1. 1 Biomateriais metálicos Aplicações dos metais: - substituição do osso - reparação do osso - placas metálicas em fracturas - implantes dentários - parafusos - partes de dispositivos: coração artificial, pacemakers, catéteres

2. 2 Fabrico dos metais: - a partir de minerais, purificação - materiais primas para pré-formas - pré-formas para dispositivos - processamento final Importante (metais): - cristalografia - fases presentes na microestrutura - grãos e tamanhos de grão - quantidade e distribuição das fases - propriedades dos metais

3. 3 Biomateriais metálicos aços inox ligas de cobalto, misturadas com crómio ligas de titânio  muito leves e elevada resistência mecânica  quantidade de O 2 afecta resistência metais nobres: Au, Pt, Pd, Ir  caros e fracas propriedades mecânicas  elevada resistência à corrosão mercúrio - usado em amálgamas dentárias

4. 4 muitos tipos baixo teor em Carbono (L) - elevado teor em C provoca corrosão com Fe, Cr e Ni crómio oxida-se no limite; corrosão deve evitar-se; formação de fissuras e fadiga elevado teor em crómio reduz resistência mecânica níquel é adicionado para aumentar resistência mec. (estabiliza austenite) Si – estabiliza a ferrite, melhor resist. corrosão menor tamanho de grão aumenta a resistência -Inox ferríticos: estrutura ccc e carbonetos (2 fases) -Inox austeníticos – cfc (1 fase) -Inox martensíticos - martensite AÇOS INOX

5. 5 mais usado - 316L (ASTM F138, F139) L=baixo carbono C<0.03%; Fe- 60-65%; Cr (17-19%), Ni(12-14%), N 2, Mn, Mo, P, Si, S crómio - resistência à corrosão devido à formação de filme de Cr 2 O 3 Cr, Mo e Si - estabiliza fase ferrítica ccc - menos resistente mec. Ni - estabiliza fase austenítica cfc - mais resistente mec. composição é determinada pelo balanço entre fase austenítica e fase ferrítica - austenite (melhor resist. Mec.) - ferrite (melhor resist. Corrosão) normas ASTM – deve ser austenítico com tamanho de grão =100 um  C>0.03%  formação de Cr 23 C 6  precipita nos limites de grão  zonas adjacentes aos limites de grão ficam sem crómio e não se forma o óxido protector Cr 2 O 3  CORROSÃO AÇOS INOX

6. 6 -Esterilização das peças de aços inox aumenta resistência à corrosão -melhor resistência à corrosão com filme de espessura 10 a 50 *10 -10 m -Processos de fabrico afectam propriedades corrosivas -Deformação a frio – aumenta o nº de deslocações e transf de fases -Defeitos na superfície – Ex: fissuras são locais de inicio de corrosão AÇOS INOX Resumo: -Melhor resistência à corrosão = baixo C e estrutura austenítica - filme de passivação de Cr2O3 - processos de fabrico e de acabamento podem alterar resistência à corrosão

7. 7  1930 – Ligas de Co-Cr usadas em materiais dentários - ligas Vitallium, Zimaloy, Haynes-Stellite - inicialmente 62.5%Co, 30%Cr, 7%W, 0.5%C; mais tarde Mo substituiu W  1937 começaram a usar-se estas ligas em ortopedia  mais tarde verificou-se que tinham boa resistência à corrosão e boa interacção com tecidos  dispositivos de fixação ortopédicos  Hoje – ASTM  F75 : 58.9-69.5%Co, 27-30%Cr, 5-7%Mo, 0.35%C, 1%max de cada Mn, Ni, Si; 0.75 %max Fe  F75 – liga de fundição  outras composições = F90, F799 e F562 ligas obtidas por deformação, não muito usadas LIGAS DE COBALTO

8. 8 Co – metal com elevada resistência mecânica, mas baixa resistência à corrosão Co : 417 < T < 1495ºC estrutura cfc T < 417ºC = estrutura hc Mo ajuda a manter a estrutura hc à T ambiente Cr e Mo formam carbonetos intermetálicos que são muito resistentes ao desgaste carbonetos em excesso diminuem a ductilidade da liga LIGAS DE COBALTO F75- Co-Cr-Mo F799- Co-Cr-Mo- forjado F90 - Co-Cr-W-Ni F562- Co-Ni-Cr-Mo-Ti

9. 9 F75- boa resistência à corrosão em ambientes com cloretos (aplicações aeroespaciais e implantes)(forma-se Cr 2 O 3 ) (usado em ancas, implantes orais) - faz-se molde em cera - faz-se molde cerâmico a pertir do molde em cera (ceras perdidas) - liga metálica liquida entra no molde - metal arrefece no molde = vazamento T f =1350-1450ºC Liga vazada - matriz rica em Co (fase  ) c/ carbonetos (interdendríticos e nos limites de grão) - pode haver segregação: regiões interdendríticas ricas em Cr, Mo, C regiões dendríticas - pobres em Cr e ricas em Co  desfavorável electroliticamente; regiões s/Cr - anódicas - solução: fazer tratamento térmico T=1225ºC - 1h LIGAS DE COBALTO

10. 10 problemas devido ao vazamento: - dendrites e tamanho de grão grande   cedência baixa - defeitos de vazamento- inclusões (Ex: partículas do molde cerâmico)  baixa resistência à fadiga evitar problemas pode-se optar pelo MÉTODO DOS PÓS HIP (HOT ISOSTATIC PRESSURE) pó compactado e prensado (P=100 MPa, T=1100ºC-1h) e forjagem tamanho de grão menor (8mm) do que vazado maior resist. mecânica distribuição mais fina de carbonetos F799 - liga F75 + forjagem a quente após vazamento forma-se fase hc devido às tensões da deformação resistência mecânica e à fadiga = 2* liga F75

11. 11 F562= MP35N (cobalto e níquel)  MP=fases múltiplas (tratamento térmico e def. a frio) cobalto puro: T>419ºC  cfc T<419ºC  hc -cfc  hc = transformação tipo martensítica; fase hc forma os seus planos basais {0001} paralelos aos planos {111} da estrutura cfc -Ex: deformação a frio 50% aumenta a facilidade de transformação de fase cfc retida em fase hc *grãos iniciais cfc pequenos resist. mec. elevada *placas de hc impedem mov. deslocações - aumento da resistência mecânica também por tratamento de envelhecimento 430- 450ºC precipitação de Co 3 Mo nas placas hc F90 - Co-Cr-W-Ni -W e Ni melhorar a maquinabilidade e o processo de fabrico -propriedades F90 recozido = propriedades F75 - F 90 deformado a frio 44% propriedades 2*F75

12. 12 F75 vazada: E=210 GPa,  ced= 450-517MPa; UTS=655-889MPa F75 HIP: E=253 GPa,  ced= 814MPa; UTS=1277MPa F562: E=232 GPa,  ced= 241-1585MPa; UTS=793-1795MPa Resumo: -F 75 liga de vazamento; outras obtidas por deformação - módulo de Young elevado e carbonetos aumentam resistência ao desgaste -Cr forma Cr2O3 - processo HIP – diminui tamanho de grão e melhora propriedades de fadiga LIGAS DE COBALTO

13. 13  1940-1950 – Aplicações aeropespaciais  1950-1960 – estudos de corrosão e de biocompatibilidade mostram ser úteis em ortopedia, pacemakers, etc.  1970 – ligas Ti-6Al-4V – muito usadas em implantes  dois tipos: ASTM F67 =Ti puro - 98.9 a 99.6% Ti ASTM F136 =Ti- 6Al-4V  Ti – muito reactivo  dificuldade processo de extracção  Ti puro – T>882.5ºC = estrutura ccc T<882.5ºC = estrutura hc LIGAS DE TITÂNIO

14. 14 F67 = 98.9 a 99.6% Ti; resto O, C, N e Fe  4 tipos de F67 dependendo do teor de O; O afecta muito as propriedades mecânicas c/0.18% O2   cedência =170 MPa c/0.40% O2   cedência =485 MPa c/0.085% O2  limite de fadiga (107 ciclos) =88.7 MPa c/0.27% O2  limite de fadiga (107 ciclos) = 216 MPa  implantes dentários  fase  = hc, deformação a frio (30%)  diâmetros 10 a 150 mm  O, C, N  aumentam a resistência (solução sólida intersticial)  óxido Ti superfície (TiO2) = boa resistência à corrosão  bom desempenho anível molecular e de tecidos também afecta as propriedades mecânicas

15. 15 F136: dependendo dos elementos de liga pode-se estabilizar uma fase ou outra: - Al - estabiliza fase hc  - V - estabiliza fase ccc   implantes com fases  e  Processamento – recozimento a 900ºC para obter grão fino (boas propriedades fadiga e boa ductilidade)) F136: liga  e  microestrutura depende tratamentos térmicos e deformação Ex: T>1000ºC  fase  ccc estável - arrefecimento  estrutura Widmanstatten fase  precipita em placas na matriz de grãos de  F136 aquecida e def. quente = microesturura fina de  com  nos limites de grão elevada resistência mecânica e alteração da estrutura com revestimento

16. 16 Ti: E=110 GPa,  ced= 170-655MPa; UTS=240-760MPa F136: E=116 GPa,  ced= 760-1034MPa; UTS=825-1103MPa Ligas Ti Propriedades tribológicas: - coef de atrito Ti-Ti baixo a cargas baixas e baixas velocidades (óxido de Ti não é removido) - com cargas elevadas – óxido é removido; elevada taxa de desgaste - melhora a resist ao desgaste com implantação iónica de C, N TiO2 – -Aumenta a resist à corrosão -Aumenta a possibilidade de formação de osso

17. 17 Outras ligas metálicas: -Ligas Ni-Ti = ligas com memória de forma = deformadas a T inferior a Tcritica; depois aquecidas acima da Tcritica voltam à forma inicial - - ligas de Au - ligas NiCr – em alternativa ao ouro -Amálgamas dentárias = mercúrio liquido, Ag, Sn, Cu = -boa resistência à compressão -Estabilidade dimensional -Corrosão