Розробка Fe-Cr-C сплавів з високим вмістом Mn для кісткових імплантів

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.312442

Ключові слова:

Fe-Cr-C сплав, біоматеріали, механічні властивості, корозійна стійкість, вміст Mn, ортопедичні імпланти

Анотація

Об'єктом цього дослідження є поєднання властивостей Mn і переваг Fe-Cr-C для покращення сумісних характеристик біоматеріалу. Досліджувалися три сплави Fe-Cr-C зі складом 12 мас. % Mn, 16 мас. % Mn і 20 мас. % Mn. Мікроструктурний аналіз проводили за допомогою скануючого електронного мікроскопа (СЕМ), а для оцінки твердості використовували набір для визначення твердості за Віккерсом. Метод «штифт-на-диску» використовувався для випробування на знос сухого ковзання, а випробування на корозію проводилося за допомогою методу триелектродної поляризації комірки. Твердість сплаву Fe-Cr-C зросла на 28,7 % із збільшенням вмісту Mn від 12 мас. % (231,8 VHN) до 20 мас. % (298,4 VHN). Значення міцності на розрив зросло на 30,3 % при збільшенні вмісту Mn з 12 мас. % (522,69 МПа) до 20 мас. % (680,89 МПа), а величина деформації зменшилася на 30,9 %. Однак ударна в'язкість дещо знизилася, з 0,213 Дж/мм2 при 12 мас. % Mn до 0,169 Дж/мм2 при 20 мас. % Mn. Результати зносу для Fe-Cr-C 20 мас. % Mn 0,000156 мм3/кг показують зниження більш ніж на 15 мас. % у порівнянні з Fe-Cr-C 12 мас. % Mn через збільшення твердоінтерметалічної області. Крім того, стійкість до корозії значно покращилася, при цьому швидкість корозії зменшилася з 0,005814 мм/рік при 12 мас. % Mn до 0,001780 мм/рік при 20 мас. % Mn, демонструючи, що вищий вміст Mn зменшує деградацію матеріалу в корозійних середовищах. Виходячи з експериментальних результатів, сплав Fe-Cr-C 20 мас. % Mn має найвищу механічну та корозійну стійкість з трьох типів сплавів. Fe-Cr-C зі сплавами з високим вмістом Mn є перспективними кандидатами для застосування в якості біоматеріалів для кісткових імплантів за рахунок оптимізації вмісту Mn і стійкості до корозії

Біографії авторів

Ratna Kartikasari, Institut Teknologi Nasional Yogyakarta

Doctor of Mechanical Engineering, Professor

Department of Mechanical Engineering

Sugiarto Kadiman, Institut Teknologi Nasional Yogyakarta

Doktor of Electrical Engineering, Associate Professor

Department of Electrical Engineering

Rivan Muhfidin, Institut Teknologi Nasional Yogyakarta

Master of Materials Science and Engineering, Assistance Professor

Department of Mechanical Engineering

Ihwanul Aziz, National Research and Innovation Agency (BRIN)

Master of Science, Researcher

Research Center for Accelerator Technology, Nuclear Energy Research Organization

Triyono Triyono, Universitas Sebelas Maret

Doctor of Mechanical Engineering, Professor

Department of Mechanical Engineering

Посилання

  1. Wang, W., Ouyang, Y., Poh, C. K. (2011). Orthopaedic Implant Technology: Biomaterials from Past to Future. Annals of the Academy of Medicine, Singapore, 40 (5), 237–244. https://doi.org/10.47102/annals-acadmedsg.v40n5p237
  2. Poinescu, A. A., Ion, R.-M. (2018). 316L Stainless Steel/Hydroxyapatite Composite Materials for Biomedical Applications. Hydroxyapatite - Advances in Composite Nanomaterials, Biomedical Applications and Its Technological Facets. https://doi.org/10.5772/intechopen.71490
  3. Ali, S., Abdul Rani, A. M., Mufti, R. A., Hastuty, S., Hussain, M., Shehzad, N. et al. (2019). An Efficient Approach for Nitrogen Diffusion and Surface Nitriding of Boron-Titanium Modified Stainless Steel Alloy for Biomedical Applications. Metals, 9 (7), 755. https://doi.org/10.3390/met9070755
  4. Salahinejad, E., Hadianfard, M. J., Macdonald, D. D., Sharifi-Asl, S., Mozafari, M., Walker, K. J. et al. (2013). In Vitro Electrochemical Corrosion and Cell Viability Studies on Nickel-Free Stainless Steel Orthopedic Implants. PLoS ONE, 8 (4), e61633. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0061633
  5. Kartikasari, R., Subardi, A., Muhfidin, R., Aziz, I., Effendy, M., Triyono, T., Diharjo, K. (2023). Development of Fe-13.8Cr-8.9Mn alloy for steel biomaterials. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (12 (126)), 6–15. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.293009
  6. Mahmoud, E. R. I., Shaharoun, A., Gepreel, M. A., Ebied, S. (2022). Phase Prediction, Microstructure and Mechanical Properties of Fe–Mn–Ni–Cr–Al–Si High Entropy Alloys. Metals, 12 (7), 1164. https://doi.org/10.3390/met12071164
  7. Tiwar, S., Mishra, S. B. (2018). Corrosion of Stainless Steel and its Prevention through Surface Modification for Biomedical Application: A Review. Asian Journal of Engineering and Applied Technology, 7 (2), 60–66. https://doi.org/10.51983/ajeat-2018.7.2.954
  8. Nagarajan, S., Mohana, M., Sudhagar, P., Raman, V., Nishimura, T., Kim, S. et al. (2012). Nanocomposite Coatings on Biomedical Grade Stainless Steel for Improved Corrosion Resistance and Biocompatibility. ACS Applied Materials & Interfaces, 4 (10), 5134–5141. https://doi.org/10.1021/am301559r
  9. Talha, M., Behera, C. K., Sinha, O. P. (2013). A review on nickel-free nitrogen containing austenitic stainless steels for biomedical applications. Materials Science and Engineering: C, 33 (7), 3563–3575. https://doi.org/10.1016/j.msec.2013.06.002
  10. Gregorutti, R. W., Grau, J. E., Sives, F., Elsner, C. I. (2015). Mechanical, electrochemical and magnetic behaviour of duplex stainless steel for biomedical applications. Materials Science and Technology, 31 (15), 1818–1824. https://doi.org/10.1179/1743284715y.0000000017
  11. Al-Zoubi, N., Li, X., Schönecker, S., Johansson, B., Vitos, L. (2014). Influence of manganese on the bulk properties of Fe-Cr-Mn alloys: a first-principles study. Physica Scripta, 89 (12), 125702. https://doi.org/10.1088/0031-8949/89/12/125702
  12. Ha, H.-Y., Jang, M.-H., Lee, T.-H. (2016). Influences of Mn in solid solution on the pitting corrosion behaviour of Fe-23 wt%Cr-based alloys. Electrochimica Acta, 191, 864–875. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.01.118
  13. Yuan, Y., Wu, Y., Yang, Z., Liang, X., Lei, Z., Huang, H. et al. (2019). Formation, structure and properties of biocompatible TiZrHfNbTa high-entropy alloys. Materials Research Letters, 7 (6), 225–231. https://doi.org/10.1080/21663831.2019.1584592
  14. Allain, J. P., Echeverry-Rendón, M. (2018). Surface treatment of metallic biomaterials in contact with blood to enhance hemocompatibility. Hemocompatibility of Biomaterials for Clinical Applications, 279–326. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-100497-5.00008-2
  15. Rasouli, D., Kermanpur, A., Najafizadeh, A. (2019). Developing high-strength, ductile Ni-free Fe–Cr–Mn–C–N stainless steels by interstitial-alloying and thermomechanical processing. Journal of Materials Research and Technology, 8 (3), 2846–2853. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.12.026
  16. Kartikasari, R., Effendy, M. (2021). Surface characterization of Fe–10Al–25Mn alloy for biomaterial applications. Journal of Materials Research and Technology, 15, 409–415. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.08.006
  17. Eliaz, N. (2019). Corrosion of Metallic Biomaterials: A Review. Materials, 12 (3), 407. https://doi.org/10.3390/ma12030407
  18. Borgioli, F., Galvanetto, E., Bacci, T. (2016). Low temperature nitriding of AISI 300 and 200 series austenitic stainless steels. Vacuum, 127, 51–60. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.02.009
  19. Yang, K., Ren, Y. (2010). Nickel-free austenitic stainless steels for medical applications. Science and Technology of Advanced Materials, 11 (1), 014105. https://doi.org/10.1088/1468-6996/11/1/014105
  20. Muñoz, A., Costa, M. (2012). Elucidating the mechanisms of nickel compound uptake: A review of particulate and nano-nickel endocytosis and toxicity. Toxicology and Applied Pharmacology, 260 (1), 1–16. https://doi.org/10.1016/j.taap.2011.12.014
Розробка Fe-Cr-C сплавів з високим вмістом Mn для кісткових імплантів

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-10-30

Як цитувати

Kartikasari, R., Kadiman, S., Muhfidin, R., Aziz, I., & Triyono, T. (2024). Розробка Fe-Cr-C сплавів з високим вмістом Mn для кісткових імплантів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(12 (131), 31–38. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.312442

Номер

Том 5 № 12 (131) (2024): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Ratna Kartikasari, Sugiarto Kadiman, Rivan Muhfidin, Ihwanul Aziz, Triyono Triyono

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.