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MIM 생분해성 Fe의 향상된 기계적 성능
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MIM 생분해성 Fe의 향상된 기계적 성능

Jun 11, 2023

2023년 4월 28일

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분해성 금속 생체재료는 임시 기능을 갖춘 의료용 임플란트에 사용할 수 있는 새로운 합금 계열입니다. 이러한 합금은 현재 정형외과, 심혈관 및 소아 임플란트에 사용되는 내식성 합금을 대체할 수 있는 가능성이 있는 것으로 간주되고 있습니다. 철 기반 재료의 개발은 하중 지지 응용 분야에서 특히 관심을 끌었으며, Mn은 가장 유망한 합금 원소 중 하나로 간주됩니다.

연구에 따르면 체액에서 FeMn 기반 합금이 분해되어 방출되는 Mn의 양은 혈액의 독성 수준보다 훨씬 낮으며 신체는 Mn의 점진적인 방출을 합리적으로 대사할 수도 있습니다. 한편, Mn의 전극 전위는 Fe보다 낮습니다. Fe-Mn에 의해 형성된 무한 고용체는 부식 가능성이 더 높습니다. Mn 함량이 29wt.%보다 높을 때 Fe-Mn 합금은 단일 오스테나이트 상을 가지며 자기 공명 영상(MRI) 호환성을 향상시킵니다. C를 첨가하면 국부적인 갈바니 셀을 형성하여 FeMn 기반 합금의 분해 속도를 더욱 향상시킬 수 있으며 동시에 Fe-Mn 합금의 강도와 가소성을 향상시킬 수 있습니다.

중남대학교 분말 야금학의 중국 국가 핵심 연구소에서 역시 창사 중남대학교에 위치한 제2 XiangYa 병원과 협력하여 연구한 결과 0.5C가 첨가된 Fe-35Mn 합금은 Mn 휘발성이 낮다는 사실이 밝혀졌습니다. 금속 사출 성형으로 생산할 때 밀도가 높고 기계적 특성이 좋습니다. 연구 결과는 Ye Zhang 등의 'Enhanced Mechanical Performance of a Biodegradable Fe-Mn Alloy Manufactured by Metal 사출 성형 및 Minor Carbon Addition'이라는 제목의 논문으로 Metals, 12, 884, 5월 23일자에 게재되었습니다. , 2022, 9페이지.

저자는 MIM으로 생산된 Fe-Mn 분해성 합금의 기계적 및 분해 특성을 결정하는 이전 연구에서 소결 중 휘발, 산소 불순물로 인해 여전히 상당한 Mn 손실(2.25%)이 있음이 발견되었다고 밝혔습니다. 함량이 높고(0.32wt.%) 상대밀도는 약 93%에 불과하다. 단일 변형 메커니즘과 높은 다공성으로 인해 기계적 특성이 상대적으로 열악했습니다(인장 강도 558 MPa 및 연신율 10.8%). 따라서 현재 보고된 연구는 가압 소결을 사용하여 MIM Fe-Mn 합금의 탄소 함량을 도입 및 최적화하고 결과적으로 소결된 미세 구조, 기계적 특성 및 해당 기계적 변형 메커니즘을 조사하는 것을 목표로 했습니다.

본 연구에서는 사전 합금된 Fe-35Mn(D50 = 14.0μm) 및 흑연(D50 = 30.8μm) 분말을 다성분 바인더 시스템(60wt.% 파라핀 + 36.5wt.% 고밀도 폴리에틸렌 + 3.5 중량% 스테아르산)을 사용하여 MIM 공급원료를 생산하며 분말 로딩량은 58 vol.%입니다. 소결 특성 비교를 위해 탄소 첨가 없이 Fe-35Mn 공급원료도 제조되었습니다. 그림 1(c)에 표시된 것처럼 펠릿화된 공급원료를 사출 성형하여 길이 108mm, 직경 3.8mm의 Fe-35Mn-0.5C 녹색 부품 샘플을 생성했습니다.

용매 탈지(디클로로메탄, 40°C, 8시간)와 열 탈지(아르곤, 600°C, 1시간)를 포함하는 2단계 탈지 방법을 사용했습니다. 그런 다음 탈지된 시편을 저진공 대기(10-1 Pa) 또는 5 atm의 적용 압력을 사용하는 아르곤 대기 하에서 1200°C에서 7시간 동안 소결했습니다. 소결 온도 및 유지 시간의 선택은 이전에 보고된 연구에서 저자가 설정한 Mn의 평형 증기압을 주로 참조했습니다.

진공 소결 중에 소량의 휘발된 Mn 증기가 지속적으로 배출되어 소결 공정 중 Mn의 지속적인 손실을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 그러나 이 문제는 가압 소결 과정에서 방지되었으며, 이는 Mn의 휘발을 획기적으로 줄이고 합금 구성의 안정성을 보장합니다. 표 1은 조사된 세 가지 조성의 원소 함량과 상대 밀도를 보여줍니다. 볼 수 있는 바와 같이, 0.5% 탄소 첨가(PS0.5)를 갖는 가압 소결된 Fe-35Mn의 상대 밀도는 97%에 도달했다. 진공 소결(VS) 합금의 기공은 불규칙한 형태인 반면, 아르곤에서 압력 소결된 PS 및 PS0.5 합금의 기공은 미세하고 균일한 것으로 나타났습니다.