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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, 17033-

360, 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

TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

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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

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 H2O, HNO3 e HF na proporção volumétrica de 30: 5: 2

(9) utilizando-

se 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

semelhança com o difratograma do titânio (10) concluindo que a liga

apresenta a mesma estrutura cristalina.

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 4.


216

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 10oC/min até 1000 oC, permanecendo 24 horas nesta


217

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

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 700oC,


219

temperatura abaixo da beta-transus (770oC), não ocorreu mudança de

fase.


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 beta-

transus (8).



220


Os ensaios de microdureza Vickers foram realizados utilizando-se

um microdurômetro da marca Shimadzu, modelo HMV-2. A carga utilizada

foi de 1.941 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 1ºC/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 ± 13 272 ± 17 220 ± 21 248 ± 19 263 ± 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

mesma estrutura cristalina. A Figura 12 mostra um decaimento destes

valores de acordo com o aumento da quantidade de oxigênio.

260 280 300 320 340

98

100

102

104

106

Ti5Ni#1

Ti5Ni#2

Ti5Ni#3

Ti5Ni#4

Ti5Ni#5

Mó

du

lo d

e Y

ou

ng

(G

Pa

)

Temperatura (K)

Figura 11: Módulo de elasticidade dinâmico das amostras em função da temperatura.

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

98

99

100

101

102

103

104

Mó

du

lo d

e Y

ou

ng

(G

Pa

)

Quantidade de oxigênio (% p)

Figura 12: Módulo de elasticidade em função da quantidade de oxigênio na temperatura de 37

oC.


222

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

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AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a CAPES, FAPESP E CNPQ pelo suporte

financeiro.


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