CAPÍTULO III

5/28/2018 CAPTULO III

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CAPTULO III

MATERIALES Y MTODOS


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3.1. INTRODUCCION

Los estudios realizados para mejorar el comportamiento de las

aleaciones de titanio tienen como principal objetivo mejorar las

propiedades mecnicas del material manteniendo una buena resistencia a

la corrosin. Adems, su empleo en la fabricacin de implantes quirrgicos

requiere la obtencin de unas buenas caractersticas de

biocompatibilidad.

Entre los principales materiales empleados en el campo de los

biomateriales cabe destacar el titanio comercialmente puro, si bien su

utilizacin est restringida como consecuencia de sus limitadas propiedades

mecnicas. En aquellos casos en que se requieran unas buenas

caractersticas mecnicas, se est empleando la aleacin Ti-6Al-4V, a

pesar de que en los ltimos aos se ha desencadenado una cierta

controversia sobre la biocompatibilidad de esta aleacin.

Actualmente se est propiciando el desarrollo de nuevas aleaciones

que no contengan en su composicin ni aluminio ni vanadio, con la

finalidad de obtener aleaciones que presenten una mejor biocompatibilidad,

y por consiguiente, que su utilizacin en la fabricacin de implantes

quirrgicos permita asegurar un buen comportamiento dentro del cuerpo

humano durante largos periodos de tiempo.

Por otra parte, el titanio y sus aleaciones presentan problemas de

resistencia al desgaste, lo cual dificulta su uso en el campo de las prtesis

articulares y en otras aplicaciones mdicas donde el material se ve

sometido a friccin. Para resolver estos problemas se estn estudiando

diferentes tratamientos de endurecimiento superficial con la finalidad de

reducir el coeficiente de friccin del material y por consiguiente mejorar la

resistencia al desgaste del mismo.

El presente trabajo tiene como finalidad el estudio de la aleacin Ti-0.2Pd,

con el propsito de alcanzar los siguientes objetivos:

Mejorar las propiedades mecnicas y la resistencia a la corrosin

mediante el estudio del efecto de los tratamientos trmicos en loscambios microestructurales de la aleacin.


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Obtener un incremento en la resistencia al desgaste a partir

de larealizacin de tratamientos superficiales.

Optimizar las propiedades de la aleacin Titanio-0,2 Paladio con la

finalidad de presentarla como una alternativa a las aleaciones de

Titanio actualmente empleadas en el campo de los biomateriales.

3.2. EL TITANIO Y SUS ALEACIONES

3.2.1 Propiedades y caractersticas del titanio

El titanio es el noveno elemento, por orden de abundancia, presente en lacorteza terrestre (y el cuarto metal, tras el hierro, el aluminio y el

magnesio), con un 0,63% en peso. Su descubrimiento, relativamente

reciente, fue realizado en el ao 1790 por el Reverendo ingls William

McGregor y as, un siglo ms tarde, pudo ser aislado por Lars Frederik

Nilson y Peterson en el ao 1887.

En la naturaleza se encuentra combinado qumicamente usualmente con

oxgeno o hierro, siendo los minerales ms importantes la ilmenita(titanato de hierro, FeTiO3) y el rutilo (dixido de titanio, TiO 2). En

nuestros das el consumo del mineral est bsicamente relacionado con

la utilizacin de pigmentos y cargas (de un 90 a un 95% del mineral

extrado) en la industria de la pintura, en algunas materias plsticas, en

la industria del papel o en la industria cermica. Slo de un 5 a un 10% del

mineral encuentra aplicacin en la industria metalrgica, en forma de

ferrotitanio para las adiciones a los aceros, o para la elaboracin detitanio metlico y aleaciones de titanio.

La obtencin del metal es difcil, debido a su gran reactividad con el

oxgeno, nitrgeno y carbono, a temperaturas elevadas. Esto ha motivado

que no haya sido posible su produccin como titanio puro hasta principios

del siglo XX. El procedimiento actual de obtencin es el proceso

desarrollado por el alemn Kroll (1937), en el cual el tetracloruro (TiCl4)

obtenido por cloracin de los minerales y purificado por destilacinfraccionada, se reduce con magnesio fundido en vaco o en atmsfera de


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argn a 800 oC, obtenindose as un slido poroso, que se conoce

como esponja de titanio, el cual se consolida por fusin. La produccin

industrial empez en 1948, con tres toneladas, siendo su consumo actual de

unas 160.1 toneladas anuales, con un ritmo de crecimiento anual del

7% aproximadamente. Los pases productores de titanio metlico son

Rusia, Estados Unidos, Japn, Reino Unido y China, siendo su consumo

principalmente en la industria aeronutica, del 50 al 75% en Estados

Unidos o en la CEE, con la nica excepcin de Japn que destina de un 80

a un 90% en aplicaciones industriales. La crisis que ha conocido la

industria aeronutica al principio de la dcada de los 90 ha llevado a la

fusin de las grandes empresas productoras de titanio, con lo cual el

precio medio de los semiproductos ha cado un 30% entre 1990 y 1995, si

bien an es relativamente elevado.

En la tabla 1 se indican las principales propiedades fsicas del titanio puro,

las cuales pueden variar ligeramente en funcin del contenido de

elementos intersticiales (oxgeno, nitrgeno o carbono).

Tabla 1: Propiedades fsicas del titanio.

Densidad

Estructura electrnica Estados de

oxidacin

4510 Kg.m-3(Ar)3d24s2+2, +3, +4

Temperatura de fusin

Coeficiente de dilatacin

Conductividad trmica (a 25 oC)

1668 "10oC

8,64 10-6 oC-1

21,9 W.(m.K)-1

Conductividad elctrica (a 20 oC)

Susceptibilidad magntica

2,38 106 (.m)-1

1,25 10-6

El titanio es un metal de color blanco plateado y presenta dimorfismo: a

bajas temperaturas cristaliza en forma hexagonal compacta (fase , con

parmetros de red a: 0.295 mm y c: 0,468 mm) y por encima de una

temperatura aproximada de 885,2 oC cristaliza en una estructura


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cbica centrada en el cuerpo. A una temperatura de 900 oC la fase

tiene un parmetro de red de 0.332 mm. Esta transformacin alotrpicaposibilita la realizacin de tratamientos trmicos con transformacin total.

El diferente comportamiento frente a la deformacin de los dos tipos de

redes permite disponer de un metal resistente y poco deformable a

temperatura ambiente (fase ) y fcilmente deformable si, mediante un

calentamiento, se obtiene la red cbica (fase ). Sin embargo, su baja

conductividad trmica (una sexta parte de la de los aceros) origina

problemas de calentamientos locales, y dificulta los tratamientos trmicos.

La resistencia a la corrosin es excelente en casi todos los medios, incluso

en el cuerpo humano, mucho mejor que la del acero inoxidable y las

aleaciones de aluminio. Este comportamiento se produce, a pesar de

tener un potencial electroqumico negativo, debido a la gran afinidad que

presenta con el oxgeno que comporta la formacin de una capa de xido

(10 mm) muy impermeable y que lo protege contra la corrosin. Esta capa

superficial de xido incrementa su potencial galvnico, comportndose

como un elemento catdico frente a la mayora de los metales.

A temperatura ambiente no es atacado por el oxgeno atmosfrico, la

humedad, las soluciones alcalinas ni los cidos diluidos. Esta resistencia

puede disminuir en ambientes que puedan disolver la capa de xido,

como por ejemplo los iones fluoruro o cloruro. El titanio se disuelve en

presencia de hidrcidos (con formacin de TiF4 y TiCl 4) y cidos

oxidantes concentrados, as como por lcalis en medio oxidante. No

parece verse afectado por la corrosin por microorganismos y por otra

parte es muy resistente a la corrosin bajo tensiones, presentando un

buen comportamiento en corrosin-fatiga.

La resistencia mecnica del titanio es relativamente baja, pero puede

aumentarse, disminuyendo su plasticidad, por disolucin de otros

elementos en la red, ya que presenta una gran facilidad para la formacin

de soluciones slidas, tanto intersticiales como substitucionales. En la

figura 3, se pone de manifiesto la variacin de las propiedades del

titanio en funcin del contenido de elementos intersticiales.


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(b)

Figura 3: Influencia del contenido de elementos intersticiales en el titanio: (a) resistencia la

traccin y (b) ductilidad.

La elevada reactividad del titanio dificulta la obtencin del metal puro, por

lo que en aplicaciones comerciales se trabaja con titanio denominado

comercialmente puro (c.p.) con diferentes niveles de impurezas en su

composicin. En Estados Unidos el titanio comercialmente puro es

producido segn los requerimientos de las normas ASTM: B 265, B 338 o B

367 en Grados 1, 2, 3 y 4, los cuales difieren en el contenido de oxgeno y

de hierro.

En la tabla 2 se definen los diversos grados del titanio comercialmente

puro, en funcin del contenido de elementos intersticiales, los cuales

influyen sobre la resistencia mecnica y la tenacidad del material. Cabe

destacar que el aumento del contenido de hierro empeora la resistencia a

la corrosin del material.


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Tabla 2, productos forjados y recocidos. Valores medios. Estos valores pueden variar

enfuncin del proceso de forja, as como de la orientacin de la probeta con respecto aladireccin de forja y de su posible textura.

Al igual que en todas las aleaciones monofsicas, la microestructura del

titanio c.p. depende del proceso de conformacin y del posteriortratamiento de recocido realizado. Adems, si se enfra el material desde

temperaturas superiores a la temperatura -transus, la microestructura

tambin est influenciada por la velocidad de enfriamiento. Todos estos

factores hacen posible la obtencin de tresmicroestructuras diferentes.La microestructura equiaxial se obtiene cuando se trabaja en fro el

titanio y posteriormente se realiza un recocido a temperaturas inferiores a la

temperatura - transus (figura 4 a). Un enfriamiento rpido desde la regin

de fase produce una estructura martenstica con celda hexagonal,

denominada fase =, en la que los granos originales de fase quedan

perfectamente delimitados (figura 4 b). Adiferencia de los aceros, el efectode endurecimiento producido por la martensita en el titanio c.p. es reducido,


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debido al gran tamao de grano y a la inexistencia de supersaturacin por

tomos intersticiales.

(a) (b)

Figura 4, Microestructura del titanio c.p.: (a) recocido 1 hora a 700oC mostrando granos

equiaxiales de fase (b) templado desde la regin de fase con una microestructurade

fase martenstica .

La tercera microestructura se obtiene por el enfriamiento lento desde

temperaturas superiores a la -transus, es la fase en forma de placas

con un crecimiento Widmansttten (figura 5). En el titanio de alta pureza

esta estructura se conoce como fase serrada, mientras que la presencia

de impurezas produce un efecto de placas en forma de cesta.

Figura 5: Microestructura de placas de fase alfa Widmansttten en el titanio c.p.

de grado tres.


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3.2.2. Aleaciones de titanio

Como hemos visto en la tabla 1, el titanio es un metal de transicin con

una estructura electrnica de capas incompletas, lo cual favorece laformacin de soluciones slidas substitucionales con elementos cuyos

radios atmicos no difieran en ms de un 20%.

Los elementos con menos de cuatro electrones de valencia por

tomo, son elementos alfgenos, es decir, elevan la temperatura de

transformacin alotrpica + , estabilizando la fase y ampliando

su intervalo de existencia. Estos elementos presentan diagramas deequilibrio como el que se indica esquemticamente en la figura 6 a. Aeste grupo pertenecen al aluminio y el galio, y el mismo tipo de diagrama

lo presentan elementos intersticiales como el oxgeno, carbono, boro o

nitrgeno.

Por otra parte, los elementos de ms de cuatro electrones de valencia por

tomo, son -estabilizantes o betgenos, o sea, se disuelven

preferentemente en la fase . Estos elementos disminuyen la temperatura

de transicin + , conocida como temperatura -transus, y pueden

dividirse en dos grupos: los llamados - isomorfos que forman

diagramas del tipo que se muestra en la figura 6 b (molibdeno,

wolframio, vanadio, niobio y tntalo), y los que favorecen la formacin de

sistemas -eutectoides como se muestra en la figura 6 c, en la que la fase

se transforma en la fase y en otra fase intermedia rica en elemento dealeacin; elementos de este tipo son: cobre, manganeso, cromo, hierro,

nquel, cobalto, plata, oro y el hidrgeno como elemento intersticial.

Otros elementos como el circonio, el estao y el silicio se consideran

neutros, ya que estabilizan las dos fases y se disuelven en ambas. En la

figura 6 se muestra el diferente efecto provocado por los elementos de

aleacin.


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(a) (b) (c)

Figura 6: Diagramas de equilibrio tpicos para las aleaciones de titanio.: (a) elementos

estabilizantes, (b) elementos estabilizantes, (c) elementoseutectoides.

Segn la capacidad de los aleantes de estabilizar la fase o , se

definen tres tipos de aleaciones de titanio: las aleaciones tipo ,aleaciones tipo / y aleaciones . Las aleaciones tipo / se suelen

clasificar a su vez en casi-,cuando tiene una estructura esencialmente a temperatura ambiente, y casi ,cuando la estructura a temperaturaambiente es mayoritariamente .

La clasificacin anterior se justifica por el diferente comportamientomecnico de ambas fases. La fase presenta poca ductilidad, pero un

buen comportamiento a fluencia, mientras que la fase tiene una

buena resistencia en fro y buena conformabilidad. La adicin de

diferentes elementos aleantes y la realizacin de procesos termoqumicos

permiten obtener un amplio rango de aleaciones de titanio con

diferentes propiedades. En la tabla 3 se muestra la influencia de los

diferentes elementos de aleacin en las propiedades del material.


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Tabla 3.

3.3. LA ALEACIN Ti-0.2Pd

3.3.1 INTRODUCCION

La aleacin Ti-0.2Pd est enmarcada dentro de las aleaciones tipo ,denominndose segn la norma ASTM como Titanio grado 7 (UNS

R52400) o Titanio grado 11 (UNS R52250), siendo la designacin L-7021 su


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correspondencia en la normativa Espaola (UNE Standard). En la tabla 4

se indican los lmites de composicin de estas dos aleaciones.

Tabla 4: composicin lmite de las aleaciones Titanio-Paladio.

Grado N

mx

C

mx

H

mx

O

mx

Femx

Pd Otros (mx.)

c. uno total

7 0,03 0,10 0,015 0,25 0,30 0,12-0,25 0,05 0,30

11 0,03 0,10 0,015 0,18 0,20 0,12-0,25 0,05 0,30

La superacin del lmite de concentracin de impurezas puede afectarnegativamente a la resistencia a la corrosin del material. Segn

Tomashov sobrepasar el 0,3% en hierro o cobre disminuye notablemente

la resistencia a la corrosin, mientras que parece ser beneficiosa la

presencia de entre un 0,2 y un 0,3% de nitrgeno. Por otra parte, una

cantidad menor de la especificada de paladio puede ser menos efectiva

en el objetivo de mejorar la resistencia a la corrosin, mientras que un

exceso de paladio no incrementa esta propiedad y no interesa desde elpunto de vista econmico, ya que encarece el precio de la aleacin.

El Paladio puede considerarse como un elemento -estabilizante que

forma un sistema -eutectoide con el titanio y presenta una baja solubilidad

en la fase del titanio. El sistema Titanio -Paladio ha sido descrito por

diferentes autores, los cuales han estudiado la estequiometra de los

diferentes compuestos intermetlicos que se forman as como su

correspondiente estructura cristalina. En la figura 7 se muestra eldiagrama de equilibrio propuesto por Okamoto,donde se puede observar


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como la fase experimenta una reaccin eutectoide (+ Ti2Pd) para

una composicin del 10% atmico de Paladio y a una temperatura de 595

oC.

Figura 7: Diagrama de equilibrio del sistema Titanio-Paladio.

En las aleaciones Titanio-Paladio interesa trabajar con composiciones

pequeas de paladio para evitar la formacin de la fase Ti2Pd, ya que

este compuesto intermetlico produce un aumento de la fragilidad del

material.

La aleacin de Titanio con un contenido del 0,2% en peso de Paladio

muestra, a temperatura ambiente, una microestructura formada por una

nica fase denominada fase , la cual presenta una estructura cristalina

hexagonal pseudocompacta. Por encima de una temperatura algo superior

a 900 oC y hasta fusin, el material presenta una estructura cbica

centrada en el cuerpo (fase ).


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A diferencia del titanio puro en que la transformacin alotrpica se produce

a una temperatura fija de 882,5 oC , esta aleacin presenta un intervalo de

transicin, en el cual se encuentran simultneamente ambas fases + . La

realizacin de un temple comporta la transformacin de la fase en una fase

martenstica=, la cual presenta una estructura hexagonal parecida a la de

la fase original.

3.3.2. Caractersticas de las aleaciones Titanio-Paladio

El desarrollo de las aleaciones Titanio-Paladio ha venido propiciado a partir

de los estudios realizados para obtener aleaciones con una mejorresistencia a la corrosin en comparacin con el titanio c.p...

La investigacin sobre el efecto de la adicin de metales nobles para

mejorar la resistencia a la corrosin del titanio se remonta a la dcada de

los aos 1960, en que Stern y Wissenberg , y posteriormente Tomashov ,

descubrieron que la adicin a las aleaciones de titanio de cantidades

relativamente pequeas de elementos metlicos del grupo del Platino

mejoraba notablemente su resistencia a la corrosin en medio de cidosreductores. Este efecto fue observado con adiciones a la aleacin de

titanio de metales como el Platino, Paladio, Rodio, Iridio, Osmio y Rutenio,

en cantidades alrededor del 0.1%. Estos autores observaron cmo la

adicin de un 0,44% de Paladio al Titanio disminua la velocidad de

corrosin en un factor de 100 en soluciones de cido sulfrico y de

cido clorhdrico. Cotton estudi cmo la adicin de contenidos

superiores de Paladio, alrededor de un 1%, ocasionaba la formacin delcompuesto intermetlico Ti2Pd, el cual provoca problemas de fragilidad al

material.

El mecanismo bsico para aumentar la resistencia a la corrosin en medio

cido de las aleaciones de Titanio deriva del ennoblecimiento de la aleacin

por adicin de metales del grupo del platino. Estos metales nobles se

caracterizan por presentar bajos valores de sobretensin de Hidrgeno y

producir un aumento de la cintica de reaccin del ion Hidrgeno en

soluciones cidas en comparacin con la mayora de metales.


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Los metales nobles como el Platino, el Paladio o el Rodio, desplazan el

potencial de corrosin de la aleacin en la direccin ms noble (positiva),

con lo cual esta modificacin catdica comporta que la pelcula

superficial protectora de xido (TiO2) sea estable y pueda obtenerse la

completa pasividad del material, en disoluciones de cidos reductores.

El estudio del comportamiento electroqumico de las aleaciones Titanio-

Paladio puede explicarse por la teora del potencial mixto, la cual considera

la aleacin formada por dos electrodos que tendrn tendencia a producir de

forma automtica un par galvnico al exponerse a un medio corrosivo.

Inicialmente la aleacin est constituida por una disolucin homognea de

Paladio en el Titanio, y durante la exposicin al medio corrosivo el Titanio

se disuelve de forma preferente, ya que el Paladio es inerte en casi

todas las soluciones electrolticas. Este proceso comporta un

enriquecimiento en Paladio de la superficie de la aleacin, producindose

un par galvnico entre el Titanio y el Paladio. Por tanto la aleacin,

cuando est expuesta a un medio corrosivo, continuar el proceso de

corrosin, hasta que una cantidad suficiente de Paladio se acumule en la

superficie para provocar la pasivacin espontnea del material. Esteenriquecimiento superficial de paladio acelera la reaccin catdica debido a

la disminucin de la sobretensin de Hidrgeno, y consecuentemente

mueve el potencial de corrosin de la aleacin hacia la regin pasiva del

Titanio.

Los metales nobles como el platino el Paladio o el Rodio, que presentan

bajos valores de sobretensin de hidrgeno, mejorarn notablemente la

resistencia a la corrosin del Titanio, produciendo una reduccin de lavelocidad de corrosin que puede superar los 5 rdenes de magnitud.

Otros elementos, como el Oro o la Plata, si bien son inertes, presentan,

para la reaccin de Hidrgeno, valores de densidad de corriente de

intercambios superiores, con lo cual son menos efectivos en la reduccin del

proceso de corrosin.

Basndose en los datos de resistencia a la corrosin presentados por

Stern,el contenido original de las aleaciones de Titanio-Paladio grado 7 fue

establecido en un 0,2% en peso. En aos posteriores, los productores


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de aleaciones de Titanio, presionados por el fuerte incremento del ya

elevado precio del Paladio, establecieron que poda mejorarse el coste

econmico de estas aleaciones, sin comprometer su accin contra la

corrosin, ajustando el contenido nominal de Paladio a valores alrededor

del 0,15%.

La adicin de Paladio al Titanio permite inhibir el proceso de

corrosin en soluciones acuosas de cido clorhdrico a temperaturas

relativamente elevadas y en cido sulfrico. En la figura 6 se representan

los diagramas comparativos de Aisocorrosion@ para el Titanio sin alear

(grado 2) y las aleaciones Ti-0,15Pd (grado 7) y Ti-0,3Mo-0,8Ni (grado 12)

en cidos reductores.

Figura 8: Diagramas de isocorrosin para las aleaciones de Titanio grado 2, 7 y 12 en

cidos reductores: (a) HCl y (b) H2SO4.

Por otra parte la aleacin Ti-Pd presenta la mejor resistencia a la corrosin

a alta temperatura (> 85 oC) en soluciones acuosas de NaCl en

comparacin con las aleaciones de Titanio convencionales,

particularmente a bajos valores de pH. En la figura 9 se muestra el

comportamiento frente a la corrosin por resquicios ("crevice

corrosion") de las aleaciones de Titanio grado 2, 7 y 12 en soluciones

acuosas de NaCl en funcin del pH y la temperatura.


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Figura 9: Limites de temperatura y pH para el proceso de corrosin por resquicios en las

aleaciones de Titanio de grado 2, 7 y 12 en soluciones acuosas saturadas de NaCl. El

proceso de corrosin ocurre en el rea oscurecida.

Los estudios de resistencia a la corrosin en medio de cido clorhdrico

presentados en los ltimos aos por autores como Shida y Kitayama o

Sugizaki, sugieren que los efectos beneficiales del Platino o del Paladio

se producen ya a partir de contenidos bajos, observndose los primeros

efectos en la mejora de la resistencia a la corrosin para valores

alrededor de 0,03%. Basndose en estos resultados y a partir de los

datos obtenidos en los estudios de resistencia a la corrosin en soluciones

salinas realizados por Shutz , dos nuevas aleaciones Titanio-Paladio con

bajos contenidos de Paladio se han propuesto para su inclusin en la

normativa ASTM, dndoles la denominacin de aleaciones de Titanio

Grado 16 y 17 con contenidos nominales de Paladio entre 0,05 y 0,06%.

El estudio comparativo entre los perfiles de velocidades de corrosin

de las tradicionales aleaciones Ti-0,15Pd y las nuevas aleaciones Ti-

0,05Pd en medios de cidos reductores como el HCl muestran similitudes,

si bien en las aleaciones con bajos contenidos de Paladio se produce un

incremento en la velocidad de corrosin al aumentar la concentracin

del cido reductor, como se puede observar en la figura 10,


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Figura 10: Efecto en las aleaciones Titanio-Paladio de la concentracin de Paladio en la

velocidad de corrosin.

El hecho de que dicho aumento sea progresivo y no de se produzca de

forma abrupta como ocurre en el titanio c.p., lo atribuyen estos autores al

proceso de enriquecimiento en Paladio en la capa superficial de laaleacin a medida que avanza la corrosin, debido a la parcial disolucin

del Titanio. Estas aleaciones presentan comportamientos similares a la

aleacin Ti-0,15Pd en soluciones salinas a alta temperatura.

Si bien estas nuevas aleaciones presentan como ventaja que la

disminucin del contenido en Paladio permite una reduccin de alrededor

del 30% en el coste de la aleacin, cabe sealar que desde el punto de

vista de las propiedades mecnicas, el menor contenido de Paladiocomportar una menor posibilidad de mejorar dichas propiedades mediante

tratamientos trmicos, en comparacin con las aleaciones con contenidos

superiores de Paladio.

Por otra parte, debido a que la fabricacin de estas aleaciones

requiere una cantidad relativamente grande de Paladio, tambin se han

realizado estudios para mejorar la resistencia a la corrosin del Titanio

enriqueciendo la superficie del material con Paladio, mtodo que permiteobtener el mismo efecto protector con un consumo menor de metal noble y


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por tanto con un coste ms econmico. Con este fin se han utilizado

diversas tcnicas experimentales como la electrodeposicin, la

deposicin por lser, plasma o sputering o bien mediante implantacin

inica.

Las aleaciones de Titanio-Paladio tienen aplicacin en aquellos casos en

que se requieran resistencias a la corrosin excelentes, ya sea en

procesos qumicos o en aplicaciones de almacenamiento, en las cuales el

medio sea medianamente reductor o flucte entre oxidante y reductor.

La adicin de Paladio extiende la aplicacin del titanio c.p. a soluciones de

cido clorhdrico, sulfrico y fosfrico, ascomo en cidos orgnicos a altatemperatura.

Tambin cabe indicar que en los ltimos aos se han realizado diferentes

estudios para la utilizacin de las aleaciones de Titanio-Paladio para la

fabricacin de depsitos para el almacenamiento de explosivos y de

residuos nucleares.

3.4. BIOMATERIALES

Desde las primeras aplicaciones clnicas llevadas a cabo en 1951, el

empleo dentro del campo de los biomateriales del titanio y sus

aleaciones ha ido aumentando de forma constante. Este hecho es

consecuencia de la mejor resistencia a la corrosin del titanio en

los fluidos del cuerpo humano, en comparacin con la de los aceros

inoxidables.

Desde las primeras aplicaciones clnicas llevadas a cabo en 1951, el

empleo dentro del campo de los biomateriales del titanio y sus

aleaciones ha ido aumentando de forma constante. Este hecho es

consecuencia de la mejor resistencia a la corrosin del titanio en

los fluidos del cuerpo humano, en comparacin con la de los aceros

inoxidables.

El cuerpo humano puede considerarse como un medio que contiene una

solucin salina isotnica con una gran variedad de aniones y cationes y

con un amplio rango de macromolculas biolgicas, radicales libres y


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clulas, todos los cuales tienen la capacidad de ser biolgicamente y

qumicamente activos. A consecuencia de este medio tan agresivo,para la fabricacin de implantes quirrgicos slo pueden emplearse

metales nobles o metales que sean pasivos bajo condiciones fisiolgicas

.

El titanio y sus aleaciones presentan una excelente biocompatibilidad,

debido a una buena resistencia a la corrosin en fluidos fisiolgicos y

una aceptable tolerancia por los tejidos, as como, unas altas

propiedades mecnicas. Por otra parte su mdulo de elasticidad y su

baja densidad hacen que sea uno de los metales que presentan un

comportamiento mecnico ms semejante al del hueso.

Como consecuencia de las caractersticas mecnicas que se

requieren en determinadas aplicaciones, el titanio puro se sustituye en

muchos casos por aleaciones de Titanio, siendo la aleacin Ti-6Al-4V el

principal material empleado. Ahora bien, debido a los efectos perjudiciales

que puede suponer la presencia de Aluminio y Vanadio en esta aleacin,

en los ltimos aos se han desarrollado aleaciones alternativas, como

por ejemplo las aleaciones Ti-6Al-7Nb o Ti-13Nb- 13Zr.

La citotoxicidad de los elementos metlicos en implantes quirrgicos ha

sido estudiada por Steinemann, el cual ha demostrado la elevada

citotoxicidad del vanadio y la respuesta al encapsulamiento de los tejidos

como consecuencia de la presencia de aluminio, mientras que otros

elementos como el titanio, el niobio o el platino muestran una excelente

biocompatibilidad. Tambin se ha sugerido la existencia de una

conexin entre la presencia de aluminio y el proceso de demenciasenil asociado a la enfermedad de Alzheimer. Kawahara tambin ha

demostrado la baja citotoxicidad de diferentes elementos metlicos como

el titanio, el circonio o el tntalo, destacando tambin la buena

biocompatibilidad del paladio.

En los implantes quirrgicos la corrosin puede ser un fenmeno crtico,

que afecte tanto a la biocompatibilidad del implante como a la integridad

estructural de la prtesis. La corrosin y la disolucin de las capassuperficiales del material son dos mecanismos que pueden derivar en la


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introduccin de iones metlicos en el cuerpo humano, originando efectos

adversos por reaccin biolgica de los mismos.

Agins ha confirmado la presencia en los tejidos humanos de iones de

titanio, aluminio y vanadio en pacientes en los cuales haba fallado la

implantacin quirrgica de la aleacin Ti-6Al-4V en la articulacin de

cadera. Cuando en los tejidos de la zona implantada existe una

concentracin elevada de aluminio y vanadio, la reaccin histolgica

produce leucocitos polinucleares, clulas gigantes y frecuentemente se

pueden observar plasmocitos, causando en el paciente sntomas

similares a una reaccin alrgica e inflamatoria.

La degradacin del material se debe generalmente a una combinacin de

efectos electroqumicos, como la corrosin, junto con efectos mecnicos.

Debido a la tendencia actual en el empleo de prtesis para resolver

problemas en personas cada vez ms jvenes y al aumento de la

longevidad media de la poblacin, cada vez son ms exigentes los

requerimientos de resistencia a la corrosin de los materiales empleados.

Adems, siempre existe la preocupacin sobre los efectos carcinognicos

producidos por materiales extraos al cuerpo humano, especialmente

durante periodos prolongados (superiores a los 20 aos).

La biocompatibilidad de un material comprende todas las reacciones y

efectos que tienen lugar entre el implante y el cuerpo humano. La fase inicial

del contacto est asociada con la interaccin con un fluido, ya sea sangre,

saliva o fluidos extracelulares, producindose una adsorcin de

macromolculas desde el fluido hacia la superficie del implante. En este

proceso normalmente intervienen protenas, la adsorcin de las cuales

juega un papel crucial en el mecanismo de biocompatibilidad, la cual est

ligada con las interacciones directas que se producen en la interfase.

Por una parte el cuerpo humano ejerce una influencia sobre el material

provocando un cambio en sus caractersticas, principalmente debido a

procesos de corrosin y degradacin, y por otra, la presencia del material

provoca cambios en los tejidos circundantes a travs de procesos de

inflamacin.


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57

Estos procesos inflamatorios se producen en los tejidos blandos que

rodean al implante, pudindose diferenciar dos etapas: primero se produce

una inflamacin aguda como respuesta inmediata a la presencia del

implante, producindose dilataciones vasculares, con un aumento de

permeabilidad capilar. En esta etapa las clulas sanguneas fagocitan las

sustancias extraas. Posteriormente, se produce la inflamacin crnica,

siendo una respuesta exudativa en la cual predominan los fibroblastos

(clulas que pertenecen al tejido conectivo) acompaados de leucocitos

y macrfagos. En el proceso reparador las clulas mayoritarias sern los

fibroblastos. La cicatrizacin lleva consigo una exudacin de leucocitos

(neutrfilos) que protegen al cuerpo de microorganismos, apareciendo

posteriormente la fibrina aportando clulas de tejido conectivo a las 100

m, de forma que en dichos poros se produzca el crecimiento seo y se

alcance as una buena fijacin del implante al hueso.

Las buenas caractersticas que presentan el titanio y sus aleaciones ha

permitido su utilizacin en diversas aplicaciones clnicas como son: clavos y

tornillos fijados al hueso, placas de osteosntesis para la reparacin de

fracturas seas, vlvulas cardacas, etc.

Un caso aparte son las denominadas endoprtesis ortopdicas, las cuales

vienen a sustituir una articulacin, con la finalidad de solucionar

problemas de artrosis articular y artritis reumatoide. En este caso, lo que se

hace es una reseccin de la parte sea de la articulacin incorporando un

sistema mecnico que lo substituya.Las prtesis de cadera y de rodilla sonpor este orden las de mayor aplicacin, si bien existen prtesis de hombro,

codo, tobillo o mueca. En la prtesis de cadera se secciona el cuello del

fmur y se inserta el vstago de la prtesis en el interior de la cavidad

medular femoral. En la prtesis total tambin se sustituye el cartlago

acetabular, colocando en su lugar un cotilo en el que encajar la bola

de la prtesis. Tanto el vstago como la cpula acetabular van

fijados al hueso mediante un cemento seo.

Finalmente, otro campo importante de aplicacin son los implantes

dentales, los cuales se pueden dividir en dos tipos: los que dan


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soporte a la dentadura (implantes subperiostales) y los que substituyen

a los dientes (implantes endseos). En el implante endseo la fijacin al

hueso se alcanza mediante un poste metlico, el cual despus que el

implante est fijado [72] se cubrir con la corona. En la actualidad se

emplean postes de titanio c.p. los cuales pueden ir recubiertos de

recubrimientos porosos o de hidroxiapatito.

Estos implantes deben tener una excelente biocompatibilidad asociada

con una elevada resistencia a la corrosin, ya que el medio en que se

encuentran puede ser notablemente agresivo. Las interacciones del

implante con las diversas sales, compuestos orgnicos y microorganismos

presentes en la saliva pueden ser complejas. Adems, el pH presente

en la boca puede oscilar desde valores inferiores a 4,5 hasta valores de

8, existiendo tambin problemas de corrosin por resquicios. El

desprendimiento de sustancias extraas como iones o productos de

corrosin puede dar lugar a diversas reacciones alrgicas [64]. Por otra

parte los materiales para implantes dentales han de presentar una alta

resistencia compresiva y tenacidad, y una fijacin viable entre el hueso

alveolar y el tejido mucoso.

De acuerdo con lo expuesto anteriormente, la aleacin Ti-0,2Pd podra

sustituir en el campo de los biomateriales al titanio y determinadas

aleaciones de titanio, en aquellas aplicaciones en que se requiera una

elevada resistencia a la corrosin, teniendo en cuenta adems, que sus

propiedades mecnicas son mejores que las del titanio c.p.

Tambin sera aplicable en aquellos casos en que, siendo sus

propiedades mecnicas suficientes para satisfacer las solicitaciones

mecnicas requeridas, su mejor resistencia a la corrosin garantice una

mayor estabilidad durante periodos prolongados de tiempo.

3.5 TRATAMIENTOS DE SUPERFICIE EN EL TITANIO Y SUS ALEACIONES

A pesar de las atractivas propiedades que presentan las aleaciones de

titanio, la aplicacin en el campo de los biomateriales puede presentar


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inconvenientes por su baja resistencia al desgaste, la cual est asociada

con su estructura cristalina hexagonal compacta, con una relacin entre

parmetros de red (c/a) pequea. Los sistemas de deslizamiento producen

fuerzas de cizalladura relativamente pequeas y un elevado coeficiente

de friccin. Pequeas tensiones de traccin permitirn, de forma

relativamente fcil, la transferencia de material hacia las superficies

circundantes mediante un mecanismo de desgaste adhesivo. Por otra parte,

valores bajos de dureza supondrn un deterioro superficial como

consecuencia de un mecanismo de desgaste abrasivo.

La problemtica no se reduce al hecho de tener un desgaste no

deseado del material, sino que adems se produce un efecto abrasivo

debido a las partculas producidas en la zona de friccin. Ello ocasiona un

efecto acelerador en el proceso de liberacin de iones, el cual puede tener

consecuencias no deseadas en los tejidos que circundan el implante.

Para mejorar la resistencia al desgaste del material se han estudiado

diferentes procesos de modificacin de la superficie de las aleaciones de

titanio, entre los cuales cabe destacar: la implantacin inica, la

deposicin en fase vapor, los recubrimientos por proyeccin y lostratamientos por lser o por difusin.

3.5.1 Implantacin inica

El proceso de implantacin inica es la tcnica de tratamiento superficial

comercialmente ms empleada para mejorar la resistencia al desgaste del

Titanio y sus aleaciones. Las principales especies implantadas son elnitrgeno y el carbono. Estos elementos mejoran el comportamiento

al desgaste como consecuencia del aumento de la dureza superficial. La

superficie de xido formada en la superficie del Titanio y en las

aleaciones de Titanio convencionales, proporciona una superficie con

un valor relativamente pequeo de coeficiente de friccin, pero cuando se

elimina la capa de xido se produce una rpido desgaste adhesivo. El

aumento de la dureza en las capas prximas a la superficie implica una


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mayor resistencia a la deformacin y, por lo tanto comporta que la capa

de xido aguante esfuerzos superiores.

En la figura 11 (a) se muestra el endurecimiento de la aleacin Ti-

6Al-4V mediante implantacin inica de Nitrgeno, en la que puede verse

cmo la mxima dureza se obtiene a una distancia de la superficie de 50

nm. En este caso el endurecimiento superficial es consecuencia de las

tensiones parte, valores bajos de dureza supondrn un deterioro

superficial como consecuencia de un mecanismo de desgaste abrasivo.

La problemtica no se reduce al hecho de tener un desgaste no

deseado del material, sino que adems se produce un efecto abrasivo

debido a las partculas producidas en la zona de friccin. Ello ocasiona un

efecto acelerador en el proceso de liberacin de iones, el cual puede tener

consecuencias no deseadas en los tejidos que circundan el implante.

Para mejorar la resistencia al desgaste del material se han estudiado

diferentes procesos de modificacin de la superficie de las aleaciones de

titanio, entre los cuales cabe destacar: la implantacin inica, la

deposicin en fase vapor, los recubrimientos por proyeccin y los

tratamientos por lser o por difusin.

3.5.2 Implantacin Inica

El proceso de implantacin inica es la tcnica de tratamiento superficial

comercialmente ms empleada para mejorar la resistencia al desgaste del

Titanio y sus aleaciones. Las principales especies implantadas son el

nitrgeno y el carbono. Estos elementos mejoran el comportamiento aldesgaste como consecuencia del aumento de la dureza superficial. La

superficie de xido formada en la superficie del Titanio y en las

aleaciones de Titanio convencionales, proporciona una superficie con un

valor relativamente pequeo de coeficiente de friccin, pero cuando se

elimina la capa de xido se produce una rpido desgaste adhesivo. El

aumento de la dureza en las capas prximas a la superficie implica una

mayor resistencia a la deformacin y, por lo tanto comporta que la capa

de xido aguante esfuerzos superiores.


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En la figura 11 (a) se muestra el endurecimiento de la aleacin Ti-

6Al-4V mediante implantacin inica de Nitrgeno, en la que puede verse

cmo la mxima dureza se obtiene a una distancia de la superficie de 50

nm. En este caso el endurecimiento superficial es consecuencia de las

tensiones residuales de compresin debido a la formacin de una fina

dispersin de precipitados de TiN en una matriz rica en Nitrgeno. En la

figura 11 (b) se muestra la evolucin del coeficiente de friccin para la

aleacin Ti-6Al-4V sometida a un proceso de implantacin inica de

Nitrgeno.

(a) (b)

Figura 11: (a) Estudio del endurecimiento superficial y (b) evolucin del

coeficientede friccin en la aleacin Ti-6Al-4V .

Por otra parte, mediante la implantacin inica superficial de elementos

adecuados, se puede modificar la resistencia a la corrosin del Titanio y

de sus aleaciones. As por ejemplo la implantacin de iones de

Molibdeno y Tntalo mejora el proceso de pasivacin en disoluciones de

cido sulfrico o, como ya se ha comentado en el apartado 1.3, la

implantacin superficial de Paladio permite mejorar la resistencia a la

corrosin del material. Adems la implantacin de elementos como

Rubidio, Cesio, Bario o Calcio disminuye la oxidacin del Titanio,


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debido a la mayor dificultad del proceso de difusin de Oxgeno como

consecuencia de la formacin de xidos mixtos.

3.5.3 Deposicin en fase vapor: PVD y CVD

La tcnica PVD sobre sustratos de titanio no ha sido un proceso muy

extendido, si bien se encuentran algunos trabajos que hacen referencia

a la deposicin de recubrimientos de TiN por evaporacin por arco o por

haz de electrones, por Sputtering, Sputtering a alta temperatura (700 oC) o

mediante PVD asistido por plasma.

Ensayos de Pin on Disc han demostrado la reduccin del coeficiente de

friccin de los recubrimientos de TiN y TiC sobre sustratos de Titanio,

si bien los recubrimientos demasiado delgados presentan problemas de

adhesin, mientras que los demasiado gruesos fallan por desprendimiento

por capas.

Los procesos de PVD se han utilizado tambin en la mejora de

propiedades tribolgicas de los implantes quirrgicos mediante

recubrimientos de TiN o de diamante amorfo (ADLC o DLC, "amorfous

diamond-like carbon").

Dentro de los recubrimientos en fase vapor, tambin se han realizado

trabajos mediante procesos CVD, bsicamente para mejorar la resistencia a

la corrosin de las aleaciones de titanio. As por ejemplo se han

realizado recubrimientos de aluminuros de titanio y recubrimientos de

diamante.

3.5.4 Recubrimientos por

proyeccin

La tcnica principalmente utilizada es la proyeccin por plasma. As, en

aplicaciones aeroespaciales se han utilizado recubrimientos de carburo de

wolframio y cobalto mediante proyeccin por plasma a baja presin, o

recubrimientos de Ti-Pd con la finalidad de mejorar la resistencia a la

corrosin del material.


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En implantes quirrgicos tambin se estn utilizando las tcnicas de

proyeccin, bsicamente de recubrimientos de hidroxiapatito (HAP),

material constituyente de los huesos, de forma que si el recubrimiento

tiene una porosidad y rugosidad superficial adecuada, se facilita la unin

entre el implante y el hueso. Este material es normalmente depositado en

prtesis de fmur, implantes de rodilla e implantes dentales.

3.5.5 Tratamientos por lser

Los tratamientos lser utilizados en el Titanio y sus aleaciones son

la fusin superficial y las tcnicas de aleacin superficial.

En el proceso de fusin superficial por lser es posible fundir una

pequea capa superficial (del orden entre 0,1 y 1 mm) seguido de la

solidificacin y de un rpido enfriamiento. As por ejemplo los granos

columnares obtenidos en el proceso de solidificacin superficial en la

aleacin Ti-6Al-4V se transforman en martensita en proceso de

enfriamiento, o en las aleaciones de Titanio supersaturadas con Erbio,

mediante la fusin superficial seguido de un tratamiento trmico, se

ha conseguido la formacin de una fina dispersin de xidos de Erbioparcialmente coherentes con la matriz de Titanio, aumentando la

resistencia del titanio a altas temperaturas.

Las tcnicas de aleacin superficial por lser comportan la

variacin de la composicin qumica de la superficie del sustrato. Entre

los elementos de aleacin cabe destacar el Nitrgeno, el cual se

proyecta en forma de gas contra la superficie fundida del material. A

veces se usa una mezcla de Nitrgeno y Argn, y comporta unendurecimiento superficial del Titanio (profundidad entre 0,1 y 0,5 mm).

La microestructura de solidificacin obtenida est formada por dendritas

de TiN junto con dendritas de Titanio fase rica en Nitrgeno. En la

figura 3-8 se muestra la influencia de la proporcin de gases en la

dureza superficial de la aleacin Ti-6Al-4V. Los mayores

inconvenientes de esta tcnica son la formacin de porosidad en la

capa fundida, la formacin de grietas y la elevada rugosidad superficial

obtenida.


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Figura 12: Influencia de la composicin de la mezcla gaseosa N2/Ar en el

endurecimiento superficial de la aleacin Ti-6Al-4V.

3.6. Tratamientos por difusin

Los tratamientos de difusin son procesos que requieren calentar el

material a una determinada temperatura durante el tiempo suficiente parapermitir la movilidad de los tomos. Entre los elementos introducidos por

difusin en el Titanio se han de destacar el Oxgeno, el Nitrgeno y el

Carbono. El efecto de estos elementos en las propiedades mecnicas

del Titanio se muestra en la figura 3-9.

Figura 13: Efecto de los elementos intersticiales en la resistencia mecnica del titanio.


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El Oxgeno que se difunde en la superficie del Titanio se disuelve en la

fase provocando un endurecimiento por solucin slida del material

("Oxigen Diffusion Hardening", ODH). El endurecimiento por difusin de

oxgeno de la aleacin Ti- 6Al-7Nb permite aumentar la dureza desde

valores de 360 HV de las muestras sin tratar hasta los 900 HV de las

muestras tratadas en atmsfera de oxgeno gas, manteniendo una similar

resistencia a la corrosin.

Los procesos de nitruracin del Titanio y sus aleaciones han sido

investigados desde hace aos. La difusin de nitrgeno se realiza a partir

de una atmsfera de N2 o amonaco gaseosos a temperaturas superiores a

los 800 oC o bien bajo presiones elevadas. Otra posibilidad es la utilizacin

de un plasma en la que una mezcla gaseosa, por ejemplo N2/Ar o N 2/H

2 es ionizada mediante una descarga luminiscente, realizndose el

proceso a temperaturas entre 500 y 900 oC. En la figura 14 se muestra

el perfil de durezas de una aleacin Ti-6Al-4V endurecida mediante

nitruracin por plasma.

Figura 14: Endurecimiento de una aleacin Ti-6Al-4V mediante nitruracin por plasma.

Por otra parte, tambin se han realizado tratamientos en baos de sales

en los cuales el Titanio se sumerge en un bao de sales de cianuros a

temperaturas de 800 oC durante un tiempo de 2 horas. En este proceso


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el Carbono y el Nitrgeno se difunden en la superficie del Titanio,

obtenindose durezas superficiales entre 750 y 800 HV.

En este captulo se abordan los materiales y mtodos utilizados para

obtener las propiedades de las aleaciones Ni-Cr, se debe considerar que

algunos de los experimentos que se realizan, como el de estructura, se

hacen para las materias primas importadas, y para esta despus de

refundir, segn se necesite.

3.6.1. Proceso de fabricacin de las aleaciones Ni-Cr.

En el proceso de fabricacin de las aleaciones especiales de Ni-Cr por el

mtodo especial de cera perdida la velocidad de cristalizacin y

solidificacin de los semiproductos se logra lentamente y se obtiene en la

estructura final una mezcla de componentes a y de granos estables no

finos (tamaos normales). Se debe definir cmo se comporta esta mezcla

estructural en las propiedades mecnicas, anticorrosivos y de durabilidad

de la aleacin sobre el medio biomdico. De forma semejante se debe

conocer como estructuralmente estas fases tienen relacin con losdefectos y variabilidad de propiedades mecnicas.

3.7. Proceso tecnolgico para la obtencin de las probetas.

Para realizar los estudios posteriores es necesario obtener probetas del

material refundido con dimensiones acorde a la norma de los

experimentos que se le van a realizar. El proceso tecnolgico a utilizar esfundicin por el mtodo de cera perdida.

Para realizar dicho proceso se debe de tener al menos los siguientes

requisitos:

Tazas de goma y esptulas para la preparacin del material.

Vibradoras para revestir el molde.

Hornos de calentamiento o estufas para el calentamiento del molde.

Mquinas diseadas para la colada.

Crisol de cermica.


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Materiales refractarios para revestir los moldes.

Que las materias primas a utilizar para la colada est constituida por

las petitas de 6g de Ni-Cr, (productos de importacin).

3.7.1. Preparacin del molde:

Es necesario aclarar que todos los pasos realizados en la preparacin del

molde se realizan de forma manual, por lo que en el influye

determinantemente la experiencia de tcnicos.

Se utiliza para la preparacin del molde:

Caja de molde dividida.

Plantillas de madera.

Yeso.

Agua.

Esptula.

Vasija.

3.7.2. Orden de operacin:

Se toma una vasija y se le aade el yeso en una proporcin necesaria

para la

cual se quiere llegar, se le agrega una cantidad de agua necesaria, se

mezclan estos componentes hasta lograr una pasta ni muy densa ni muy

fluida. Logrado esto, se adiciona la mezcla en una de las mitades de la

caja hasta umbral dndole algunos golpes a la caja para que la pastaasiente bien, obtenindose una dureza tal que permita empotrar las

plantillas en ella.

La colocacin de las plantillas debe realizarse a mitad, es decir, una mitad

debe quedar en ese semimolde y la otra libre, la que va a ser copiada por

la otra mitad de caja, o sea, la superior. En este proceso se observa un

desprendimiento de calor lo que corresponde a una reaccin exotrmica.

Terminada las cajas estas se dejan en reposo alrededor de 45 minutos.


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Pasado el tiempo, se separan ambos moldes, se eliminan las plantillas de

madera y posteriormente en los moldes se adiciona un separador por toda

la superficie y se espera de 5-10 minutos para que seque bien.

Luego se prepara el material acrlico que va a tomar el lugar de la huella

dejada por las plantillas en los moldes.

Los materiales de acrlico estn constituidos por dos componentes:

1. Polvo de acrlico (polmero).

2. Lquido (monmero).

Estos materiales se deben mezclar bien hasta formar una pasta, que

despus de obtenida se aplican en los moldes, se unen ambos moldes y

se introducen en una prensa hidrulica durante 20-30 minutos para lograr

una buena compacticidad en la probeta a obtener. En este proceso

tambin se produce una reaccin exotrmica.

Cumplido el tiempo previsto, se extrae la caja de la prensa, se separan

ambas mitades y se procede a quitar la muestra acrlica del molde. Estas

probetas salen con rebabas por lo que se someten a un sistema delimpieza por medio de discos y muelas que ayudan adems a paralelizar

las caras.

Limpias las probetas, estn listas para proceder al proceso tecnolgico de

obtencin de moldeo para el vaciado del metal lquido.

Tcnicas empleadas para la obtencin y preparacin del molde para el

vaciado posterior:

1. Obtencin del molde a partir de las probetas acrlicas.

2. Obtencin del molde a partir de las probetas de cera perdida.

3.7.3. Conformacin del sistema de alimentacin.

Para conformar el sistema de alimentacin se utilizan los siguientes

materiales:


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1. Preforma de cera Dentaurum 5x1.3x125 mm.

2. Parafina.

Las probetas de acrlico se ubican en una barra de cera en el cono de

rechupado el cual se reviste de cera perdida, debe quedar 1 cm por

debajo de la altura del cono para evitar las altas presiones.

Luego el cono se reviste de un material refractario, que no es ms que un

revestimiento de precisin para colados de Cr-Ni y trabajos combinados.

Para su preparacin se utilizan:

1. Un paquete y medio de revestimiento (TECHNOVEST) 600g.

2. Agua.

Luego se coloca en un vibrador el cono con el revestimiento con el

objetivo de que se asiente la mezcla. El mismo debe de llenar totalmente

la caja, si esta sobrepasa el umbral, se enrasa con la esptula. En este

proceso ocurre una reaccin exotrmica. Se esperan 45 minutos para que

se enfre.Alrededor de los 15 minutos se procede la eliminacin del cono

(bebedero) y la tapa superior. Se limpia y se espera el tiempo restante.

Terminado los 45 minutos de reposo del molde, se pasan por el

recortador y posteriormente se colocan en la estufa para su calentamiento

hasta una temperatura mxima de 950 0C.

3.7.4. Rgimen de estufado de los moldes

Se procede por un sistema de calentamiento escalonado.

Primera etapa: Temperatura mxima a alcanzar 250 0C, a esta

temperatura 30 minutos de mantenimiento.

Segunda etapa: Se eleva la temperatura hasta 500 0C, y a esta

temperatura 30 minutos de mantenimiento.

Tercera etapa: Se eleva la temperatura hasta los 950 0C, y se mantiene 5

minutos.


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A la temperatura de C se colocan los crisoles en la estufa para su

calentamiento.

Logrado el calentamiento de los moldes a C y su permanencia, se

procede a realizar el vaciado.

3.7.5. Vaciado del metal en el molde.

Para el vaciado se coloca el crisol en el inductor de la mquina de colada

tipo Galioni Italiana y se aade dentro de l las pepitas de la aleacin

prevista. En este caso se realizan dos fundiciones, o sea dos de Cr-Ni.

El tiempo de derretido de las pepitas est alrededor de los 3-4 minutos. La

cantidad de metal a derretir es de una cantidad necesaria.

Peso de una pepita 6g

Temperatura de derretido C

Temperatura de vaciado C

Cuando se procede al vaciado, el molde se coloca dentro de la cmara de

vaciado y todo el sistema contenido dentro de la misma se pone enmovimiento, un movimiento centrfugo, el cual da la posibilidad de que el

metal contenido en el crisol entre con la velocidad determinada a travs

del bebedero del molde.

Fundido el molde, se le da un enfriamiento lento hasta temperatura

ambiente. Luego haciendo uso de un martillo se rompe el molde y se

extrae las probetas fundidas, las cuales tienen la superficie contaminada

con arena.Son sometidas a una limpieza con un bao de arena slice a presin, y

posteriormente se les da un acabado.

3.8. Anlisis metalogrfico de las probetas.

El anlisis metalogrfico de las probetas se realiza mediante uno de los

objetivos ms importantes de este tipo de ensayo, es la realizacin de unaresea histrica del material buscando microestructura, inclusiones, o


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tratamientos trmicos a los que haya sido sometido, con el fin de

determinar si dicho material cumple con los requisitos para los cuales ha

sido diseado. Se conocer la distribucin de fases que componen la

aleacin y las inclusiones no metlicas, as como la presencia de

segregaciones y otras heterogeneidades que tan profundamente puedan

modificar las propiedades mecnicas y el comportamiento general del

metal.

Un laboratorio metalogrfico debe contar con:

o rea de montaje.

o rea de desbaste.

o rea de pulido.

o rea de ataque qumico.

o 2 microscopios.

rea de montaje:

Es donde se montan las muestras en una prensa en donde la funcin de

la misma es el montaje de muestras de tamaos inferiores a 2

parasu mejor manipulacin.

Productos de consumo:

oResina de moldeo o plstico.

oEstearato de zinc.

rea de Desbaste:

Es la que facilita el desbaste y el pulido debido al poco espesor, con elobjetivo de poner al descubierto la superficie del material y obtener una

superficie plana con pequea rugosidad, se colocan en la desbastadora

papeles abrasivos de 400, 500, 600 y 1000 ya que las probetas estn

previamente rectificadas. La velocidad de rotacin del equipo es de

aproximadamente 600 Rpm.

Es aconsejable adicionar constantemente un chorro de agua para evitar

calentamientos, porque una vez obtenido un rayado uniforme sobre cada

papel, se gira la probeta 90 y culminando cada fase con


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desaparecimiento de todas las rayas producidas por el papel abrasivo

anterior.


Papel de lija de agua de diferentes granulometras (220,240, 260, 300,

400, 500, 600, 800, 1000).

rea de Pulido:

Es la que tiene como objetivo eliminar las rayas producidas en la

operacin de desbaste y obtener una superficie especular. Los abrasivos

a emplear suelen ser: el polvo de diamante de 50 micras, arenas, ligas o

en fin todo material que sea capaz de pulir una superficie, adems de

utilizar alcohol con el objetivo de lograr una superficie espejo. La

velocidad de rotacin de los equipos es de 250 Rpm.

El pulido se realiza en una pulidora con la funcin de pulir la superficie de

los materiales metlicos tanto ferrosos como no ferrosos.


oPaos para pulido.

oPasta de diamante de 3,2 micras.

oLubricante.

oAlgodn.

oPapel de filtro.

oAcetonaoAlcohol.

Limpieza:

Es la que consiste en una limpieza despus de cada paso. En estos

casos los mtodos ms empleados son los de mantener la probeta bajo

un chorro de agua y lavarlo con detergente constantemente, luego se

enjuagan con un chorro de alcohol y se secan rpidamente bajo un chorro

de aire caliente.


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rea de Ataque qumico:

Como la superficie pulida revela la presencia de grietas, inclusiones, fases

(si su forma y color las hacen diferenciables), poros, etc. y normalmente,

la probeta hay que atacarla para revelar la microestructura (fases, lmites

de grano, impurezas, zonas deformadas, etc.), el reactivo que se emplea

en estos casos para el estudio de este nuevo acero fue el agua regia, 4

partes de HCL, una parte de HNO3, dado que es un reactivo general y

permite delinear los bordes de la ferrita en el acero.

Es probable que al ser atacada la muestra se opaque en pocos segundos

la superficie, donde es recomendable un enjuague con agua y detergente,

y posteriormente con alcohol y luego secar las probetas.

Observacin microscpica:

Consiste en observar en el microscopio ptico la microestructura si obtuvo

contraste y las fronteras de grano que se hacen visibles debido a lasdiferencias en la rapidez con que los granos son atacados por el reactivo.

La diferencia en la rapidez de ataque depende del ngulo entre las

secciones de grano con el plano de la superficie pulida. Las fronteras de

grano aparecern como valles en la superficie pulida. Al chocar con la

orilla de estos valles, la luz del microscopio se refleja fuera del

microscopio, haciendo que las fronteras de grano aparezcan como lneasoscuras.

El microscopio ptico consta de un lente objetivo, un lente ocular y un

sistema de iluminacin, elementos pticos esenciales, que hacen posible

la observacin de detalles que a simple vista no pueden distinguirse,

como es el caso de la morfologa. La funcin de los mismos es permitir la

observacin de las diferentes fases que intervienen en la microestructura

de los materiales metlicos.


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3.9. Ensayo de Dureza superficial.

La dureza es una propiedad mecnica que se determina mediante una

aplicacin muy lenta de la carga, por lo que se clasifica como una

propiedad esttica o cuasiesttica.

El ensayo de dureza HV se emplea para determina la dureza de

materiales cuya seccin transversal es muy delgada, o bien materiales

que tienen tratamiento trmico solamente en la periferia (dcimas de

milmetro) los cuales han sido enriquecidos de carbono por medio de un

procedimiento de cementado o han sido nitrurados.

Se utiliza un Durmetro Vickers para prueba de microdureza que tiene

cargas de 1 a 10 Kg. de capacidad, el penetrador que se utiliza en el

ensayo es de diamante con un ngulo de 136.El nmero de dureza HV

se determina midiendo el dimetro de la huella que deja el penetrador

despus de aplicar la carga y se toma la lectura de dureza en tablas HV.

Tambin se puede calcular utilizando la siguiente frmula:

p = d.a

Donde:

p = carga aplicada en KgF.

d = diagonal media de la huella en mm.

a = ngulo entre las caras opuestas del diamante 136.

Procedimiento a seguir:

1. Verificar que las caras de apoyo de la pieza a medir sean paralelas.

2. Colocar el soporte adecuado para evitar movimiento en el espcimen a

medir.

3. Enfocar la superficie a probar subiendo o bajando el espcimen con el

elemento de ajuste de distancia del Durmetro.

4. Con la manija mover el penetrador a la posicin de prueba.

5. Aplicar la carga bajando el penetrador sobre la superficie de prueba.


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6. Dejar que el penetrador acte durante 10 a 15 segundos sobre la

superficie de prueba.

7. Retirar el penetrador de la superficie de prueba.

8. Observar la huella (si es homognea proceder a medirla), sino, repetir

los pasos desde 3. En otro lugar de la superficie de prueba (debe de

haber por lo menos una distancia entre huella y huella de 3 veces el

dimetro de la misma).

9. Medir el dimetro de las diagonales (d1 y d2) como se muestra en la

figura 2 anexa. y sacar promedio.

10. Determinar la dureza HV buscando en tablas la lectura

correspondiente al dimetro determinado.

3.10. Trituracin y molienda del material.

Este procedimiento se realiza ya que es necesario tener la muestra

pulverizada, para un posterior anlisis de composicin qumica.

Procedimiento:

Las probetas obtenidas por refundicin se someten a un proceso de

trituracin en un molino de mandbulas (quijadas) para disminuir sufraccin 0.82 cm. Posteriormente se pasa por un pulverizador de anillos

para llevar su glanurometra a 0.074mm, que es la ptima para el anlisis

de composicin qumica por plasma inducido (ICP).

3.11. Anlisis de composicin qumica por absorcin atmica.

El principio de funcionamiento de este equipo es el siguiente. A partir de

una muestra disuelta, se le aplica calor mediante una llama (Plasma),producto de este, la muestra se calienta y genera emisiones por radiacin,

aprovechando que cada elemento qumico emite radiacin de una

longitud de onda especfica, estas hondas se captan en unos censores

especiales para esto y se obtiene en la lectura del equipo un "pico", que

permite predecir los elementos por los cuales est formado la muestra.

Para el anlisis de composicin se toma las muestras obtenidas por

refundicin y posteriormente trituradas hasta la granulometra ptima.

Este tratamiento se realiza atacando el peso de la muestra en crisol de


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platino con 1,5ml de cido fluorhdrico al 10%. Despus se calienta la

muestra con un mechero hasta la disolucin de la misma, luego se elimina

el exceso de cido fluorhdrico por el agregado de solucin cido sulfrico

20% y calentamiento una temperatura constante de 100 C en una estufa

hasta humos blancos. Luego se diluye agua destilada hasta 100ml en un

matraz aforado.

Con esta solucin se efectan las lecturas cuantitativas. Los equipos

utilizados en ocasiones son los espectrmetro de Plasma Inducido (ICP

SHIMADZU modelo 7500S), equipo secuencial que mide hasta 62

elementos juntos en un barrido cualitativo y cuantitativo y un

espectrmetro de Absorcin Atmica (SHIMADZU modelo 6800).

3.12. Microestructura de las probetas de Ni-Cr.

La microestructura de la aleacin NiCr en nuestro pas, la cual se

importa, es muy similar a la de la aleacin CoCr ya que los elementos de

aleacin respecto al cromo se asemejan mucho y por tanto el

comportamiento en la solidificacin es tambin muy similar.

En cambio, al tener una velocidad calorfica diferente, la aleacin NiCr

libera de manera no direccional el calor y por tanto se puede observar una

prdida de direccionalidad de las dendritas formadas.

La solucin slida que se forma en la aleacin NiCr es la fase a y las

segregaciones de Cr producen la aparicin de la fase gaseosa. Las

dendritas son ms largas y ms finas que en el caso de la aleacin CoCr

debido a que esta aleacin tiene un proceso de crecimiento del cristalfavorable y tiene una mayor energa motriz para que el slido asuma la

distancia de mnimo subenfriamiento.

Las segregaciones obtenidas en las aleaciones son debidas a la rpida

velocidad de solidificacin o al menos a la no consecucin de velocidades

de solidificacin suficientemente lentas como para conseguir las

condiciones de equilibrio y la perfecta homogeneizacin de las

condiciones de las soluciones slidas.


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3.13. Composicin qumica de las petitas de Ni-Cr.

Los anlisis de composicin qumica hasta el da de presentacin de este

trabajo de curso solamente se han realizado a las petitas de Ni-Cr

importadas. En donde estos anlisis se tienen que realizar debido a que

las aleaciones a pesar de que se importan en nuestro pas, pues no traen

consigo ninguna informacin acerca de su composicin u otra

caracterstica tecnolgica. Los resultados obtenidos mediante la

realizacin de un trabajo de diploma se muestran a continuacin en las

tablas correspondientes:

Tabla 5: Composicin qumica de las petitas de Ni-Cr, en % de cada elemento. Autor:

Yusdel Daz Hernndez, 2007

Tabla 6: Composicin qumica de las petitas de Ni-Cr, en % de cada elemento. Autor:

Yusdel Daz Hernndez, 2007.

Esta aleacin se encuentra dentro del espectro de las aleaciones

biocompatibles. Sin embargo, presentan algunos elementos residuales

como el silicio y el carbono del proceso previo de fundicin y si se

considera que los elementos qumicos presentes en cualquier proceso de

fundicin varan alrededor de un 3%, entonces sera interesante analizar

la composicin qumica al nuevo material que se obtiene por refundicin,

sobre todo, porque este proceso no se realiz bajo una atmsfera

controlada y los elementos presentes en la aleacin como el Fe, el Cr y el

Ni, tienen gran afinidad qumica a elevadas temperaturas con el oxgeno.

3.14. Ensayo de dureza de las probetas.

Para este ensayo, se utilizan al menos cuatro probetas de cada tipo de

aleacin que se importan, no se tiene en cuenta el diseo de


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experimentos, porque los resultados no son definitivos y solamente se

hacen para comparar con los de las referencias bibliogrficas, segn la

bibliografa especializada, estos tipos de aleaciones poseen una dureza

que oscila entre los 200 y 250 HV. Los resultados que se muestran a

continuacin son obtenidos de un trabajo de diploma cuyo autor es Yusdel

Daz Hernndez, los cuales se muestran en la tabla siguiente:

Tabla 7: Resultados de dureza de las petitas de Ni-Cr en HV.

3.15. Impacto medio ambiental.

Cada da en el mundo y nuestro pas se desarrollan culturas

medioambientales dirigidas fundamentalmente a la sociedad y a la

industria. La direccin de nuestro pas presta inters especial a esto, por

lo que elabora y controla normas para proteger el entorno del hombre y su

interaccin con la naturaleza, todo esto bajo la constante supervisin del

CITMA.El uso de estos metales, aunque se ha tratado de disminuir al mximo el

dao que ocasiona al hombre, son perjudiciales para la salud. Se ha

establecido la importancia que juegan los metales que no contienen sodio;

potasio, calcio o hierro. Todos los elementos metlicos que se usan para

su aplicacin en la elaboracin de implantes, con la posible excepcin del

titanio, estn reconocidos por ser txicos para el metabolismo de los

mamferos. No obstante, aun en el caso de los elementos esenciales, lasdosis elevadas pueden producir efectos txicos, los cuales se pueden

apreciar a nivel local o remoto.

Se ha demostrado que en la presencia de infecciones, el ndice de

corrosin aumenta considerablemente. Una infeccin ya sea inmediata o

retardada, permanece como un problema sin mayor importancia, pero

esto es un serio problema para los pacientes con algn tipo de implante o

prtesis. Debido a que un material extrao contribuye a causar y


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complicar el tratamiento de infecciones de los sistemas msculo-

esquelticos.

Se ha establecido que muchos iones metlicos tales como el cobalto,

cromo y nquel, cuando son liberados por los implantes pueden servir

para provocar reacciones de hipersensibilidad en pacientes previamente

sensibilizados. Adicionalmente existe preocupacin respecto al

aflojamiento crnico de los implantes, con el incremento de la liberacin

de partculas metlicas, las cuales pueden sensibilizar individuos

insensibles.

Estas regulaciones tambin se muestran en la forma ms correcta de

emplear diversos equipos dispuestos en los talleres y laboratorios. Es

importante destacar que tambin debe existir por parte de los tcnicos

que operan estos equipos un alto nivel de profesionalidad y cultura

ambiental.

Por solo mencionar algunos requisitos que deben tener los locales

vinculados a esta funcin, a continuacin se muestran algunos ejemplos

que demuestran lo antes expuesto.

o Las desbastadoras deben tener correctamente instalado el

sistema de entrada y salida de agua, evitando el derrame de la

misma al exterior.

o Los reactivos que se prepararen en pequeas proporciones y

sean trabajados en campanas de extraccin de gases.

o Los tcnicos que operan en los equipos utilizados, deben de tener

los medios de proteccin establecidos para cada puesto detrabajo.

o Al entrar cualquier personal ajeno a los laboratorios, les muestren

el reglamento as como los lugares donde debe tener precaucin.

o Que los equipos tengan un plan de inspeccin de riesgos y un

sistema de gestin del mantenimiento establecido.

o Que los laboratorios cuenten con un sistema de evacuacin en

caso de alguna eventualidad donde peligre la vida del obrero

como los escapes de sustancias toxicas.


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o Los laboratorios cuentan con un botiqun de primeros auxilios.

o Las correas que se utilice en los molinos de mandbulas tengan

protector.

3.16. Anlisis econmico.

En nuestro pas los costos de investigaciones se determinan teniendo en

cuenta la suma de los costos de los procesos u operaciones realizadas,

as como los experimentos. Es importante considerar que estos son

valores aproximados ya que los precios de algunos materiales dependen

del proveedor, costos de fletado y otros. Tambin es necesario aclarar

que se toman salarios promedios para los profesionales implicados en las

investigaciones, ya que dependen del sistema salarial de cada centro o

instituto. Sin embargo, este anlisis nos dar una idea bastante clara de lo

que se ha invertido en la investigacin.

3.13. Nuevos horizontes de los materiales biocompatibles.

Por referencias de la bibliografa consultada se ha encontrado que

investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Cientficas (CSIC)de la hermana Repblica de Cuba, han patentado un mtodo para

producir materiales biocompatibles usando como materia prima,

subproductos de la industria cervecera. Los materiales obtenidos, que

pueden usarse tanto para ingeniera de tejidos seos como para

crecimiento de clulas grasas, no requieren de una segunda operacin

para su extraccin.

Los investigadores han usado bagazo de cerveza, el residuo resultantetras prensar y filtrar el mosto que se obtiene del grano de la cebada

malteada. Blanca Casal Piga, del Instituto de Ciencias de Materiales de

Madrid (CSIC), explica la tcnica: "Este material se prensa, se seca y se

somete a diversos procesos hasta conseguir un material rico en fsforo,

silicio, calcio y magnesio que, dada su similitud con la fase mineral del

hueso, es adecuado para la ingeniera de tejidos seos".

Malcolm Yates, cientfico del CSIC que ha participado en la investigacin,

aade otros usos: "el material tambin puede usarse para el crecimiento


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de clulas madre de grasa". Aade adems que "materiales naturales

basados en coral haban sido usados para fines similares aunque su

sostenibilidad es dudosa, ya que no pueden ser considerados renovables

y su presencia es muy importante para el equilibrio del medio donde se

desarrollan".

Por otro lado, "la presencia de cationes biolgicamente activos como el

magnesio ayuda a la posterior biomineralizacin del slido, por lo que no

se requiere una segunda operacin para extraer el implante", concluye un

especialista en la materia.

En la investigacin han participado los cientficos del CSIC Malcolm

Yates, del Instituto de Catlisis y Petroloeoqumica; M ngeles Martn

Luengo y Blanca Casal Piga, del Instituto de Ciencias de Materiales de

Madrid; y Milagros Ramos Gmez, del Centro de Biologa Molecular

Severo Ochoa (centro mixto del CSIC y la Universidad Autnoma de

Madrid), quien ha comprobado la biocompatibilidad de los materiales y su

capacidad como soporte para este tipo de procesos.

La Ingeniera de tejidosLa ingeniera de tejidos, tambin conocida como medicina regenerativa,

se encarga de reparar o reemplazar parcial o totalmente los tejidos

(hueso, cartlago, tejidos grasos) y rganos daados tras una

enfermedad o accidente, o por el desgaste de la edad.

Su desarrollo actual se basa tanto en el cultivo de lneas celulares ms o

menos pluripotenciales, como en el diseo de materiales que sirvan de

soporte y estructura a las clulas. Estos materiales pueden ser de origenanimal, una opcin que se va descartando por el temor a que puedan

transmitir enfermedades, o de origen sinttico. stos ltimos,

generalmente, se obtienen mediante complicadas sntesis, utilizando

reactivos txicos y calcinaciones a temperaturas muy elevadas.

En este caso, todo el proceso patentado es acorde con un desarrollo

sostenible, evitando el uso de sustancias y procedimientos txicos.

Adems, se elimina el problema que plantean estos residuos, ya que se

utiliza como materia prima de una industria los desechos de otra,


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cerrando un ciclo sostenible de mxima disminucin de impacto

medioambiental y costes", concluye el especialista de esta rama.

PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIN

La informacin obtenida y los resultados del clculo y modelamiento

matemtico ser procesada de la siguiente manera:

En la realizacin del trabajo referativo se identific los tipos de

materiales biocompatibles para dismiles fines, entre los cuales estn

presentes las aleaciones NiCr que son las que se compran y

emplean en este tipo de trabajos para el sistema de salud. Acerca de

estas aleaciones no existe ningn resultado registrado en el MINSA

y se desconocen sus propiedades en las instituciones de este

organismo. Ambas aleaciones resultan muy beneficiosas y

necesarias de producir en Cuba desde las adecuadas materias

primas para su obtencin.

La caracterizacin del estudio est dirigido hacia la composicin

qumica, diagramas de fases, estudios estructurales, propiedades

mecnicas y las consideraciones tericas relacionadas con las

interpretaciones de tales caracterizaciones. En particular se lleg a

la conclusin de establecer relaciones esenciales de caracterizacin

y procesos de obtencin, que se concretan fundamentalmente desde

las temperaturas, composicin qumica, fases y microestructuras.

Las recomendaciones tecnolgicas concebidas estn dadas desde

las experiencias y estudios de laboratorio en materia de fundicin de

los materiales considerados; se concretan en establecer un control

extremo de la gasificacin durante el proceso de fusin, control del

tiempo de permanencia del metal en el molde y la temperatura de

vaciado, aplicacin de tratamientos trmicos para la obtencin de lahomogeneidad de la microestructura.

CAPÍTULO III

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