WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA ODPORNOŚĆ KOROZYJNĄ

Anna ZIĘTY, Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej, Politechnika Wrocławska,
Wrocław
Marzena LACHOWICZ, Katedra Materiałoznawstwa, Wytrzymałości i Spawalnictwa,
Politechnika Wrocławska, Wrocław
WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA ODPORNOŚĆ KOROZYJNĄ
STOPU Ti6Al4V PRZEZNACZONEGO NA ENDOPROTEZY
STAWOWE
THE EFFECT OF A HEAT TREATMENT ON THE CORROSION
RESISTANCE OF Ti6Al4V ALLOY USED IN A TOTAL JOINT
REPLACEMENT
Słowa kluczowe: korozja, Ti6Al4V, obróbka cieplna
1. WSTĘP
Wykonywane procesy kształtowania plastycznego i obróbki cieplnej na biomateriałach
metalicznych mogą spowodować zmianę ich struktury jeszcze przed zaimplantowaniem do
organizmu pacjenta. Powszechnie wiadomo, że materiały tego typu nie powinny przewodzić
prądu, a więc niedopuszczalna jest obecność faz ferromagnetycznych. Wprowadzenie implantu
o takich właściwościach może doprowadzić bowiem do tworzenia się zakrzepów,
a w przypadku urazu kości, do zaburzenia jej zrostu. Zaobserwowany ferryt δ w stalach
austenitycznych, martenzyt w stalach kobaltu, czy w stopach tytanu - postać martenzytu α’
może świadczyć o utracie struktury o cechach paramagnetycznych. W ramach pracy,
przeprowadzono więc analizę wpływu obecności struktury martenzytycznej w stopach tytanu
na ich odporność korozyjną w środowisku organizmu żywego. [1, 2, 3, 4]
2. MATERIAŁ I METODA
Do badań wykorzystano próbki ze stopu tytanu Ti6Al4V w kształcie krążków o średnicy
równej d=0,785 cm2 każdy. Przed rozpoczęciem pomiaru zostały one przeszlifowane na
tarczach szlifierskich, a następnie wypolerowane.
Badania zostały podzielone na dwa główne etapy tj. badania przed oraz po obróbce
cieplnej (OC). Każdy z nich składał się z badania mikroskopowego, pomiaru twardości oraz
badań elektrochemicznych. Próbki hartowano z temperatury 1000°C w wodzie w celu
uzyskania przemiany martenzytycznej. Próbki były poddane badaniom polaryzacyjnym
w trójelektrodowym układzie pomiarowym. Każda z nich została poddana ekspozycji do 20
minut w temperaturze 36,6˚C w badanym roztworze korozyjnym, tj. w roztworze Ringera.
Po osiągnięciu stabilizacji, wykonano badania polaryzacji w tym samym roztworze w kierunku
anodowym z szybkością dE/dt = 1 mV/s.
XII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 160
3. WYNIKI
Po przeprowadzonej OC i wytrawieniu powierzchni 10% roztworem wodnym HF
wybranej próbki, okiem uzbrojonym zauważono charakterystyczną strukturę stopu tytanu.
Wykazywała ona obecność cienkich igieł charakterystycznych dla struktury martenzytycznej.
Wyniki pomiarów twardości wykazały natomiast jej wzrost po procesie hartowania o ponad
10 HV.
W przypadku stanu wyjściowego, jak i po obróbce cieplnej, krzywe polaryzacyjne
uzyskane w badaniach elektrochemicznych wykazały charakterystyczny przebieg dla
większości biomateriałów metalicznych. Dla próbek poddanych procesowi hartowania
zaobserwowano wydłużenie obszaru pasywacji (wartość potencjału przebicia dla próbki po OC
wynosi Enp = 1,47 V, gdzie dla próbek w stanie wyjściowym to Enp = 1,31 V). Uzyskane
wartości parametrów badanych, tj. potencjału korozyjnego (Ekor), gęstości prądu
korozyjnego (ikor) i oporu polaryzacji (Rp) uśredniono i zestawiono w tabeli porównawczej 3.1.
Tab. 3. 1 Uśrednione wartości ikor, Ekor, E0 oraz Rp dla stopu tytanu Ti6Al4V eksponowanego
w roztworze Ringera w temp. 36,6°C w stanie wyjściowym, jak i po OC
Ti6Al4V – stan wyjściowy
Ti6Al4V – po hartowaniu
ikor
A/cm2
3,09*10-8
2,94*10-6
Ekor
mV
- 180
- 245
E(i=0)
mV
- 155
- 238
Rp
kΩ*cm2
655
73
W przypadku próbek po OC wartość potencjału korozyjnego jest mniejsza o ponad 60 mV
od wyników dla próbek w stanie wyjściowym.
4. PODSUMOWANIE
Powierzchnia wykorzystanego biomateriały ulega samorzutnej pasywacji dla próbki
w stanie wyjściowym, jak i po OC. Przeprowadzony proces obróbki cieplnej na stopie tytanu
Ti6Al4V spowodował zmniejszenie wartości potencjału korozyjnego, a tym samym odporności
korozyjnej w środowisku korozyjnym. Różnica potencjałów wyniosła ΔEkor = 60 mV. Należy
jednak pamiętać, że obecność struktury martenzytycznej nie tylko powoduje zaburzenia w
kontrolnych badaniach medycznych pacjenta, ale może doprowadzić do poważnych zmian
wewnątrz organizmu [2].
LITERATURA
[1] Cai Z., Shafer T., Watanabe I., Nunn M. E., Okabe T.: Electrochemical characterization of
cast titanium alloys, Biomaterials, wyd. 24, 2003, s. 213–218
[2] Choubey A.: Electrochemical Behavior of Ti-Based Alloys in Simulated Human Body:
Trends Biomate. Artif. Organs, wyd. 18, 2005, s. 64-72
[3] Al-Mayouf A.M.: Corrosion behavior of new tutanium alloy for dental implant applications.
Saudl Dental Journal, wyd.14, s. 118-125
[4] Motyka M.: Kształtowanie mikrostruktury i właściwości dwufazowych stopów tytanu
alfa + beta w procesie cieplno-plastycznym. Inżynieria Materiałowa, wyd. 3/2012, 2012