MIM生分解性Feの機械的性能の向上

2023 年 4 月 28 日

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分解性金属生体材料は、一時的な機能を備えた医療用​​インプラントに使用できる可能性のある新しい合金ファミリーです。 これらの合金は、現在整形外科、心臓血管、小児インプラントに使用されている耐食性合金の代替品として検討されています。 鉄ベースの材料の開発は、耐荷重用途において特に関心が高く、Mn は最も有望な合金元素の 1 つと考えられています。

研究によると、体液中のFeMnベースの合金の分解によって放出されるMnの量は、血液中の毒性レベルよりもはるかに低く、体はMnの徐々に放出を合理的に代謝することもできます。 一方、Mn の電極電位は Fe よりも低いため、Mn の電極電位は Fe よりも低くなります。 Fe-Mn によって形成される無限固溶体は、より高い腐食電位を持っています。 また、Mn 含有量が 29 wt.% を超えると、Fe-Mn 合金は単一のオーステナイト相を持ち、磁気共鳴画像法 (MRI) の適合性が向上します。 C を添加すると、局所的なガルバニ電池が形成されるため、FeMn ベースの合金の劣化速度がさらに改善され、同時に Fe-Mn 合金の強度と可塑性が向上します。

中国の中南大学粉末冶金国家重点研究所と、同じく長沙の中南大学にある第二香雅病院の協力による研究により、0.5Cを添加したFe-35Mn合金はMnの揮発性が低いことが示された。金属射出成形で製造すると、高密度で良好な機械的特性が得られます。 研究結果は、Ye Zhangらによる「金属射出成形と微量炭素添加によって製造された生分解性Fe-Mn合金の機械的性能の向上」と題された論文で、Metals、12、884、5月23日に発表された。 、2022年、9ページ。

著者らは、MIM によって製造された Fe-Mn 劣化性合金の機械的特性と劣化特性を決定する以前の研究で、酸素不純物である焼結中の揮発により依然としてかなりの Mn 損失 (2.25%) が存在することが判明したと述べています。含有量が高く（0.32 wt.%）、相対密度は約 93% にしか達しません。 単一の変形機構と高い気孔率により、機械的特性が比較的劣りました (引張強度 558 MPa、伸び 10.8%)。 したがって、今回報告された研究は、加圧焼結を使用して MIM Fe-Mn 合金の炭素含有量を導入および最適化し、得られる焼結微細構造、機械的特性、および対応する機械的変形機構を調べることを目的としていました。

この研究では、Fe-35Mn プレ合金 (D50 = 14.0 μm) およびグラファイト (D50 = 30.8 μm) 粉末を多成分バインダー システム (60 wt.% パラフィン + 36.5 wt.% 高密度ポリエチレン + 3.5 wt.% ステアリン酸）を使用して、58 vol.% の粉末充填量で MIM 原料を製造します。 焼結特性の比較のために、炭素を添加せずにFe-35Mn原料も調製しました。 ペレット化された原料を射出成形して、図 1(c) に示すように、長さ 108 mm、直径 3.8 mm の Fe-35Mn-0.5C グリーンパーツサンプルを製造しました。

溶媒脱脂 (ジクロロメタン、40℃、8 時間) に続いて熱脱脂 (アルゴン、600℃、1 時間) を含む 2 段階の脱脂方法が使用されました。 次いで、脱結合試験片を、低真空雰囲気 (10-1 Pa) または 5 atm の圧力を加えたアルゴン雰囲気下で 1200°C で 7 時間焼結しました。 焼結温度と保持時間の選択は主に、著者らが以前に報告した研究で確立したマンガンの平衡蒸気圧を参照しました。

真空焼結中に少量の揮発した Mn 蒸気が継続的に排出され、焼結プロセス中の Mn の継続的な損失が促進されることが判明しました。 しかし、この問題は加圧焼結中に回避され、Mnの揮発が大幅に減少し、合金組成の安定性が確保されました。 表 1 は、調査した 3 つの組成物の元素含有量と相対密度を示しています。 見てわかるように、0.5% の炭素を添加した加圧焼結 Fe-35Mn (PS0.5) の相対密度は 97% に達しました。 真空焼結 (VS) 合金の細孔は不規則な形状であることがわかりましたが、アルゴン中で加圧焼結した PS および PS0.5 合金の細孔は微細で均一でした。