Verbesserte mechanische Leistung von MIM biologisch abbaubarem Fe

28. April 2023

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Abbaubare metallische Biomaterialien sind eine neue Familie von Legierungen mit dem Potenzial für den Einsatz in medizinischen Implantaten mit temporärer Funktion. Diese Legierungen gelten als potenzieller Ersatz für die korrosionsbeständigen Legierungen, die derzeit für orthopädische, kardiovaskuläre und pädiatrische Implantate verwendet werden. Die Entwicklung eisenbasierter Werkstoffe war für tragende Anwendungen von besonderem Interesse, wobei Mn als eines der vielversprechendsten Legierungselemente gilt.

Studien haben gezeigt, dass die Menge an Mn, die durch den Abbau von FeMn-basierten Legierungen in Körperflüssigkeiten freigesetzt wird, viel geringer ist als deren Toxizitätsniveau im Blut, und dass der Körper die allmähliche Freisetzung von Mn auch rational verstoffwechseln kann. Unterdessen ist das Elektrodenpotential von Mn niedriger als das von Fe; die durch Fe-Mn gebildete unendliche feste Lösung weist ein höheres Korrosionspotential auf; und wenn der Mn-Gehalt mehr als 29 Gew.-% beträgt, besitzen Fe-Mn-Legierungen eine einzelne Austenitphase, was die Kompatibilität mit Magnetresonanztomographie (MRT) verbessert. Die Zugabe von C kann die Abbaurate von FeMn-basierten Legierungen durch die Bildung lokaler galvanischer Zellen weiter verbessern und gleichzeitig die Festigkeit und Plastizität von Fe-Mn-Legierungen verbessern.

Untersuchungen am staatlichen Schlüssellabor für Pulvermetallurgie Chinas an der Central South University in Zusammenarbeit mit dem Second XiangYa Hospital, das sich ebenfalls an der Central South University in Changsha befindet, haben gezeigt, dass eine Fe-35Mn-Legierung mit einem Zusatz von 0,5 C eine geringe Mn-Flüchtigkeit aufweist. hohe Dichte und günstige mechanische Eigenschaften bei der Herstellung durch Metallspritzguss. Die Ergebnisse der Forschung wurden in einem Artikel mit dem Titel „Enhanced Mechanical Performance of a Biodegradable Fe-Mn Alloy Manufactured by Metal Injection Moulding and Minor Carbon Addition“ von Ye Zhang et al. in Metals, 12, 884, 23. Mai veröffentlicht , 2022, 9 S.

Die Autoren gaben an, dass in ihrer früheren Arbeit zur Bestimmung der mechanischen und Abbaueigenschaften von durch MIM hergestellten abbaubaren Fe-Mn-Legierungen festgestellt wurde, dass aufgrund der Verflüchtigung der Sauerstoffverunreinigung beim Sintern immer noch ein erheblicher Mn-Verlust (2,25 %) auftrat Der Gehalt ist hoch (0,32 Gew.-%) und die relative Dichte erreicht nur etwa 93 %. Der einzelne Verformungsmechanismus und die hohe Porosität führten zu relativ schlechten mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit von 558 MPa und Dehnung von 10,8 %). Die vorliegende Arbeit zielte daher darauf ab, den Kohlenstoffgehalt in der MIM-Fe-Mn-Legierung durch Drucksintern einzuführen und zu optimieren und die resultierende gesinterte Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften und den entsprechenden mechanischen Verformungsmechanismus zu untersuchen.

In dieser Studie wurden vorlegierte Fe-35Mn-Pulver (D50 = 14,0 µm) und Graphitpulver (D50 = 30,8 µm) mit einem Mehrkomponenten-Bindemittelsystem (60 Gew.-% Paraffin + 36,5 Gew.-% hochdichtes Polyethylen +) gemischt 3,5 Gew.-% Stearinsäure) zur Herstellung des MIM-Rohstoffs mit einer Pulverbeladung von 58 Vol.-%. Zum Vergleich der Sintereigenschaften wurde auch Fe-35Mn-Ausgangsmaterial ohne Kohlenstoffzusatz hergestellt. Das pelletierte Ausgangsmaterial wurde spritzgegossen, um die Fe-35Mn-0,5C-Grünteilproben mit einer Länge von 108 mm und einem Durchmesser von 3,8 mm herzustellen, wie in Abb. 1(c) gezeigt.

Es wurde eine zweistufige Entbinderungsmethode verwendet, die eine Lösungsmittelentbinderung (Dichlormethan, 40 °C, 8 Stunden) und anschließend eine thermische Entbinderung (Argon, 600 °C, 1 Stunde) umfasste. Die entbinderten Proben wurden dann 7 Stunden lang bei 1200 °C unter einer Niedrigvakuumatmosphäre (10–1 Pa) oder einer Argonatmosphäre unter einem angelegten Druck von 5 atm gesintert. Die Wahl der Sintertemperatur und der Haltezeit bezog sich hauptsächlich auf den Gleichgewichtsdampfdruck von Mn, den die Autoren in ihrer zuvor veröffentlichten Studie ermittelt hatten.

Es wurde festgestellt, dass während des Vakuumsinterns kontinuierlich eine kleine Menge verflüchtigter Mn-Dampf evakuiert wurde, was den kontinuierlichen Verlust von Mn während des Sinterprozesses begünstigte. Dieses Problem wurde jedoch beim Drucksintern vermieden, was die Verflüchtigung von Mn drastisch reduziert und die Stabilität der Legierungszusammensetzung gewährleistet. Tabelle 1 zeigt den Elementgehalt und die relative Dichte der drei untersuchten Zusammensetzungen. Wie ersichtlich, erreichte die relative Dichte des druckgesinterten Fe-35Mn mit 0,5 % Kohlenstoffzusatz (PS0,5) 97 %. Es wurde festgestellt, dass die Poren der vakuumgesinterten (VS) Legierung unregelmäßige Formen aufwiesen, während die Poren der in Argon druckgesinterten PS- und PS0,5-Legierungen fein und gleichmäßig waren.

Abb. 2 zeigt, dass die Zugfestigkeit der druckgesinterten Fe-Mn-0,5C-Legierung 778 MPa erreichte, was eine deutliche Steigerung im Vergleich zur Fe-Mn-Legierung ohne C darstellt, und dass die Dehnung auf 35 % erhöht wurde. Die deutliche Steigerung der Festigkeit und Plastizität wurde auf die Optimierung des Drucksinterprozesses und des Kohlenstoffgehalts zurückgeführt, was in Kombination zur Erhöhung der Dichte beitrug.

Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die hochdichte druckgesinterte Mikrostruktur von Fe-35Mn-0,5C eine gleichmäßige Austenitphasenzusammensetzung, durch Zwillingsbildung induzierte Plastizität und einen durch Kohlenstoff beschleunigten Zwillingswachstumsmechanismus aufweist, die alle für seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften verantwortlich sind.

www.mdpi.com/journal/metals

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