Forjamento a Frio de Hastes de Prótese Total de Quadril Com Propriedades Mecânicas Híbridas

FORJAMENTO A FRIO DE HASTES DE PRTESE TOTAL DE QUADRIL COM PROPRIEDADES MECNICAS HBRIDAS

Lopes, E. S. N.(1); Contieri, R. J.(1); Cardoso, F. F.(1); Cremasco, A.(1); Button, S.

T.(1); Caram, R.(1)

(1) UNICAMP/FEM/DEMA CP 6122, CEP 13083-970, Campinas, SP, Brasil

e-mail: [email protected]

RESUMO

As ligas de titnio do tipo constituem um dos mais versteis grupos de

materiais no tocante s propriedades mecnicas. Aspectos como o tipo de

elementos de liga, o processamento mecnico e as rotas de tratamentos trmicos

aplicados capacitam esses materiais em aplicaes onde h a necessidade de

comportamento mecnico hbrido. Este trabalho objetivou produzir, a partir de liga do

sistema Ti-Nb, hastes metlicas de prteses totais de quadril com propriedades

mecnicas hbridas. Para tanto, lingotes foram produzidos via fuso a arco e

submetidos a tratamentos trmicos especficos que viabilizaram o forjamento a frio.

Na sequncia, a caracterizao das amostras envolveu a aplicao de tcnicas de

difrao de raios-X, microscopia eletrnica de varredura, ensaios de dureza Vickers

e de trao. Os experimentos realizados permitiram examinar os efeitos de

parmetros de tratamentos trmicos na microestrutura e no comportamento

mecnico. Finalmente, os resultados obtidos mostram que a aplicao de

tratamentos trmicos especficos tempera e de envelhecimento tornam vivel a

fabricao de dispositivos ortopdicos com propriedades hbridas, o que inclui

regies onde a alta resistncia mecnica foi priorizada, enquanto que em outras, o

baixo mdulo de elasticidade foi a prioridade.

Palavras-chave: Ligas de titnio, tratamento trmico, propriedades mecnicas e

implantes ortopdicos.

19 Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais CBECiMat, 21 a 25 de novembro de 2010, Campos do Jordo, SP, Brasil

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INTRODUAO

A seleo de um material a ser empregado na confeco de implantes

ortopdicos implica em satisfazer uma srie de requisitos, principalmente em relao

resistncia mecnica, biocompatibilidade, resistncia corroso, entre outros (1).

No caso de materiais metlicos aplicados em ortopedia, algumas ligas de titnio

podem atender satisfatoriamente a tais requisitos, quando o objetivo substituir

partes danificadas da articulao do quadril, por implantes articulados. Esses

implantes so geralmente formados por trs partes: um acetbulo que preso ao

quadril, confeccionado em material polimrico, uma haste metlica que inserida no

fmur e uma esfera fabricada em material metlico ou cermico, que fixada na

haste metlica (2). Na fabricao dessa haste metlica possvel empregar diversos

tipos de materiais, incluindo ligas de titnio, aos inoxidveis ou ligas base de Cr,

Co e Mo. Todavia, a escolha do material da haste da prtese est baseada

principalmente em fatores econmicos, medida que as ligas de titnio, apesar de

exibirem diversas vantagens tcnicas, tm custo bastante superior. Enquanto o

custo mdio de uma haste em ao inoxidvel de R$ 800,00, o da haste em liga Ti-

6Al-4V de R$ 3.000,00, que no contemplada pela tabela SUS (Servio

Unificado de Saude do Governo Federal do Brasil). Associado ao desenvolvimento

de ligas de titnio com alto grau de biocompatibilidade est a necessidade de

obteno de um material com mdulo de elasticidade inferior aos valores das ligas

de titnio tradicionais (tipo +), visto que estudos recentes sugerem que a haste

metlica de uma prtese com mdulo de elasticidade reduzido possibilita melhor

distribuio de tenses na regio do fmur (3). O desenvolvimento de novas ligas de

titnio para aplicaes ortopdicas um tema que necessariamente deve explorar

as ligas do tipo , que alm de exibirem comportamento mecnico compatvel com

essas aplicaes, so obtidas a partir de elementos no txicos e no alrgicos,

como por exemplo o Nb, que possibilitam tambm a reduo significativa no custo

final do implante.

O objetivo do presente trabalho foi produzir e caracterizar uma liga de titnio

de baixo custo e fabricar hastes de prteses de quadril com desempenho e custos

otimizados. O trabalho se props a: (a) avaliar os efeitos de tratamentos trmicos de

envelhecimento na evoluo microestrutural e nas propriedades, (b) avaliar o

comportamento mecnico e os mecanismos de fratura em amostras submetidas a


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ensaios de trao e (c) Propor processo de fabricao de hastes de prteses de

quadril por forjamento a frio e com o comportamento mecnico hbrido.

MATERIAIS E MTODOS

Lingotes de 100 g da liga Ti-30Nb foram preparados por fuso a arco voltaico

em forno com eletrodo no consumvel de tungstnio, cadinho de cobre refrigerado e

cmara com atmosfera inerte de gs Ar. Aps a fuso, os lingotes foram

encapsulados em tubo de quartzo com atmosfera parcial de gs Ar,

homogeneizados a 1000 C por 12 horas, seguido de resfriamento ao forno. A

composio qumica dos lingotes foi determinada por fluorescncia de raios-X

(Rigaku RIX 3100) e anlise de O e N (Leco TC 400). Para a confeco dos corpos

de prova de trao e da pr-forma da haste da prtese total de quadril os lingotes

foram submetidos a forjamento rotativo a quente (~ 850 C) com posterior usinagem

que possibilitou a remoo da camada de xido superficial e a obteno das

geometrias desejadas.

Os corpos de prova de trao foram solubilizados no campo a 1000 C por 1

h e submetidos a tratamentos trmicos de tempera e envelhecimento (simples e

duplo). Para tal, esses foram encapsulados em tubos de quartzo em procedimento

descrito anteriormente. No tratamento trmico de envelhecimento simples, as

amostras foram aquecidas a partir da temperatura ambiente at 260 C (a uma taxa

de 15 C/min), permanecendo neste patamar de temperatura por um perodo de 2 h

e posteriormente, resfriadas ao ar. No envelhecimento duplo, seguindo o mesmo

procedimento, as amostras foram submetidas ao patamar de 260 C por 4 h,

acrescido por novo aquecimento at o patamar de 400 C onde permaneceram

pelos perodos de tempo de 4 h, 8 h e 24 h e logo em seguida, foram resfriadas ao

ar. O envelhecimento duplo teve como objetivo obter microestrutura com matriz de

fase reforada com precipitados finamente dispersos da fase . Ensaios de trao foram realizados em uma mquina universal (EMIC DL2000)

a uma taxa de 2 mm/min. As superfcies de fratura foram analisadas por microscopia

eletrnica de varredura (Jeol JXA 840-A). As fases presentes foram determinadas

por difrao de raios-X (Panalytical Xpert PRO) e a dureza Vickers (Buehler 2100)

com carga de 0,2 kgf por 15 s.

Para aumentar a conformabilidade da pr-forma da haste da prtese de quadril,

ela foi solubilizada no campo e resfriada rapidamente em gua. Posteriormente, foi


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empregada a conformao a frio (em prensa hidrulica), subdividida nas etapas de

dobramento e forjamento da haste. Objetivando eliminar os efeitos do processo de

conformao e proporcionar maior resistncia mecnica, solubilizou-se e temperou-

se a haste, como descrito anteriormente, e em seguida a mesma foi submetida a

envelhecimento duplo, 260 C por 4 h e 400 C por 24 h.

As propriedades mecnicas desejadas para a haste e propostas neste trabalho

foram obtidas pelo aquecimento localizado (acima da temperatura transus) da

regio inferior da haste, com utilizao de espira de induo, seguido de

resfriamento em gua. A caracterizao da haste da prtese envolveu anlise do

perfil de dureza Vickers ao longo da seco longitudinal. A Fig. 1 ilustra de forma

esquemtica a configurao para realizao do tratamento trmico localizado e a

seco longitudinal analisada.

(a) (b)

Fig. 1. (a) Ilustrao da montagem utilizada para o tratamento trmico localizado e

(b) seco longitudinal da haste da prtese analisada por dureza Vickers (em mm).

RESULTADOS E DISCUSSES

A composio qumica dos lingotes experimentais e resultados obtidos nos

ensaios de trao e dureza Vickers so apresentados nas Tab. 1 e 2,

respectivamente.

Na condio temperada, a liga Ti-30Nb apresenta valores muito prximos aos

materiais convencionais utilizados na fabricao de implantes (ao inoxidvel 316L

recozido e Ti grau 2). As fractografias da Fig. 2(a-b) mostram para essa condio,

do ponto de vista macroscpico, fratura com comportamento dctil, com expressiva


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reduo de rea e alongamento e o micro-mecanismo de dimples. Tal fato deve-se

presena das fases dcteis e , que foram confirmadas por difrao de raios-X. O

tratamento trmico de envelhecimento a 260 C por 2 h promoveu aumento da

resistncia trao, do limite de escoamento, do mdulo de elasticidade e da

dureza, com reduo da ductilidade. Quanto superfcie de fratura, pode-se

observar na Fig. 2(c d) a presena de dimples de tamanhos distintos e reduo de

rea diminuda.

Tab. 1. Composio qumica dos lingotes experimentais.

Amostra Composio (% em peso)

Nb O N

Corpos de prova de trao 30,5 0,2 0,12 0,04 0,010 0,05

Haste da prtese de quadril 30,4 0,12 0,008

Tab. 2. Influncia do tratamento trmico na microestrutura e propriedades

mecnicas.

Tratamento Trmico

e(0,2%) (MPa)

t

(MPa) E

(GPa) L (%)

Dureza Vickers

Fases Presentes

Tempera 311 21 532 20, 61 7 30 6 194 10 +

260 C 2 h 469 22 579 6 80 12 20 6 290 11 + +

400 C 4 h 785 20 826 24 110 10 0,8 0,1 424 9 + +

400 C 8 h 752 32 773 31 107 12 0,7 0,1 433 5 + +

400 C 24 h 962 5 972 6, 121 7 0,8 0,1 396 12 + +

Os corpos de prova submetidos a tratamento de envelhecimento a 400 C

pelos tempos de 4, 8 e 24 h apresentaram acentuado aumento na resistncia

trao, no limite de escoamento, no mdulo de elasticidade e na dureza Vickers e

baixssima ductilidade. Esse comportamento est diretamente relacionado

decomposio da fase ortorrmbica e nucleao e crescimento das fases

hexagonal compacta e hexagonal simples, e , respectivamente (4). A deteriorao

da ductilidade e do mdulo de elasticidade deve-se ao fato dessas fases mais duras

apresentarem estruturas cristalinas mais complexas, com poucos planos de

deslizamento e distncias interplanares e atmicas anisomtricas, quando

comparadas matriz CCC da fase . Essa combinao faz com que os microme-

canismos de fratura sejam alterados para uma condio mista em que fratura


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transgranular e dimples podem ser observados (Fig. 2 e f). A reduo de rea

praticamente inexistente.

Para a fabricao da haste da prtese de quadril com as propriedades hbridas,

como descrito anteriormente, foi utilizado o processo de conformao a frio

subdivido em 2 etapas: dobramento da pr-forma e forjamento final seguido de

tratamento trmico localizado.

Fig. 2. Fractografias de MEV dos corpos de prova de trao nas condies: (a - b)

temperado, (c d) envelhecido a 260 C por 2 h e (e f) envelhecido a 400 C por

24 h.

Os valores mdios de dureza Vickers foram correlacionados com as

propriedades mecnicas apresentadas na Tab. 2. A Fig. 3 mostra a prtese

fabricada com a liga Ti-30Nb com considervel diferena entre os valores de dureza

nas regies superior (413,4 16,4 HV) e inferior (192,6 11,2 HV). Baseando-se

nesses resultados de dureza estimou-se o limite de escoamento em

aproximadamente 900 MPa e o mdulo de elasticidade em 120 GPa contra 310

MPa e 62 GPa, respectivamente.

Fig. 3. Haste da haste da prtese de quadril com propriedades mecnicas

dedicadas. Parte superior com alto limite de escoamento e parte inferior com baixo

mdulo de elasticidade.

192,6 HV e ~ 310 MPa* E ~ 62 GPa*

413,4 HV e ~ 900 MPa* E ~ 120 GPa*

a c e

b d f


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CONCLUSES

Os resultados obtidos permitiram concluir que:

a) A liga Ti-30Nb na condio temperada exibe resistncia trao de

aproximadamente 500 MPa. Aps tratamento trmico de envelhecimento, a

resistncia trao aumentou atingindo valores acima de 900 MPa. Todavia,

medida que altos valores de resistncia trao foram obtidos, a ductilidade

reduziu-se drasticamente, principalmente pela precipitao das fases e .

b) possvel viabilizar a fabricao de uma haste de prtese total de quadril por

meio de forjamento a frio sem trincas ou outros defeitos que inviabilizem o processo.

A aplicao de condies especficas de tratamento trmico haste permitiu

otimizar o comportamento mecnico da mesma. Enquanto a parte inferior foi

solubilizada e temperada em gua, a parte superior foi tambm submetida a

tratamento trmico de envelhecimento. Os resultados obtidos por meio de

mapeamento de dureza permitem afirmar que tal configurao de tratamento trmico

factvel. Tais resultados permitem afirmar que possvel planejar o

comportamento mecnico em funo da natureza da solicitao mecnica da regio

da haste.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem FAPESP, CAPES e CNPq pelo suporte financeiro.

REFERNCIAS

1. GEETHA, M.; SINGH, A. K.; ASOKAMANI, R.; GOGIA, A. K. Ti based

biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants A review, Progress in

Materials Science, v. 54, p. 397-425, 2009.

2. PLOEG, H.; BRGI, M.; WYSS, U. P. Hip stem fatigue test prediction.

International Journal of Fatigue, v. 31, p. 894-905, 2009.

3. NIINOMI, M. Recent research and development in titanium alloys for biomedical

applications and healthcare goods, Science and Technology of Advanced

Materials, v. 4, p. 445-454, 2003.


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4. MANTANI, Y.; TAJIMA, M. Phase transformation of quenched martensite by aging in Ti-Nb alloys. Materials Science and Engineering A, v. 438-440, pp. 315-

319, 2006.

COLD FORGING STEM OF TOTAL HIP PROSTHESIS WITH HYBRID MECHANICAL PROPERTIES

Lopes, E. S. N.(1); Contieri, R. J.(1); Cardoso, F. F.(1); Cremasco, A.(1); Button, S.

T.(1); Caram, R.(1)

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Brazil

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ABSTRACT

Type Ti alloy is one of the most versatile groups of materials with regard to

mechanical properties. Aspects such as alloying elements selection, mechanical

processing and heat treatment routes empower these materials in applications where

hybrid mechanical behavior is necessary. The aim of this study is to produce stems

of total hip prostheses with hybrid mechanical properties using Ti-Nb alloys. Ingots

were produced by using arc melting. Following, samples were subjected to specific

heat treatment aiming to make cold forging. Sample characterization includes X-ray

diffraction, scanning electron microscopy, Vickers hardness tests and tensile test.

The experiments performed allowed to examine the effects of heat treatment

parameters on the microstructure and mechanical behavior. Finally, results obtained

show that the application of specific heat treatments of quenching and aging makes

feasible the manufacturing of orthopedic devices with hybrid mechanical properties

with regions where high mechanical strength was prioritized, while in others, low

elastic modulus was the main concern.

Key-words: Titanium alloys, heat treatment, mechanical properties and orthopedic

implants.


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