Structural investigation of Mg-3Ca, Mg-3Zn-1Ca and Mg-3Zn-3Ca as cast alloys

• Autorzy: Kubok K. , Lityńska-Dobrzyńska L. , Wojewoda-Budka J. , Góral A.

Warianty tytułu

PL

Badania strukturalne odlewanych stopów magnezu Mg-3Ca, Mg-3Zn-1Ca oraz Mg-3Zn-3Ca

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Magnesium alloys made of Mg-Zn-Ca system are interesting, because of possible application as bioresorbable cardiovascular stents or temporary orthopaedic implants. Avoidance of removal surgery is an undeniable advantage of using biodegradable materials. Alloys of nominal composition of Mg-3Ca, Mg-3Zn-1Ca and Mg-3Zn-3Ca (in wt.%) have been prepared by resistance melting and casting into graphite mould under protective argon atmosphere. All investigated alloys have revealed α(Mg) dendritic microstructures with intermetallic phases distributed in interdendritic spacing. Except α(Mg), hexagonal ternary phase Ca2Mg6Zn3 has been detected for the Mg-3Zn-1Ca alloy and Mg-3Zn-3Ca (Ca2Mg6Zn3 phase belongs to the space group P63/mmc, with lattice parameters depending on the chemical composition). It was calculated that the unit cell parameters for the ternary phase change – a from 9.912 to 9.945 Å, c from 10.351 to 10.378 Å, if compare Mg-3Zn-1Ca to Mg-3Zn-3Ca. The Mg-3Ca alloy contains only Mg2Ca (hexagonal crystal structure; space group P63/mmc, with lattice parameters a = 6.239 Å and c = 10.146 Å). The same binary phase has been identified in Mg-3Zn-3Ca alloy, but with slightly changed parameters: a = 6.2152 Å and c = 10.0699 Å. The hardness of all alloys has been measured. The highest value: 68 HV has been observed for Mg-3Zn-3Ca alloy whereas hardness 49 HV of alloy containing only calcium was significantly lower. Both existing in materials intermetallic phases segregate on the grain boundaries and harden alloys.

PL

Stopy magnezu z układu Mg-Zn-Ca są interesujące ze względu na możliwe zastosowanie jako bioresorbowalne stenty w kardiochirurgii oraz czasowe implanty ortopedyczne. Brak konieczności przeprowadzania operacji usunięcia implantów jest niezaprzeczalną zaletą stosowania biodegradowalnych materiałów. Stopy Mg-3Ca, Mg-3Zn-1Ca oraz Mg-3Zn-3Ca (% mas.) topiono w piecu oporowym w atmosferze argonu i odlano do tygli grafitowych. Wszystkie badane stopy posiadają po odlaniu mikrostrukturę dendrytyczną α(Mg) z fazami międzymetalicznymi w przestrzeniach międzydendrytycznych. Poza α Mg), heksagonalna potrójna faza Ca2Mg6Zn3 została zidentyfikowana w stopach Mg-3Zn-1Ca oraz Mg-3Zn-3Ca (faza Ca2Mg6Zn3 należy do grupy przestrzennej P63/mmc z parametrami sieci zależącymi od jej składu chemicznego). Obliczono, że parametry komórki elementarnej dla fazy potrójnej zmieniają się następująco a od 9.912 do 9.945 Å, c od 10.351 do 10.378 Å; jeśli porównamy stop Mg-3Zn-1Ca i Mg-3Zn-3Ca. W stopie podwójnym Mg-3Ca stwierdzono obecność tylko fazy Mg2Ca (heksagonalna struktura krystalograficzna; grupa przestrzenna P63/mmc z parametrami sieci: a = 6.239 Å i c = 10.146 Å). Ta sama faza podwójna została zidentyfikowana w stopie Mg-3Zn-3Ca z nieznacznie zmienionymi parametrami sieci: a = 6.2152 Å i c = 10.0699 Å. Zmierzono twardość wszystkich badanych stopów. Twardość stopu Mg-3Zn-3Ca była najwyższa (68 HV). Obie występujące w materiale fazy międzymetaliczne układają się na granicach ziaren przez, co utwardzają stop.

Słowa kluczowe

EN

Mg-Zn-Ca; microstructure; magnesium alloys; transmission electron microscopy

PL

Mg-Zn-Ca; mikrostruktura; stopy magnezu; transmisyjna mikroskopia elektronowa

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 2
• Strony: 162--165
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Kubok K.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS

autor

Lityńska-Dobrzyńska L.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS

autor

Wojewoda-Budka J.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS

autor

Góral A.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS

Bibliografia

• [1] Zhang B., Hou Y., Wang X., Wang Y., Geng L.: Mechanical properties, degradation performance and cytotoxicity of Mg-Zn-Ca biomedical alloys with different compositions. Mater. Sci. Eng. C 31 (2011) 1667÷1673.
• [2] Bakhsheshi-Rad H. R., Abdul-Kadir M. R., Idris M. H., Farahany S.: Relationship between the corrosion behaviour and the thermal characteristics and microstructure of Mg-0.5Ca-xZn alloys. Corr. Sci. 64 (2012) 184÷197.
• [3] Du H., Wei Z, Liu X., Zhang E.: Effects of Zn on the microstructure, mechanical property and biocorrosion property of Mg-3Ca alloys for biomedical application. Mater. Chem. Phys. 125 (2011) 568÷575.
• [4] Witte F., Hort N., Vogt C., Cohen S., Kainer K. U., Willumeit R., Feyerabend F.: Degradable biomaterials based on magnesium corrosion. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 12 (2008) 63÷72.
• [5] Kirkland N.: Magnesium biomaterials: past, present and future. Corros. Eng. Sci. Techn. 47 (2012) 322÷328.
• [6] Kirkland N. T., Birbilis N., Staiger M. P.: Assessing the corrosion of biodegradable magnesium implants: A critical review of current methodologies and their limitations. Acta Biomater. 8 (2012) 925÷936.
• [7] Vormann J.: Magnesium: nutrition and metabolism. Mol. Aspects Med. 24 (2003) 27÷37.
• [8] Saris N.: Magnesium: an update on physiological, clinical and analytical aspects. Clin. Chim. Acta 294 (2000) 1÷26.
• [9] Zhanga E., Yang L.: Microstructure, mechanical properties and biocorrosion properties of Mg-Zn-Mn-Ca alloy for biomedical application. Mater. Sci. Eng. A 497 (2008) 111÷118.
• [10] Cui X., Yang Y., Liu E., Jin G., Zhong J., Li Q.: Corrosion behaviours in physiological solution of cerium conversion coatings on AZ31 magnesium alloy. Appl. Surf. Sci. 257 (2011) 9703÷9709.
• [11] Hort N., Huang Y., Fechner D., Störmer M., Blawert C., Witte F.: Magnesium alloys as implant materials – principles of property design for Mg-RE alloys. Acta Biomater. 6 (2010)1714÷1725.
• [12] Kawahara M.: Effects of aluminum on the nervous system and its possible link with neurodegenerative diseases. J. Alzheimers Dis. 8 (2005) 171÷82.
• [13] Nie J. F., Muddle B. C.: Precipitation hardening of Mg-Ca(-Zn) alloys. Scripta Mater. 37 (1997) 1475÷1481.
• [14] Bettles C. J., Gibson M. A., Venkatesan K.: Enhanced age-hardening behaviour in Mg-4 wt % Zn microalloyed with Ca. Scripta Mater. 51 (2004) 193÷197.
• [15] Oh-ishi K., Watanabe R., Mendis C. L., Hono K.: Age-hardening response of Mg-0.3 at. % Ca alloys with different Zn contents. Mater. Sci. Eng. A 526 (2009) 177÷184.
• [16] Ghali E.: Metallurgically and microbiologically influenced corrosion of magnesium and its alloys. John Wiley&Sons Inc., New York (2010).
• [17] Chang J. W., Guo X. W., Fu P. H., Peng L. M., Ding W. J.: Effect of heat treatment on corrosion and electrochemical behaviour of Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr (wt %) alloy. Electrochim. Acta 52 (2007) 3160÷3167.
• [18] Kubok K., Litynska-Dobrzynska L., Wojewoda-Budka J., Goral A., Debski A.: Investigation of structures in as-cast alloys from the Mg-Zn-Ca system. Arch. Metal. Mater. 2 (2013) in press.
• [19] Zhang Y., Kevorkov D., Bridier F., Mendraj M.: Experimental study of the Ca-Mg-Zn system using diffusion couples and key alloys. Sci. Technol. Adv. Mater. 12 (2011) 1÷13.