой кислоты) для получения сырья MIM с содержанием порошка 58 об.%. Сырье Fe-35Mn также было приготовлено без добавления углерода для сравнения свойств спекания. Гранулированное сырье было подвергнуто литью под давлением для получения образцов сырой детали Fe-35Mn-0,5C длиной 108 мм и диаметром 3,8 мм, как показано на рис. 1(c).

Использовали двухстадийный метод удаления связующих, включающий удаление связующих растворителем (дихлорметан, 40°C, 8 часов) с последующим термическим удалением связующих (аргон, 600°C, 1 час). Затем открепленные образцы спекали при температуре 1200°С в течение 7 ч в атмосфере низкого вакуума (10–1 Па) или в атмосфере аргона с приложенным давлением 5 атм. Выбор температуры спекания и времени выдержки в основном основывался на равновесном давлении паров Mn, установленном авторами в их ранее опубликованных исследованиях.

Было обнаружено, что небольшое количество паров улетученного Mn постоянно откачивалось во время вакуумного спекания, способствуя постоянной потере Mn во время процесса спекания. Однако этой проблемы удалось избежать при спекании под давлением, что резко снижает улетучивание Mn и обеспечивает стабильность состава сплава. В таблице 1 показано элементное содержание и относительная плотность трех исследованных композиций. Как видно, относительная плотность спеченного под давлением Fe-35Mn с 0,5% добавкой углерода (PS0,5) достигла 97%. Установлено, что поры сплава, спеченного в вакууме (ВС), имеют неправильную форму, тогда как поры сплавов ПС и ПС0,5, спеченных под давлением в аргоне, мелкие и однородные.