Оптимізація складу сплаву Fe-Cr-Mn як матеріалу для імплантатів з точки зору механічних властивостей та корозійної стійкості

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.341820

Ключові слова:

сплави Fe-Cr-Mn, матеріали для імплантатів, мікроструктура, механічні властивості, корозійна стійкість, біосумісність

Анотація

Об'єктом цього дослідження є сплави нержавіючої сталі Fe-Cr-Mn, що містять 0,23–0,41 мас.% C та 17,59–18,36 мас.% Cr з різним вмістом Mn. Розробка безнікелевих нержавіючих сталей усуває недоліки традиційних матеріалів для імплантатів, таких як титанові сплави, сплави Co-Cr та нержавіюча сталь AISI 316L, які часто мають проблеми біосумісності, токсичності та механічної несумісності з кісткою. Сплави Fe-Cr-Mn були виготовлені методом високочастотного індукційного плавлення, а потім випробувані на мікроструктуру, механічні властивості, зносостійкість та корозійність. SEM-EDS виявив перехід від феритної структури (2,5% Mn) до дуплексної α+γ (5% Mn) та переважно аустенітної структури (7,5% Mn). Механічні випробування показали, що твердість та міцність на розрив досягли піку при 2,5% Mn, тоді як пластичність та ударна в'язкість покращувалися зі збільшенням Mn, досягаючи своїх найвищих значень при 5% Mn. Зносостійкість значно зростала при вищих рівнях Mn завдяки утворенню стабільних трибооксидів та зміцнювальному ефекту аустенітної матриці. Електрохімічні випробування в 0,9% розчині NaCl показали, що Fe-18Cr-5Mn має найкращу корозійну стійкість, що пояснюється стабільністю його пасивної плівки, тоді як надмірний вміст Mn (7,5%) спричиняє пасиваційне руйнування через утворення гідроксиду Mn. Загалом, Fe-18Cr-5Mn продемонстрував найкращу синергію між міцністю, в'язкістю, зносостійкістю та захистом від корозії в умовах фізіологічного розчину, що робить його перспективною безнікелевою нержавіючою сталлю для біомедичних матеріалів для імплантатів наступного покоління

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

Посилання

  1. Borgioli, F., Galvanetto, E., Bacci, T. (2021). Surface Modification of a Nickel-Free Austenitic Stainless Steel by Low-Temperature Nitriding. Metals, 11 (11), 1845. https://doi.org/10.3390/met11111845
  2. Pani, R., Behera, R. R., Roy, S. (2023). Corrosion Behaviour of Metallic Biomaterials in Physiological Environments. Handbook of Research on Corrosion Sciences and Engineering, 246–273. https://doi.org/10.4018/978-1-6684-7689-5.ch009
  3. Radice, S., Neto, M. Q., Fischer, A., Wimmer, M. A. (2021). Nickel‐free high‐nitrogen austenitic steel outperforms CoCrMo alloy regarding tribocorrosion in simulated inflammatory synovial fluids. Journal of Orthopaedic Research, 40 (6), 1397–1408. https://doi.org/10.1002/jor.25174
  4. Ansary, S., Mondal, S., Sekh, M., Haque, R., Haidar, S. (2022). Indigenous Production of Porous 316L through Powder Metallurgy and Investigation of their Mechanical Properties. Key Engineering Materials, 933, 32–41. https://doi.org/10.4028/p-2fqtl1
  5. Patnaik, L., Ranjan Maity, S., Kumar, S. (2020). Status of nickel free stainless steel in biomedical field: A review of last 10 years and what else can be done. Materials Today: Proceedings, 26, 638–643. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.205
  6. Xu, S., Gao, F., Han, J., Xiong, S., Duan, X., Zha, F., Yu, B. et al. (2022). Corrosion Behaviors of Fe-22Cr-16Mn-0.55N High-Nitrogen Austenitic Stainless Steel in 3.5% NaCl Solution. Coatings, 12 (11), 1769. https://doi.org/10.3390/coatings12111769
  7. Jiang, G., Wu, M., Yang, X., Wang, H., Zhu, Y. (2024). Effect of Mn addition on microstructure and mechanical properties of GX40CrNiSi25-12 austenitic heat resistant steel. China Foundry, 21 (3), 205–212. https://doi.org/10.1007/s41230-024-3134-6
  8. Nayak, C., Anand, A., Kamboj, N., Kantonen, T., Kajander, K., Tupala, V. et al. (2024). Tribological behavior and biocompatibility of novel Nickel-Free stainless steel manufactured via laser powder bed fusion for biomedical applications. Materials & Design, 242, 113013. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113013
  9. Xu, N., Chen, G., Zhang, Q., Hu, H., Xu, G. (2025). Study on the Deformation Behavior and Mechanical Properties of Lightweight Economic Stainless Steels with Varying Al and Mn Contents. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 9 (7), 206. https://doi.org/10.3390/jmmp9070206
  10. Patra, S., Agrawal, A., Mandal, A., Podder, A. S. (2021). Characteristics and Manufacturability of Duplex Stainless Steel: A Review. Transactions of the Indian Institute of Metals, 74 (5), 1089–1098. https://doi.org/10.1007/s12666-021-02278-7
  11. Li, Z., Luo, H., Hou, L., Zhao, Q., Wang, X., Chang, Y. (2025). Effect of Mn addition on the corrosion behavior of FeCrNiMn Si alloys in simulated seawater environment. Corrosion Science, 252, 112978. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112978
  12. Hsu, K.-M., Chien, W.-L., Lin, C.-S. (2023). The improved stability and corrosion resistance of the passive film on Mn-containing FeCrNiCoMnx high entropy alloys by multiple pickling. Journal of Alloys and Compounds, 962, 171141. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171141
  13. Wang, Z., Yan, Y., Wu, Y., Zhang, Y., Zhao, X., Su, Y., Qiao, L. (2023). Recent research progress on the passivation and selective oxidation for the 3d-transition-metal and refractory multi-principal element alloys. Npj Materials Degradation, 7 (1). https://doi.org/10.1038/s41529-023-00410-0
  14. Kartikasari, R., Kadiman, S., Muhfidin, R., Aziz, I., Triyono, T. (2024). Development of Fe-Cr-C alloys with high Mn content for bone implant. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (131)), 31–38. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.312442
  15. 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
  16. Ladani, L., Palmieri, M. (2024). Review of the Use of Metals in Biomedical Applications: Biocompatibility, Additive Manufacturing Technologies, and Standards and Regulations. Metals, 14 (9), 1039. https://doi.org/10.3390/met14091039
  17. Romanczuk-Ruszuk, E., Krawczyńska, A., Łukaszewicz, A., Józwik, J., Tofil, A., Oksiuta, Z. (2023). Bioactivity, Cytotoxicity, and Tribological Studies of Nickel-Free Austenitic Stainless Steel Obtained via Powder Metallurgy Route. Materials, 16 (24), 7637. https://doi.org/10.3390/ma16247637
  18. Bosch, J., Martin, U., Aperador, W., Bastidas, J. M., Ress, J., Bastidas, D. M. (2021). Corrosion Behavior of High-Mn Austenitic Fe–Mn–Al–Cr–C Steels in NaCl and NaOH Solutions. Materials, 14 (2), 425. https://doi.org/10.3390/ma14020425
  19. Jung, J., Ma, B. (2002). Pat. No. US8043446B2. High manganese duplex stainless steel having superior hot workabilities and method manufacturing thereof. Available at: https://patents.google.com/patent/US8043446B2/en
  20. Yu, K. P., Jiang, H., Xu, X. Y., Huang, M. X. (2024). Design of corrosion-resistant alloys for preventing oxidation-induced nanoscale Cr-depletion by inclusion engineering. Materials & Design, 244, 113146. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113146
  21. Eliaz, N. (2019). Corrosion of Metallic Biomaterials: A Review. Materials, 12 (3), 407. https://doi.org/10.3390/ma12030407
  22. Rybalchenko, O., Anisimova, N., Martynenko, N., Rybalchenko, G., Belyakov, A., Shchetinin, I. et al. (2023). Biocompatibility and Degradation of Fe-Mn-5Si Alloy after Equal-Channel Angular Pressing: In Vitro and In Vivo Study. Applied Sciences, 13 (17), 9628. https://doi.org/10.3390/app13179628
  23. Ribeiro, J. J. K., Turin, A. R., Nuñez de la Rosa, Y. E., Quadros, P. V. C. A., Calabokis, O. P., Lepienski, C. M. et al. (2023). Mechanical Characterization at Nanoscale of Austenite, Ferrite, and Sigma Phases via Hardness Measurement and Fretting Wear Behavior of a Duplex Stainless Steel. Metals, 13 (5), 864. https://doi.org/10.3390/met13050864
  24. Omiogbemi, I. M.-B., Yawas, D. S., Das, A., Afolayan, M. O., Dauda, E. T., Kumar, R. et al. (2022). Mechanical properties and corrosion behaviour of duplex stainless steel weldment using novel electrodes. Scientific Reports, 12 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26974-6
  25. Liu, S., Ge, Y., Liu, H., Liu, J., Feng, Y., Chen, C., Zhang, F. (2022). Tensile Properties and Microstructure Evolutions of Low-Density Duplex Fe–12Mn–7Al–0.2C–0.6Si Steel. Materials, 15 (7), 2498. https://doi.org/10.3390/ma15072498
  26. Yan, X., Wu, Y., Zhang, M., Liu, S., Sun, L., Feng, Y. (2022). Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Ferrite–Austenite Duplex Fe-Mn-Al-(Cu)-C Steel under Different Annealing Temperatures. Materials, 15 (22), 8271. https://doi.org/10.3390/ma15228271
  27. Zhang, C., Bao, X., Hao, M., Chen, W., Zhang, D., Wang, D. et al. (2022). Hierarchical nano-martensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy. Nature Communications, 13 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33710-1
  28. Du, C., Wang, X. (2025). Intergranular precipitation evolution and its effect on the impact toughness of Super304H austenitic stainless steel weld metal during long-term aging at 650 °C. Journal of Materials Research and Technology, 36, 7304–7317. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.04.312
  29. Misra, R. D. K. (2023). A perspective in the understanding of strength–toughness combination during processing of engineering ferrous alloys. Materials Technology, 38 (1). https://doi.org/10.1080/10667857.2023.2278000
  30. He, J., Lv, J., Song, Z., Wang, C., Feng, H., Wu, X. et al. (2023). Maintaining Excellent Mechanical Properties via Additive Manufacturing of Low-N 25Cr-Type Duplex Stainless Steel. Materials, 16 (22), 7125. https://doi.org/10.3390/ma16227125
  31. Maier, A., Rühr, M., Stephan, M., Frankl, S., Roth, S., Schmidt, M. (2023). Tailoring material properties of duplex stainless steel by DED-LB/M and in situ alloying with elemental powders. Journal of Laser Applications, 35 (4). https://doi.org/10.2351/7.0001119
  32. Ma, H., Zhao, Y., Feng, Y., Yu, Z., Sun, J., Song, H. et al. (2024). Effect of Mn content on corrosion and mechanical behaviors of Fe-based medium entropy alloy. Journal of Materials Research and Technology, 30, 5632–5651. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.04.246
Оптимізація складу сплаву Fe-Cr-Mn як матеріалу для імплантатів з точки зору механічних властивостей та корозійної стійкості

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-30

Як цитувати

Kartikasari, R., Kadiman, S., Muhfidin, R., & Aziz, I. (2025). Оптимізація складу сплаву Fe-Cr-Mn як матеріалу для імплантатів з точки зору механічних властивостей та корозійної стійкості. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(12 (137), 25–35. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.341820

Номер

Том 5 № 12 (137) (2025): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Ratna Kartikasari, Sugiarto Kadiman, Rivan Muhfidin, Ihwanul Aziz

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.