Tehnologii de obtinere a materialelor si straturilor metalice poroase

Tehnologii de obtinere a materialelor si straturilor metalice poroase

Generalitati

Biomaterialele metalice poroase sunt utilizate in protezare ca straturi superficiale ce se depun pe suprafete metalice rigide in scopul facilitarii ancorarii si dezvoltarii tesutului viu pe suprafata implantului. Metalele poroase se obtin din pulberi metalice, prin sinterizare, sub forma de straturi sau piese.

In esenta, procedeul tehnologic consta in a supune pulberea metalica influentei presiunii si temperaturii ceea ce conduce la obtinerea unor compozitii structurale cu proprietati ce nu pot fi obtinute prin metodele conventionale de topire si turnare.

Pentru obtinerea produselor sau straturilor poroase se fac amestecuri omogene din pulberi care sunt apoi compactate prin presare intr-o matrita si legate fizic prin operatia numita sinterizare, tratament ce are loc la o temperatura mai scazuta decat temperatura de topire a componentului principal. In cursul sinterizarii particulele metalice se sudeaza superficial, porozitatea se reduce semnificativ, realizandu-se cresterea proprietatilor de rezistenta. Sinterizarea este apoi urmata de operatii finale ca: tratamente termice sau termodinamice, prelucrari mecanice, impregnare, etc..

In ultimii ani s-au cercetat si elaborat tehnologii de realizare a suprafetelor poroase pe baza de fibre metalice, care sunt aplicate pe suprafete metalice suport.

Operatiile tehnologice principale de realizare a metalelor si straturilor metalice poroase sunt:

obtinerea pulberii sau fibrelor metalice;

prelucrarea pulberii sau fibrelor compozite prin dozare, comprimare la rece si sinterizare la cald;

operatii finale ca: tratamente termice, prelucrari metalice, tratamente superficiale (impregnare) si finisare, etc.

2 Obtinerea si caracteristicile pulberilor si fibrelor metalice

Pulberele metalice se obtin prin diverse procedee speciale printre care se mentioneaza:

Procedee chimice ca de exemplu precipitarea din solutii apoase pentru obtinerea pulberii de Cu, Ni, Ag, Sn, folosind ca reducator hidrogen sau un metal reactiv (Al, Zn) conform reactiei:

Me⁺ⁿ + n ½ H₂ Me + nH⁺

Pulberile obtinute prin metode chimice sunt foarte fine, moi si cu tendinta de aglomerare.

Procedee fizico-chimice ca electroliza solutiilor apoase, a sarurilor topite, reducerea cu hidrogen la temperaturi inalte a oxizilor sau oxalatilor pentru obtinerea pulberii de Fe, Ni, Co, Cu, cu descompunerea carbonililor metalici si condensarea vaporilor metalici rezultati, conform reactiilor:

Fe (CO)₅ Fe + 5CO

Ni (CO)₅ Ni + 5CO

Pulberile obtinute prin aceste procedee sunt foarte pure, cu finete reglabila, de obicei foarte fine (0,1-10mm) si cu aptitudine buna de presare.

Procedee fizico- mecanice dintre care metoda cea mai des utilizata pentru obtinerea pulberilor metalice este tehnica atomizarii sau pulverizarii.

Prin aceasta metoda un jet de metal lichid iesit dintr-o duza fina este divizat in picaturi fine care apoi se solidifica rapid sub actiunea unui curent de gaz, aer comprimat sau abur. Pulberile obtinute prin aceasta metoda au forma apropiata de cea sferica, granulatia fiind de ordinul zecilor de microni si suprafete putin oxidate superficial.

Proprietatile produselor obtinute prin metalurgia pulberilor sunt determinate de caracteristicile dimensionale si de forma particulelor de pulbere. Aceste caracteristici determina suprafata specifica si reactivitatea fizico-chimica marita a materialului pulverulent. Caracteristicile unor pulberi metalice sunt prezentate in tabelul 5.23:

Tabelul 5.23 Caracteristicile si metodele de obtinere ale pulberlor metalice

Fibrele metalice pentru realizarea compozitului suport metalic-fibros, se obtin direct din metale si aliaje ca oteluri inoxidabile, nichel, cobalt, titan, metale pretioase, etc. Fibrele metalice pastreaza proprietatile metalelor si aliajelor din care provin cu eventuale modificari determinate de procesele de prelucrare. Ele se prezinta sub forma de fibre taiate, fibre continui si tesaturi. Se mentioneaza cateva tehnologii de obtinere a fibrelor metalice care constau in:

tehnologii de tragere din bare metalice pe principiul trefilarii sarmei;

tehnologii de filare din topituri metalice;

tehnologii de solidificare din stare lichida a unui jet de metal sau solidificarea unidirectionala.

Proprietatile mecanice ale unor fibre metalice utilizate pentru obtinerea de straturi superficiale poroase sunt indicate in tabelul 5.24

Tabelul 5.24 Proprietatile unor fibre metalice

3 Tehnologii de obtinere a structurilor metalice poroase

Structurile metalice poroase se obtin prin operatii de presare la rece si sinterizare la cald cand amestecul neconsolidat de pulberi se transforma intr-o piesa sau o suprafata compacta si rezistenta. In mod obisnuit, cele doua operatii tehnologice se executa succesiv, dar ele pot fi executate si simultan prin presare la cald sau sinterizare sub presiune.

3.1 Tehnologia de presare a pulberilor si fibrelor metalice

Amestecul de pulberi sau de fibre se dozeaza din punct de vedere al naturii si al granulatiei particulelor si apoi este omogenizat uniform in volumul de material supus presarii. Prin presare, amestecul de granule sau fibre se transforma intr-un comprimat care are forma viitoarei piese sau suprafete. Presarea se executa in matrite metalice, sub presiunea realizata de o presa hidraulica.

Presarea pulberilor metalice la presiuni de ordinul 1000-20000 daN/cm² asigura consolidarea acestora si realizeaza comprimatul la forma si dimensiuni stabile, impuse de tehnologie, precum si o anumita rezistenta mecanica necesara manipularilor ulterioare.

Introducerea in amestecul initial de pulberi sau fibre a liantilor (ceara, parafina, rasina) sau a lubrifiantilor (uleiuri, glicerina, acid stearic, etc.) micsoreaza frecarile intre particule sau fibre si favorizeaza o presare uniforma. In cursul operatiei de presare au loc urmatoarele procese in volumul pulberii sau a fibrelor:

Reorientarea particulelor sau fibrelor prin alunecarea lor reciproca si umplerea golurilor dintre ele; se asigura prin aceste procese impachetarea cea mai des posibila la dimensiunile si forma data acestora. In aceasta etapa tehnologica, particulele si fibrele isi pastreaza individualitatea lor. Volumul specific aparent si porozitatea amestecului scad iar densitatea creste.

Deformarea plastica a particulelor individuale si a fibrelor cu sudarea lor superficiala prin presare. Aria suprafetei pe care se realizeaza sudura intre particule depinde de presiunea aplicata P si de tensiunea critica de deformare plastica sau limita de curgere s_c a materialului particulelor. Datorita ecruisajului (durificarea in cursul deformarii plastice) tensiunea critica de deformare nu este constanta ci creste in timpul presarii. Prin sudarea sub presiune a particulelor sferice sau poliforme se realizeaza nu numai cresterea densitatii componentului ci si consolidarea sa, intrucat zonele de legatura intre particule sunt stabile si au rezistenta stabila caracteristica materialului compact. Presiunile necesare pentru diferite pulberi metalice in procesul de presare la rece sunt prezentate in tabelul 5.25.

Tabelul 5.25 Presiunile necesare la presarea pulberii in matrita

3.2 Tehnologia de sinterizare

Sinterizarea este procesul prin care particulele consolidate prin presare se transforma in corpuri masive, prin procese de sudare prin difuziune, sub influenta temperaturii. Incalzirea pentru sinterizare se executa la temperaturi cuprinse intre 0,7 si 0,8 din temperatura de topire a constituentului cel mai greu fuzibil din amestecul granular. Pentru a preveni oxidarea interna a comprimatului in cursul incalzirii si sinterizarii, operatia se executa in atmosfera reducatoare sau neutra, iar uneori in vid. In mod curent sinterizarea se executa in atmosfera de hidrogen care prezinta avantajul ca asigura reducerea peliculelor de oxizi de pe suprafata particulelor si fibrelor comprimatului asigurand astfel suprafete curate obtinute prin difuzie conform reactiei:

MeO+H₂ Me+H₂O_(v)

Procesele prin care se realizeaza consolidarea particulelor in operatia de sinterizare sunt procese de difuzie la suprafata de contact intre particule si pori, si procese de curgere plastica produse de tensiunile interne.

Forta motrice a transformarilor care se produc in cursul sinterizarii o reprezinta excesul de energie superficiala prezent in comprimatul de granule sferice sau filiforme in comparatie cu un monocristal de aceeasi compozitie. Eliminarea acestui exces de energie libera se face prin procese de difuzie si anume:

marirea suprafetelor de contact intre particulele comprimatului;

diminuarea porozitatii;

recristalizarea si cresterea grauntilor.

In paralel cu aceste procese fazice, care au ca efect consolidarea si cresterea compactitatii piesei, in cursul sinterizarii se produc si interactiuni chimice care au ca efect:

reducerea peliculelor de oxizi, eliminarea gazelor, descompunerea si vaporizarea substantelor introduse la presare (lianti, lubrifianti);

alierea prin difuzie a componentilor proveniti din particule de materiale diferite cu formare de solutii solide si compusi intermetalici.

Detaliile procesului de sinterizare sunt complexe, dar ele pot fi sintetizate prin teoria puntilor, ilustrata schematic in fig. 5.21. La inceputul sinterizarii particulele sunt neconsolidate suficient, avand doar puncte de contact (fig 5.21 a). La temperaturi ridicate atomii primesc o mobilitate suficienta pentru a difuza dintr-o particula in alta stabilind punti de legatura intre particulele comprimatului (fig 5.21 b, c). Prin formarea acestor punti particulele se sudeaza, iar volumul porilor scade.

a)    b) c)

Fig. 5.21 Etapele consolidarii particulelor in cursul sinterizarii

Din punct de vedere al distributiei porilor in cursul sinterizarii se disting trei etape:

etapa initiala in cursul careia puntile de legatura intre particule au caracter uniform (fig 5.21 a), porozitatea nu se modifica, iar particulele individuale raman indivizibile.

etapa intermediara in cursul careia puntile se largesc (fig 5.21 b), are loc o contractie prin apropierea centrelor intre particule, iar porii formeaza o retea de canale intercomunicante;

etapa finala in cursul careia porii devin izolati (fig. 5.21 c).

Gradul de densificare la sinterizare este exprimata prin relatia

unde:

V₀ = volumul initial al comprimatului inaintea sinterizarii;

V_f = Volumul materialului masiv, complet densificat;

V_s = volumul piesei sinterizate dupa o durata de sinterizare data t

K = constanta dependenta de temperatura;

n = constanta dependenta de mecanismul transportului atomic in cursul sinterizarii.

Din relatia de mai sus rezulta ca asigurarea unui grad inalt de densificare la sinterizare se realizeaza prin marirea temperaturii si duratei de sinterizare. In privinta gradului de densificare propus, acesta depinde de destinatia produsului sinterizat. Pentru piese solicitate mecanic se urmareste o densificare maxima cu porozitate redusa (0,1-0,2%); pentru suprafete poroase ca filtre, parti din proteze se urmareste o densificare redusa cu pastrarea interconectivitatii porilor (porozitate mare : 30-40%).

Temperatura de sinterizare se defineste in functie de destinatia produsului si de gradul de densificare ce trebuie realizat. In mod conventional se defineste drept temperatura de sinterizare acea temperatura la care, dupa o durata data de incalzire, se realizeaza densitatea propusa in produsul sinterizat.

Parametrii sinterizarii pentru unele materiale metalice sunt prezentate in tabelul 5.26.

Tabelul 5.26 Temperatura si durata sinterizarii pentru cateva materiale metalice

3.3 Tehnologia obtinerii straturilor superficiale poroase din aliaje Co-Cr-Mo

Straturile poroase din aliajele Co-Cr-Mo sunt depuse pe suprafetele metalice compacte din acelasi aliaj, ca de exemplu tija femurala din articulatia de sold. Aceste straturi sunt create prin sinterizarea unor microsfere cu diametrul de intre 100- 300 microni, pe un substrat de Co-Cr-Mo turnat. Sinterizarea are loc la temperatura de 1200-1300⁰C timp de 1-3 ore. Temperatura de sinterizare este peste punctul eutectic, cand se realizeaza aderenta intre microsfere prin topirea superficiala a fazelor eutectice.

3.4 Tehnologia obtinerii straturilor poroase din aliaje pe baze de titan

Sinterizarea granulelor de aliaje pe baza de titan are loc la temperaturi de 1200-1400⁰C cand pulberile de aliaj se leaga prin procese de difuzie in stare solida. Deoarece temperatura este peste limita de tranzitie α→β se obtine o structura lamelara grosolana (α+β), situatie in care stratul obtinut se supune unui tratament de recoacere de omogenizare.

Straturile poroase pe baza de titan se pot obtine si din fibre care asigura o suprafata flexibila ce faciliteaza fixarea si dezvoltarea tesutului viu. Temperatura de sinterizare a fibrelor asigura legarea acestora de suprafata stratului solid.

Conditiile de sinterizare depind de tipul fibrei si de marimea lor. Pentru fibre cu diametrul de 0,19 mm din titan este necesara o temperatura de 1093⁰C, cu o durata de sinterizare de 2 ore sub vacuum avansat (10^-4mmHg).