CARACTERIZAÇÃO SUPERFICIAL DE LIGAS DE TI-6Al-7Nb TRATADAS A PLASMA
J. K. L. Moura1; H.R.A. Macêdo 2,E. M. Brito 3, A.S. Brandim 4
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PPGEM - Instituto Federal do Piauí (IFPI); Quadra AH, Nº 35, CEP: 64.012-341, Residencial Francisca Trindade, Santa Maria da Codipi, Teresina-PI;
e-mail: [email protected]; 1,2,3,4 PPGEM - IFPI RESUMO
Modificações superficiais por plasma estão sendo alvo de inúmeras pesquisas para o melhoramento da qualidade dos materiais. O titânio e suas ligas são amplamente utilizados em aplicações biomédicas e a técnica de tratamento a plasma vem cada vez mais sendo utilizada para melhorar as propriedades superficiais deste. A pesquisa em questão objetiva a análise comparativa da alteração da microestrutura de ligasTi-6Al-7Nb após o tratamento de nitretação a plasma. No tratamento foram utilizadas as técnicas de descarga planar e gaiola catódica (NGC). A caraterização foi obtida por MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura) e microdureza. Os resultados obtidos foram, então, comparados para a conclusão da melhor modificação superficial que atenda às perspectivas futuras de biocompatibilidade da liga.
Palavras-chave: Modificação microestrutural, Nitretação, Caracterização superficial.
1. INTRODUÇÃO
O titânio pode ser considerado como sendo um material de utilização relativamente nova. Sua aplicação comercial foi iniciada apenas a partir do final dos anos de 1940 (2). Os compostos de titânio estão sendo extensivamente estudados devido ao largo número de aplicações industriais quando adiciona-se em sua rede cristalina, elementos como hidrogênio, carbono, nitrogênio ou oxigênio que alteram algumas das propriedades mecânicas dos materiais, principalmente a dureza.
Essa afinidade é explicada porque o Ti possui orbitais d livres que promovem a formação de ligações químicas com elementos intersticiais mais facilmente (H, C, N e O) (5).
A composição Ti-6Al-4V era a liga mais utilizada para implantes médicos, no entanto ainda há questões mal resolvidas sobre o efeito dos seus componentes. Embora a liga Ti-6Al-4V exiba bons resultados de resistência a corrosão (7), mais tarde, constatou-se que o vanádio apresentou processos inflamatórios a longo prazo banindo sua extensa aplicação.
Assim, um número de ligas à base de Ti (Ti-Mo, Nb-Al, ou Ti-Mo-Nb-Al-Cr-Zr ou Ti Zr-Nb (21,22), Ti-Al-Nb ou Ti-Zr-Nb-Ta-Pd) (8,15,20), tornaram-se importante para a utilização como implantes. Então, desenvolveu-se a liga Ti-6Al-6Nb com propriedades mecânicas comparáveis às da liga Ti-6AI-4V, mas com uma melhor resistência à corrosão que ganhou um notório espaço como biomaterial.
Com o intuito de aumentar essas aplicações do titânio, nas duas últimas décadas tem-se observado um grande avanço em técnicas para modificação de superfícies (4,6,20). Uma boa alternativa são os tratamentos termoquímicos auxiliados por plasma, bastante utilizados com o titânio.
Por exemplo, com o tratamento auxiliado por plasma, é possível produzir superfícies hidrofílicas ou hidrofóbicas, com elevada dureza, rugosidade superficial variada entre outras modificações (4), apenas com a alteração da presença e o mais importante, apenas com a variação no fluxo dos gases que compõem a atmosfera do plasma.
Baseado nos aspectos acima, a pesquisa objetiva analisar a correlação entre o tratamento auxiliado por plasma com as modificações superficiais e a dureza apresentadas pela liga de titânio Ti-6Al-7Nb.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia utilizada na pesquisa foi dividida em duas etapas. A primeira etapa consiste na preparação das amostras. A segunda etapa consistiu na utilização das técnicas de caracterização após a oxinitretação das amostras. As técnicas de caracterização foram: Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia (EDS) e por fim, microdureza. A seguir está disposto o mecanismo das etapas que compuseram o método em questão.
2.1 Descrição do reator de Oxinitretação
O tratamento de nitretação iônica auxiliado por plasma foi realizado em um sistema de equipamento próprio disponível no LabTrat – Laboratório de Tratamento de Materiais – corrosão e plasma. Tal equipamento dispõe de uma câmara de vácuo, sistema de exaustão, sistema de alimentação de gases, fonte de tensão e sistemas eletrônicos. Na Figura 1 adaptada do trabalho (10) está a representação ilustrativa de uma câmara oxinitretante.
Figura 1: Representação detalhada de uma câmara oxinitretante
2.2 Preparação das amostras
Foram utilizados discos de uma liga a base de titânio (Ti-6Al-7Nb) com 10 mm de diâmetro e 1 mm de espessura embutidas com resina poliéster lixadas na ordem granulométrica: 220, 360, 400, 600, 1200 e 2000 MESH e polidas com suspensão de diamante 0,05 a 1µm em politriz automática. Após o polimento, as amostras foram desembutidas e limpas em ultrassom e armazenadas para tratamento posterior.
2.3 Condições de tratamento
Iniciou-se uma limpeza por plasma com Argônio antes do tratamento com pressão de 1,5 mbar, fluxo de 12 sccm por 20 minutos. O tratamento sobre a superfície das amostras, foi realizado com atmosfera N2 –H2. O fluxo dos gases
nitrogênio e hidrogênio foram mantidos constantes 3 sccm e 12 sccm, respectivamente, mantendo-se a temperatura de tratamento constante a 300 °C sob duas técnicas de nitretação iônica diferentes, com gaiola catódica (NGC) e o outro por descarga planar (CP) por 1 e 2h.
2.4 Técnicas de Análise
2.4.1 Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
A morfologia das superfícies das amostras foram investigadas no MEV disponível no Laboratório de Materiais – LabMat do IFPI (Instituto Federal do Piauí). As composições químicas foram obtidas por EDS acoplado ao MEV (Shimadzu SSX-550).
2.4.2 Microdureza
Os ensaios de dureza na escala Vickers, de acorda com a norma ASTM E140–02 foram realizados com o auxílio de um microdurômetro (Shimadzu HMV) com carga constante de 0,25 N em cinco pontos de medição diferentes. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Análise Química e Morfológica da liga Ti-6Al-7Nb
Na Figura 2 mostra imagens obtidas por MEV da liga Ti-6Al-7Nb tratada por plasma sob tratamentos diferentes. Cada tipo de modificação superficial resultou em uma morfologia própria, no entanto, com uma característica em comum, a formação de óxidos e nitretos sobre a superfície de cada amostra.
Isso pode ser comprovado numa comparação qualitativa feita por EDS, onde se evidencia a presença de oxigênio e nitrogênio na composição química da superfície. A característica morfológica do filmeobtido pela nitretação chama a atenção pela forma aproximadamente circular dos oxinitretos de titânio formados e detectados na EDS.
Pode-se constatar a coerência desses resultados no trabalho de (20), onde ele ressalta que, pelo processo de formação de TiO2, o filme apresentado
segue a topografia mostrada na Figura 2 (a) e (b). De acordo com (19), a porosidade e a espessura do filme desempenham um papel importante na reação osso/implante devido as características físicas e morfológicas desses filmes formados por qualquer processo de modificação superficial que tenha óxidos na sua composição.
Figura 2: (a) Amostra de Ti-6Al-7Nb nitretada (gaiola catódica) a 300 °C por 1h; (b) Amostra de Ti-6Al-7Nb nitretada (cátodo planar) a 300 °C por 1h.
Observando as imagens das Figuras 2 (a) e (b) é possível afirmar que a topografia das superfícies obtidas apresentam certo grau de organização. Confirmado por (4), essa uniformidade na formação do filme, influenciado pelas condições de nitretação, é um fator determinante no aumento da dureza obtida pela superfície após o tratamento.
Na Figura 3 tem-se o perfil representativo da microdureza superficial para todas as amostras submetidas a condições de tratamento NGC (nitretação com gaiola catódica) e CP (nitretação por descarga planar) comparadas com a amostra padrão sob as condições de temperatura e tempo de 300 °C por 1-2h, respectivamente.
Figura 3: Dados representativos do comportamento de microdureza para as amostras oxinitretadas.
De acordo com as condições utilizadas, e evidenciadas no MEV, podem ocorrer formação de nitretos ou óxidos de titânio que possuem uma dureza superior a amostra padrão (17).
Para o tratamento com gaiola catódica (NGC), houve uma elevação da dureza maior do que para o tratamento com cátodo planar (CP) que por consequência foram maiores do que a dureza da liga sem tratamento, chamada aqui de padrão. (4) estudando o comportamento das espécies que compõem o plasma, direcionou que o efeito com gaiola catódica pode ter ocorrido por proporcionar uma maior reatividade da superfície, formando fases de oxinitretos em maior concentração promovendo uma elevação da dureza.
(1)
Afirmou que a técnica com gaiola catódica eleva a dureza com um mecanismo de transferência de massa de nitrogênio do plasma para o substrato que se combina para formar TiNx que confere as amostras uma maior
dureza de superfície, apesar destes valores não serem tão significativos (15). Com isso, os processos de nitretação com NGC e CP produzem microestruturas praticamente idênticas, conforme a análise de MEV na Figura 2. Reforçando, assim, a importância de se conhecer o comportamento do plasma (3,4,5) na obtenção de diferentes propriedades e suas aplicações.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conclui-se, diante dos resultados acima, que as técnica NGC e CP conferem estruturas texturizadas, pelas imagens de MEV, que pode ser uma indicação da existência de um bombardeamento iônico devido ao ataque por “sputtering” no início do tratamento, que proporciona essa maior reatividade superficial. As análises visuais (MEV) em conjunto com os resultados de microdureza, mostram que a CP não oferece uniformidade na camada comprometendo seus resultados de dureza inferiores aos da NGC.
Por sua vez, as amostras tratadas por NGC, com as mesmas condição de temperatura e tempo de tratamento, mostrando uma completa uniformidade ao longo de suas medições e que são evidenciadas pelo perfil representativo do comportamento da dureza com as duas técnicas.
Não obstante, faz-se importante ressaltar o significativo olhar que deve ser dado às correlações existentes entre os fatores internos e externos que influenciam um tratamento termoquímico, de um modo geral e para isso se vale a necessidade de continuidade de um estudo aprofundado através do uso de várias técnicas de caracterização em busca da informação completa.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Capes, FINEPI, FAPEPI, CNPq, IFPI– Proagrupar e FAPEPI pelo suporte financeiro.
6. REFERÊNCIAS
1. ARAÚJO, F.O. Desenvolvimento e caracterização de dispositivos para deposição de filmes finos por descarga em cátodo oco. [Tese de Doutorado], UFRN, Natal, 2006.
2. BANNON, B. P. e MILD, E. E. Titanium alloys for biomaterial application: an overview, titanium alloys in surgical implants. ASTM STP 796, in H.A. Luckey and F. Kubli Jr. (Eds). 1983. American Society for Testing and Materials, pp.7– 15.
3. BARBOSA, J.C.P., Diagnóstico das Espécies Ativas do Plasma Usado em Tratamentos Termoquímicos do Titânio. [Tese de Doutorado], UFRN, Natal, RN, Brasil, 2011.
4. BRAZ, D.C., Tratamento termoquímico do titânio auxiliado por plasma de Ar – N
2 – O2. [Dissertação de Mestrado], UFRN, Natal, RN, Brasil, 2010.
5. BRAZ, D.C. et.al. Influência das espécies do plasma na modificação das propriedades superficiais do titânio tratado por plasma de N2 - Ar – O2. Revista
Matéria. v.17, n. 2, p. 1035 – 1044, Maio, 2012.
6. GUILLOT, J. et al., “Amorphous TiO2 in LP-OMCVD TiNxOy thin films
revealed by XPS”. Applied Surface Science, v. 177, n. 4, p. 268–272, June. 2001.
7. HUKOVIC, M.M; PILJAC, A.K.J. The Influence of Niobium and Vanadium on passivity of titanium-based implants in physilogical solution. Biomaterials. 2003; 3765 – 3775.
8. KOLMAN D.G. Scully J.R. Electrochemistryand passivity of Ti–15V–3Cr–3Al– 3Sn b-titanium alloyin ambient temperature aqueous chloride solution. Electrochem Society. 1994; 142:2633–41.
9. LOPEZ M.F, GUTIERREZ A., JIMENEZ J.A. Surface characterization of new non-toxic titanium alloys for use as biomaterials. Surface Science 2001; 482:300–5.
10. MACÊDO, M.O.C. Modificação de membranas de quitosana por plasma para uso biológico. [Dissertação de Mestrado], UFRN, Natal, RN, 2009.
11. NASAB, M. B; HASSAN M.R.; SAHARI, B.B. Metallic Biomaterials of knee and hip - a review, Trends biomater Artif. Organs -2010.
12. NUNES FILHO, A.Influência das espécies ativas na absorção de intersticiais durante a carbonitretação a plasma do Ti. [Dissertação de Mestrado], UFRN, Natal, RN, Brasil, 2011.
13. ROCHA, R.C.S., Propriedades tribomecânicas de superfícies de titânio carbonitretadas por plasma. [Dissertação de Mestrado], UFRN, Natal, RN, Brasil, 2012.
14. ROGERS, D. In vitro human monocyte response to wear particles of titanium alloy containing vanadium or niobium. J Bone Joint Surg 1997;79-B:311–5.
15. KOBAYASHI E. et.al. Mechanical properties and corrosion resistance of Ti– 6Al–7Nb alloy dental casting. Mater Science: Master Medical 1998; 9:567–74. 16. RIBEIRO, K.J.N. Nitretação em plasma com gaiola catódica: caracterização e avaliação do desempenho da camada nitretada em facas de corte. [Dissertação de Mestrado], UFRN, Natal, 2007.
17. SIMIONI, S. Manual da qualidade de implantes em artroplastia de quadril. Champagnat, 2012.
18. SOUSA, R.R.M. Nitretação iônica sem efeito de borda: desenvolvimento de uma avaliação de uma nova técnica. [Dissertação de Mestrado], UFRN, Natal, 2006.
19. SUL, Y. T.; JOHANSSON, C. B.; PETRONIS, S.; Biomaterials, v. 23, p. 491-501, 2002.
20. SZESZ, E.M. Produção e Caracterização de Modificações Superficiais em Titânio para Aplicação Biomédica. [Dissertação de Mestrado], Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2010.
21. XING, M.Y., ZHANG, J.L., CHEN, F., “New approaches to prepare nitrogen-doped TiO2 photocatalysts and study on their photocatalytic activities in visible light”. Applied Catalysis, v. 89, n. 3-4, pp. 563–569, July, 2009.
22. YU S.Y; SCULLYJ.R; VITUS C.M. Influence of niobium and zirconium alloying additions on the anodic dissolution behavior of activated titanium in HCl solution. J Electrochem Soc 2001;148:B68–78.
SURFACE CHARACTERIZATION OF ALLOY Ti-6Al-7Nb TREATED PLASMA
ABSTRACT
Plasma surface modifications are subject of numerous studies to improve the quality of a given material. Titanium and its alloys are widely used in biomedical applications and plasma treatment technique is increasingly used to improve the surface properties thereof. The research have a objective in the comparative analysis of the change in microstructure of ligasTi-6Al-7Nb after treatment of plasma nitriding. The technical are: nitriding with cathode cage (NGC) and planar discharge. The characterization was obtained by MEV (Scanning Electronic Microscope) and hardness. The results was compared about the better surface modification that meets future prospects of the biocompatibility of the alloy.