مقاله تاثیر کلسیم بر رفتار خوردگی آلیاژ زیست تخریب پذیر MG 5ZN 1Y

بخشی از مقاله

چکیده:

امروزه آلیاژهای منیزیم به عنوان یک بایومواد زیستتخریبپذیر جدید توجه زیادی را به خود جلب کردهاست. در این پژوهش، رفتار خوردگی آلیاژهای Mg-5Zn-1Y با درصدهای مختلف کلسیم 0 - ، 0/1، 0/5 و - 1 مورد بررسی قرار گرفتهاست. ترکیب شیمیایی آلیاژ به کمک آنالیز شیمیایی به روش×زوج×پلاسمای×القایی؛طیف×سنجی ×نشر×نوری، و ترکیب فازی آن به کمک پراش اشعه ایکس تأیید شدند؛ رفتار خوردگی آلیاژهای ریختگی به کمک آزمونهای الکتروشیمیایی پولاریزاسیون و غوطهوری مورد سنجش قرار گرفت.

با بررسی نتایج میکروسکوپی، ریزساختار آلیاژ Mg-5Zn-1Y شامل زمینه - Mg و فاز لایهای شکل Mg3YZn6 در مرزدانه میباشد. از طرفی افزودن کلسیم باعث ریز شدن ریزساختار و تشکیل رسوبات پیوسته فاز Ca2Mg6Zn3 در مرزهای دانه میگردد. با توجه به منحنیهای پولاریزاسیون منطقه پسیو مشاهده نمیگردد که این امر حاکی از ایجاد پولاریزاسیون فعال میباشد. با توجه به پولاریزاسیون فعال ایجاد شده، ریزدانه شدن به دلیل افزایش درصد کلسیم، افزایش سرعت خوردگی را در پی دارد. نتایج غوطهوری و پولاریزاسیون نشان میدهد که آلیاژ Mg-5Zn-1Y-0.1Ca کمترین سرعت خوردگی را در بین آلیاژهای دیگر دارد.

.1 مقدمه

منیزیم با چگالی 1/74، سبکترین فلز مهندسی محسوب میشود .[1] چگالی پایین که کاهش وزن را در پی دارد، باعث افزایش استقبال استفاده از این فلز در صنایع خودروسازی، نظامی، هواپیمایی، پزشکی و ... شده است .[2] از جمله کاربردهای منیزیم در صنایع پزشکی، استفاده به عنوان ایمپلنتهای ارتوپدی می باشد. منیزیم و آلیاژهای آن پتانسیل بالایی از قبیل، زیستسازگاری، زیست تخریب-پذیری، مدول الاسیسیته نزدیک به استخوان طبیعی و قابلیت تحمل بار دارد اما از آنجایی که منیزیم خالص از رفتار خوردگی و خواص مکانیکی خوبی برخوردار نیست، از روشهای مختلفی برای بهبود این خواص استفاده میشود از جمله؛ آلیاژسازی، عملیات حرارتی، عملیات ترمومکانیکی و پوششدهی

عناصر رایجی که برای آلیاژسازی استفاده میگردد شامل آلومینیوم، روی، منگنز، کلسیم، ایتریم، زیرکنیوم و عناصر نادرخاکی است که باعث بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی آلیاژ منیزیم میگردد 10]و.[9 عناصر آلیاژی باید به دقت انتخاب گردد تا زیستسازگاری منیزیم حفظ گردد. عناصری مانند آهن، نیکل، مس و کبالت اثرات بسیار مخربی بر خواص خوردگی منیزیم دارند، نرخ تخریب را به سرعت افزایش میدهند. کادمیوم، منگنز، قلع، روی و کلسیم اثر کمی بر روی نرخ خوردگی منیزیم دارند و اثر بخشی آنها وابسته به غلظت مواد محلول است. آلومینیوم یک عنصر آلیاژی عمده در آلیاژهای پایه منیزیم است و برای افزایش استحکام و مقاومت در برابر خوردگی در نظر گرفته میشود.

با این حال، زیستسازگاری ضعیف آن باعث کاهش فسفات در بافت و کاهش جذب فسفات دستگاه گوارش است که میتواند به زوال تدریجی عقل منجر گردد. اگر غلظت آن از حد معینی تجاوز کند برای سلولهای زنده سمی است و تجمع و غلظتهای زیاد آن به اختلالات سیستم عصبی، زوال عقل و بیماری آلزایمر نسبت داده شده است 

همچنین آلومینیوم برای سلولهای استخوانساز مضر است زیرکنیوم که به عنوان ریزدانهکننده به آلیاژهای پایه منیزیم اضافه میگردد با سرطان سینه و ریه، حلق و کبد در ارتباط است. عناصر نادرخاکی مانند سریم، لوتیوم، نئودیمیم و پراسئودیمیوم به طور عمده برای بدن سمی هستند و می-تواند به مسمومیت کبد بیانجامد 

از این رو، انتخاب عناصر آلیاژی مناسب در طراحی مواد زیست سازگار ایمپلنت بحرانی است. استفاده از موادی که برای بدن انسان به عنوان عناصر آلیاژی ضروری است، تا حد زیادی میتواند احتمال سمی بودن را کاهش دهد و یک آلیاژ به طور کامل زیست تخریبپذیر و سازگار را توسعه دهد

کلسیم  و روی دو عنصر اساسی در بدن انسان است که استحکام مکانیکی در آلیاژهای پایه منیزیم را فراهم میکند. همچنین گزارش شدهاست که کلسیم مقاومت به خوردگی آلیاژهای پایه منیزیم را در محلول شبیه ساز بدن بهبود میبخشد، همچنین کلسیم تشکیل دهنده اصلی استخوان بوده که از این رو رشد استخوان را تسریع میکند و آزاد شدن هم زمان یونهای Mg و Ca برای التیام یافتن استخوان سودمند است. علاوه بر این کلسیم در پیامرسانی شیمیایی سلولها نقش اساسی دارد

افزودن روی استحکام آلیاژ پایه منیزیم را از طریق استحکامدهی رسوبات افزایش میدهد. به روشنی نشان داده شدهاست که Zn و Ca مسمومیت سلولی ایجاد نمیکنند. همچنین عناصر نادر خاکی از جمله ایتریم در کنار منیزیم باعث میشود تا در مقایسه با سایر سیستمهای آلیاژی بالاترین استحکام را داشته باشد

.2 روش تحقیق
-1-2 مواد اولیه و فرایند ساخت
برای تهیه آلیاژ مورد مطالعه در این پژوهش از شمشهای خالص تجاری منیزیم، روی، کلسیم و آمیژان Mg-30%Y تهیه شده از کشور چین استفاده گردید. برای تهیه آلیاژ مورد نظر ابتدا با توجه به درصد تلفاتی که برای هر عنصر، با توجه به آزمایشهای پیشین بر روی این آلیاژ و آلیاژهای دیگر، در نظر گرفته شدهاست - مقدار اتلاف برای Mg، %5، Zn، %5، Y، %10 و Ca، - % 2 مواد اولیه برای 400 گرم شارژ محاسبه گردید. سپس شمشها با استفاده از اره نواری به قطعات کوچک برش زده شد و توسط ترازوی دیجیتالی با دقت 0/01 گرم به میزان محاسبه شده توزین گردید.

برای ذوب و آلیاژسازی از بوتهی گرافیتی و کوره القایی استفاده شد. بدین ترتیب که ابتدا کوره به همراه بوته تا دمای 800oC پیش گرم شدند و سپس شمشهای بریده شده منیزیم به درون بوته شارژ شد بعد از گذشت 10 دقیقه که منیزیمها ذوب شدند ایتریم و به ترتیب با اختلاف زمانی 5 دقیقه روی و کلسیم به شارژ اضافه گردیدند و توسط میلهای از جنس کوارتز هم زده شد، بعد از گذشت چند دقیقه کوتاه مذاب آماده شده درون قالب ساده فولادی استوانهای شکل به ابعاد φ30 130 که تا دمای 100oC پیشگرم شده بودند به صورت ثقلی ریختهگری شد. تمامی مراحل ذوب، آلیاژسازی و ریختهگری به دلیل واکنشپذیری شدید منیزیم با اکسیژن هوا تحت گازهای محافظ CO2 و SF6 صورت گرفت. بدین ترتیب آلیاژهای ریختگی با درصدهای وزنی مختلف کلسیم 0، 0/1، 0/5 و 1 به شکل استوانههایی بدست آمدند.

-2-2 شناسایی عنصری و فازی
به منظور حصول اطمینان از ترکیب شیمیایی آلیاژ زمینه و تعیین فازهای موجود در آن از آلیاژهای ریختگی ابتدا آنالیز عنصری به روش زوج پلاسمای القایی-طیف سنجی نشر نوری - ICP-OES - و سپس آنالیز فازی به روش پراش پرتو ایکس - XRD - به عمل آمد.

-3-2 مطالعات ریزساختاری
برای بررسی مطالعات ساختاری نمونهها با نهایت احتیاط و با استفاده از روانکار سردکننده به ابعاد 10 10 برش زده شد و با استفاده از کاغذ سنباده با شمارههای شمارههای P80، P100، P220، P400، P800، P1000، P1500، P2000، P2500 و P5000 با آب سنباده زده شده و سپس پولیش شدند. نمونهها پس از پولیش توسط آب مقطر شسته شو داده شده و در جریان هوای گرم، خشک شدند. برای آشکار ساختن ساختار فازی و مرزدانهها و دانهبندی ابتدا از محلول اچ پیکرال استیک 10ml - اسید استیک 4/2gr + اسید پیکریک 10 ml + آب 1مقطر70 ml +2 اتانول - %99 و سپس برای وضوح بیشتر از محلول اچ نایتال3 ml - %3 اسید نیتریک 97 ml + اتانول - %99 استفاده گردید. نمونهها پس از اچ کردن توسط اتانول %96 شستشو شده و با جریان هوای گرم خشک شدند.

برای مشاهده ریزساختار و تهیه تصویر در بزرگنمایی های مختلف از میکروسکوپ نوری - OM - و برای بررسیهای تکمیلی از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - تسکن با تفنگ تنگستنی و مجهز به طیف سنج تفکیک انرژی - EDS - استفاده شد.

-4-2 آزمون پولاریزاسیون

برای انجام آزمون پولاریزاسیون ابتدا نمونهها آمادهسازی شدند؛ بدین-ترتیب که نمونهها از وسط نمونه ریختگی انتخاب شده و پس از برش زدن به ابعاد 10 10 به وسیله دستگاه دریل با متهی شماره 2 سوراخی به عمق 2mm در وسط نمونههای برش داده شده زده شد. برای برقراری اتصال الکتریکی از سیم مسی استفاده شد به این صورت
 که سیم مسی را به درون سوراخ ایجاد شده بر روی نمونه چفت کرده و از لولهی سرم به عنوان پوشش برای سیم مسی استفاده گردید تا هنگامی که درون محلول برای انجام پولاریزاسیون قرار میگیرد سیم مسی با محلول واکنش ندهد. نمونههای آماده شده به وسیله مانت سرد مانت شدند و به وسیلهی کاغذ سنبادههای شماره بندی شده با شمارههای P80، P100، P220، P400، P800، P1000، P1500، P2000، P2500 و P5000 با آب سنباده زده شدند. برای ساختن محلول شبیه ساز بدن - SBF - از ترکیبات 8/035 gr NaCl، 0/355 gr NaHCO3، 0/255 gr KCl، 0/311 gr K2HPO4.3H2O، 39 ml 1M-HCl، CaCl2 0/292 gr ، 0/072 gr Na2SO4 و 6 gr - CH2OH - 3CNH2 به همراه 1200ml آب مقطر استفاده شد.

بعد از آماده شدن نمونهها و محلول SBF از دستگاه پتانسیواستات مدل BHP 2064 برای انجام تست پولاریزاسیون استفاده شد. نمونهها درون سل مخصوص، حاوی 50 ml محلول SBF، قرار داده شد. الکترود مرجع کالومل - SCE - و الکترود پلاتین به عنوان الکترود شمارنده و نمونه به عنوان الکترود کاری به مجموعه اضافه شد. با استفاده از اطلاعات مقالات مشابه و آزمون سعی و خطا محدوده ولتاژ اعمالی بین -2/5 تا -1 ولت در نظر گرفته شد. بدین ترتیب تست پولاریزاسیون در این محدوده ولتاژ و نرخ پویش 0/001 mv/s صورت گرفت و اطلاعات به صورت گراف و اکسل ذخیره گردید. سپس با استفاده از اطلاعات بدست آمده با استفاده از رابطه زیر سرعت خوردگی محاسبه گردید:

که در این رابطه Pi سرعت خوردگی بر حسب mpy و icorr چگالی جریان خوردگی بر حسب A/cm2 میباشد.

-5-2 آزمون غوطهوری
برای انجام آزمون غوطه وری ابتدا نمونهها با دقت فراوان به قطر mm 10 و ارتفاع 10 mm برش داده شدند و همه اطراف نمونه به وسیله سنباده با شماره P2500 سنباده زده شدند. سپس ابعاد نمونهها به وسیلهی کولیس اندازه گرفته شد و وزن نمونهها به وسیله ترازوی دیجیتال با دقت 0/0001 توزین گردید. نمونهها برای از بین رفتن هرگونه آلودگی و چربی احتمالی و اثر انگشت با استفاده از اتانول %96 و آب مقطر شسته شده و سپس به وسیله هوای گرم خشک شدند