Forjamento de hastes de próteses femorais em liga de titânio tipo beta

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17 CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguau, PR, Brasil.

FORJAMENTO DE HASTES DE PRTESES FEMORAIS EM LIGA DE TITNIO TIPO

G.T. Aleixo1, S.T. Button1, R. Caram1 1. Universidade Estadual de Campinas, C.P. 6122, Campinas, SP, 13083-970, Brasil; email: giorgia@fem.unicamp.br

RESUMO Ligas de titnio formam a classe mais verstil de ligas para uso em implantes ortopdicos. Devido a sua tima combinao de propriedades como alta resistncia mecnica, boa resistncia corroso e elevada biocompatibilidade, as ligas de titnio do tipo so as mais promissoras como biomaterial. O objetivo deste trabalho foi avaliar o processo de forjamento da liga Ti-35Nb (% em peso) e produzir atravs do mesmo uma haste metlica semelhante s utilizadas em prteses totais de quadril. Para tanto, ligas Ti-35Nb foram fundidas, tratadas termicamente e conformadas. As amostras foram caracterizadas por microscopia tica e por medidas de dureza Vickers em diferentes regies. Os resultados obtidos indicam que o tratamento termo-mecnico de ligas Ti-35Nb leva a microestruturas diferenciadas quanto a bandas de deformao, o que resulta em distinto comportamento mecnico. Palavras-chave: ligas de titnio, microestrutura, transformao de fase. INTRODUO Materiais metlicos como a liga Co-Cr e o ao 316L so largamente utilizados como biomateriais na fabricao de implantes ortopdicos devido a tima combinao de alta resistncia mecnica e elevada resistncia corroso.(1) Entretanto, toxidade e problemas alergnicos somados a altos mdulos de elasticidade so caractersticas tpicas desses materiais, as quais constantemente levam a cirurgias de reviso dos dispositivos implantados(1).

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Em uma situao oposta encontram-se o titnio e suas ligas. Tais materiais, em funo da alta biocompatibilidade, alta resistncia corroso e propriedades mecnicas favorveis so considerados como a classe de biomateriais mais promissora quando a questo tratada refere-se a implantes ortopdicos(2). O titnio comercialmente puro foi inicialmente aplicado em implantes ortopdicos no inicio dos anos 60. Como sua resistncia mecnica no considerada apropriada em caso de solicitao mecnica elevada, os dispositivos para implantes ortopdicos passaram a ser confeccionados com as ligas de titnio. Dessas ligas, certamente a mais utilizada atualmente refere-se liga + Ti6Al-4V. Tal material foi desenvolvido para ser aplicado no campo militar e aeronutico e suas caractersticas levaram-na a ser utilizada como biomaterial. Como o vandio tido como um elemento pouco tolerado pelo corpo humano, estudos levaram ao desenvolvimento de outras ligas do tipo +, em particular aquelas base de Nb e Fe(3). Entretanto, em se tratando de ligas do tipo +, o mdulo de elasticidade das mesmas muito elevado em comparao com o de ossos corticais, pois diversos estudos sugerem que a transferncia inadequada de esforos entre a prtese e os ossos da regio implantada pode levar rejeio e perda do implante. Como alternativa nesse caso, uma nova classe de ligas de titnio denominada tipo e constitudas, por elementos altamente biocompatveis passou a ser desenvolvida. Exemplos dessas ligas incluem a liga Ti-13Nb-13Zr, a Ti-5Mo-5z-3Al e a Ti-29Nb-3Ta-4,5 Zr, que alm de exibirem baixo mdulo elstico combinado com alta resistncia mecnica, exibem ainda elevada biocompatibilidade. Nessas ligas, o nibio que um elemento estabilizador, permite reduzir sensivelmente o mdulo de elasticidade da liga. Alm disso, a presena controlada da fase na microestrutura abre a possibilidade de utilizar tratamentos trmicos que resultem no endurecimento por envelhecimento(4). Processamentos termomecnicos so freqentemente utilizados em ligas de Ti para obter uma combinao de propriedades favorveis, bem como conformar o material na forma do produto final. No caso de implantes ortopdicos fabricados a partir do titnio, a tcnica de forjamento a quente o processo mais utilizado. Nesse processo, a amostra aquecida em altas temperaturas onde a fase estvel e em seguida, conformada plasticamente. Tal temperatura no pode ser muito elevada

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sob risco de provocar oxidao demasiada da amostra, como tambm no pode estar fora dos limites onde a fase estvel. Essa ltima condio tem sua origem nos mecanismos de deformao plstica das fases e . A maioria dos elementos metlicos cristaliza-se com estruturas altamente densas, ou seja, as estruturas cbica de corpo centrado (CCC), cbica de face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC). Uma anlise dos mecanismos de deformao plstica por deslizamento de planos revela que a facilidade de deformao plstica maior nas estruturas CFC, intermediria na estrutura CCC e menor nas estruturas HC. Portanto, no caso do titnio, esse tipo de anlise permite explicar a elevada ductilidade da fase quando a mesma comparada fase . Em uma estrutura hexagonal compacta pode-se afirmar que o nmero de sistemas de deslizamento igual a trs. Em contrapartida, no caso das estruturas CCC, esse nmero 12. Por outro lado, a facilidade de deformao plstica de um metal pode ser avaliada pela distncia mnima necessria para um plano se deslizar, bmin(5). Tal distncia refere-se ao espaamento interatmico dividido pelo respectivo parmetro de rede, a. Enquanto a estrutura HC exibe bmin=1.aHC, a estrutura CCC exibe bmin=0,87. aCCC. Tais valores permitem concluir que a energia necessria ao movimento de planos, ou seja, deformao plstica menor na estrutura CCC (fase ) que na HC (fase ). Assim, a utilizao de ligas do sistema Ti-Nb na fabricao de implantes ortopdicos pode ser bastante interessante pelas seguintes razes: o nibio um elemento altamente biocompatvel, sua adio ao titnio leva estabilizao da fase temperatura ambiente. Tal estabilizao leva reduo do mdulo de elasticidade do titnio de valores prximos a 110 GPa a valores prximos a 70 GPa, o que depende de tratamentos trmicos subseqentes. Alm disso, a presena da fase na microestrutura conduz ao aumento da conformabilidade, facilitando o processo de forjamento, sem que para isso temperaturas muito elevadas sejam aplicadas. Em adio, vale ainda lembrar que a presena da fase permite que atravs de tratamentos trmicos em baixas temperaturas, a resistncia mecnica do produto final seja significativamente aumentada pela precipitao de outras fases. Neste contexto, a principal motivao para o desenvolvimento do presente trabalho realizar o processo de forjamento da liga Ti-35Nb (% em peso) e produzir atravs do mesmo uma haste metlica semelhante s utilizadas em prteses totais de quadril.

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MATERIAIS E MTODOS Amostras da liga Ti-35Nb foram fundidas em forno a arco voltaico sob atmosfera controlada de argnio, utilizando eletrodo de tungstnio no-consumvel e cadinho refrigerado a gua. Os materiais de partida utilizados foram Ti (99,84%) e Nb (99,99%). As amostras obtidas por meio de fuso em forno a arco foram deformadas a quente atravs de forjamento rotativo. O objetivo dessa conformao foi o de modificar a microestrutura do estado bruto de fuso, tornando-a refinada, alm de fornecer amostras com dimenses que permitissem a obteno de corpos de prova. O procedimento do forjamento rotativo a quente pode ser resumido em aquecimento at a temperatura de trabalho em um forno resistivo, nesse caso, entre 780 a 860C, seguido pela reduo das dimenses iniciais e posterior resfriamento ao ar. O tempo para a estabilizao da amostra na temperatura de trabalho foi de 20 minutos, sendo que entre duas etapas de deformao, a amostra era reaquecida por aproximadamente 5 minutos. Ao final do processo foi possvel obter cilindros com aproximadamente 12,0 mm de dimetro e 130,0 mm de comprimento. Esses cilindros foram usinados para se obter a geometria mostrada na figura 1. Essas amostras foram encapsuladas um tubo de quartzo com atmosfera de Ar para tratamento trmico de 1 h a 1000C visando a homogeneizao qumica e a eliminao do possvel encruamento. Posteriormente, as amostra foram temperadas em gua. As amostras resultantes foram ento forjadas com o intuito de obter os dispositivos para implante. Inicialmente, as amostras sofreram dobramento a quente (850C) com encharque de 15 minutos em ferramentas com lubrificante (graxa com MoS2 e leo mineral) aquecidas a aproximadamente 200C. A figura 2 exibe detalhes de um corpo de prova aps o dobramento.

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Figura 1. Detalhes do corpo de prova aps usinagem e pronto para o forjamento.

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Figura 2. Detalhes do corpo de prova aps o dobramento a quente. A etapa seguinte foi a conformao do prottipo da haste da prtese femoral. As amostras aquecidas a 900C com encharque de 15 minutos foram forjadas atravs de ferramentas (moldes na forma de haste femoral) com lubrificante (graxa com MoS2 e leo mineral) aquecidas a aproximadamente 200C. As amostras foram cortadas longitudinalmente e a preparao metalogrfica tradicional envolveu lixamento at lixa grana 1200 e posterior polimento com pasta de diamante de 6, 3 e 1 m lubrificado com lcool etlico. As amostras foram submetidas ao ataque qumico em soluo de Kroll consistindo em 5% em volume de HF, 30% em volume de HNO3 e 65% em volume de H2O para microscopia tica (Olympus BX60M). Os ensaios de dureza Vickers serviram para caracterizar as regies deformadas quanto ao comportamento mecnico bsico. A superfcie da amostra foi preparada para micro-anlise, isto , bem polida. As medida