COMPACTA CORPO CENTRADOCORPO CENTRADOCÚBICA DECÚBICA DE
FIGURA 2.2 - Modelo de estruturas cristalinas do Ti, posições dos átomos indicadas pelas localizações das esferas.
O termo titânio é freqüentemente usado para incluir todo tipo de titânio, puro e em liga. No entanto, não ficaria claro porque o processamento, a composição, a estrutura, e as propriedades são completamente diferentes, e também porque para um dado tipo de titânio, diferenças existem entre as formas fundidas e forjadas 14.
Deve se ter algumas precauções, pois, o pó de titânio metálico é pirofórico. Por outro lado, se acredita que seus sais não são especialmente perigosos. Entretanto, seus cloretos, como TiCl3 e TiCl4, são considerados
corrosivos. O titânio tem a tendência de ficar acumulado nos tecidos vivos. Em princípio, não se observa que apresente algum papel “in vivo” 25.
O somatório das condições do titânio quanto às altas resistências à corrosão e à reação biológica, seu peso relativamente baixo e sua baixa densidade são favoráveis para tornarem os materiais à base de titânio atrativos para serem usados para fins odontológicos. O titânio forma uma camada de óxido muito estável com uma espessura na ordem de angstroms, e é repassivada em um tempo na ordem de nanosegundo (10-9segundos). Esta formação de óxido é à base da resistência à corrosão e biocompatibilidade do titânio 14.
Titânio comercialmente puro (Ti-cp) é usado para implantes odontológicos, revestimento superficial, e, mais recentemente, como coroas, dentes postiços completos e parciais, e arames ortodônticos. Várias ligas de titânio também são usadas. Destas ligas, Ti-6Al-4V é a mais largamente utilizada. Ligas forjadas de titânio e níquel e de titânio e molibdênio são usadas para arames ortodônticos.
Titânio Comercialmente Puro (Ti – cp) 14,16
Titânio Comercialmente Puro está disponível em quatro graus, os quais variam de acordo com os teores do oxigênio (0,18 a 0,40 % em peso) e do ferro (0,20 a 0,50 % em peso). Estas diferenças de concentrações, aparentemente tão pequenas, tem um efeito substancial sobre as propriedades físicas e mecânicas.
A temperatura ambiente, Ti-cp tem uma estrutura cristalina (hcp - estrutura hexagonal compacta), a qual é denotada como a fase (Į). Sob aquecimento, ocorre uma transformação de fase alotrópica. A 883° C, forma uma fase cúbica de corpo centrado (ccc), a qual é denotada como a fase beta (ȕ). Um componente com uma fase (ȕ) predominante, mas mais quebradiço do que um componente com uma microestrutura de fase (Į). Assim como outros metais, a temperatura, o tempo de processamento e o tratamento térmico determinam a quantidade, proporção, e distribuição de fases, composição total e microestrutura, e as propriedades resultantes. Portanto, os resultados quanto a temperatura de fusão e o procedimento de resfriamento são fatores críticos que garantem uma fusão com sucesso.
A densidade de Ti-cp (4,5 g/cm3) está em torno da metade do valor de muitos dos outros metais base. A dureza (100 GPa) está também em torno da metade do valor dos outros metais base. A resistência final varia, respectivamente, de 170 a 480 MPa e de 240 a 550 MPa, dependendo do grau do titânio.
2.2.1 - Ligas de Titânio14 Generalidades
Os elementos de liga são adicionados para estabilizar a fase (Į) ou para estabilizar a fase (ȕ), variando a temperatura de transformação (ȕ) para (Į). Por exemplo, na liga Ti-6Al-4V, o alumínio é um (Į) estabilizador, o qual expande o campo da fase (Į) aumentando (Į + ȕ) para a temperatura de transformação (ȕ). O vanádio que é considerado igualmente ao cobre e ao paládio na função de (ȕ) estabilizador, o qual expande o campo da fase (ȕ) diminuindo a (Į + ȕ) para a temperatura de transformação (ȕ)26,27.
Em geral, o Į-titânio torna-se uma liga, mais difícil para conformar ou trabalhar à temperatura ambiente. ȕ-titânio, no entanto, é maleável à temperatura ambiente e é, portanto usado em fios ortodônticos. As ligas (Į + ȕ) são resistentes e modeláveis, mas difíceis de se tornarem ligas. Tratamentos termomecânicos podem refinar a microestrutura pós-fusão e melhorar as propriedades 26,27.
A principal dificuldade a ser vencida quando se usa alguma das ligas de Ti em fundição de precisão é com relação aos altos valores das temperaturas de fundição, alta reatividade com gases e refratários, e relativamente pobre capacidade de moldá-las. As atividades de pesquisa e desenvolvimento sobrepõem os obstáculos, tais como: manufaturar moldes de cerâmica; de fundentes e fusão por centrifugação de ligas de Ti; acabamento superficial; defeito de cura e métodos de inspeção das peças fundidas. Um sistema de produção tem sido desenvolvido para a fusão industrial de Ti que tem estabilidade dimensional superior e excelentes propriedades de materiais, pureza, e economia 28.
Ti-6Al-4V
À temperatura ambiente, Ti-6Al-4V é uma liga bifásica (Į + ȕ). A aproximadamente 975° C aparece uma transformação de fase alotrópica, transformando a microestrutura para uma liga de simples fase cúbica de corpo centrado (ccc) – ȕ. Tratamentos térmicos determinam as quantidades relativas das fases Į e ȕ e as morfologias das fases e produz em uma variedade de microestruturas e algumas propriedades mecânicas. Variações microestruturais
dependem se o trabalho e tratamento térmico foram realizados acima ou abaixo da temperatura de transição-ȕ e da velocidade de resfriamento.
Fundindo-se esta liga na faixa de temperatura de 700° a 950° C, o tratamento térmico desenvolvido abaixo da temperatura de transição-ȕ, a aproximadamente 700° C, produz microestrutura recristalizada tendo finos grãos Į equiaxiais. As microestruturas equiaxiais são caracterizadas por terem pequenos tamanhos (de 3 a 10 µm), contornos de grãos que têm relações quantitativas em proporções aproximadamente de um para um. Esta classe de microestrutura é recomendada para implantes cirúrgicos de Ti-6Al-4V15.
Os tratamentos térmicos acima da temperatura de transição-ȕ levam a variações das microestruturas, as quais dependem, principalmente, da velocidade de resfriamento na faixa (Į + ȕ). O resfriamento lento da fase-ȕ para dentro da fase-(Į + ȕ) produz uma microestrutura lamelar (Į + ȕ). Fusão de Ti-6Al-4V e sinterização de Ti-6Al-4V sob alta-temperatura, produzem microestruturas lamelares. Sob resfriamento dentro do campo de (Į + ȕ), são formados grosseiramente (aproximadamente de 5 a 20 µm de espessura), grãos- Į como placas, as quais têm uma orientação paralela, nuclear. A quantidade de nucleação e crescimento e o tamanho da colônia dependem do ciclo térmico e do tempo de vida, ou seja, da resistência destas placas. Microestruturas equiaxiais são caracterizadas por pequenos grãos-Į arredondados, com aspecto aproximado de um para um. Microestruturas lamelares são caracterizadas por plaquetas-Į em uma matriz- ȕ, com contorno de grão- Į.
Um tratamento térmico freqüente utilizado para refino de microestruturas lamelares é um tratamento de solução em uma temperatura levemente acima da temperatura de transição-ȕ (e.g., 1000° a 1050° C) e uma subseqüente imersão em uma temperatura alta no campo de fase (Į + ȕ) (e.g., 800° a 950° C). Semelhante tratamento refina as espessuras das plaquetas, mas não exatamente quebra a microestrutura de lamelaridade.
As propriedades mecânicas das ligas de titânio (Į + ȕ) são determinadas pela quantidade, tamanho, forma, e morfologia da fase - Į e a densidade da interfaceĮ / ȕ. As propriedades de tensão e fadiga de Ti-6Al-4V têm sido estudadas extensivamente. Microestrutura com um pequeno tamanho de grão-Į (< 20 µm), uma bem dispersa fase-ȕ e uma pequena área de interface Į / ȕ, tais como as microestruturas equiaxiais, resistem melhor à quebra por fadiga inicial e tem o mais
alto ciclo de resistência a fadiga (aproximadamente de 500 a 700 MPa). Microestruturas lamelares, as quais têm uma maior área de interface superficial Į / ȕ e mais colônias orientadas, tem menor resistência à fadiga (aproximadamente de 300 a 500 MPa) do que das microestruturas equiaxiais.
Ti-10Zr
As armações de óculos são bons exemplos de uma nova aplicação do titânio, porque o titânio é leve, forte e tem boa resistência à corrosão. Então, com o problema das pessoas sentirem alergias ao Níquel e ao mesmo tempo que as armações muito finas ficaram na moda, o titânio, o qual não é tóxico, tem sido reconhecido como um material com boa biocompatibilidade e adequado para armações de óculos. Assim, foi desenvolvida uma nova liga de titânio com ambas características, alta resistência e boa trabalhabilidade a frio. A liga Ti-10%Zr foi desenvolvida para satisfazer estas necessidades. Esta liga mostrou alta resistência para além de 1000 Mpa depois de trabalhada a frio, boa trabalhabilidade fria, e boa biocompatibilidade. Armações da liga Ti-10%Zr, também, mostram boa propriedade de polimento e alta resistência aos problemas de quebrar por envelhecimento, o qual é um tanto comum para armações de titânio29,30.
2.2.1.1 - Ligas de Titânio Obtidas Por Fundição14
Com bases nos atributos, conhecimento extensivo, e sucessos clínicos de implantes de titânio forjado, surgiram interesses em fusão de titânio para aplicações odontológicas. Embora se tenham experiências com fusão de titânio por mais de 50 anos, só recentemente têm sido conseguidos processos de fundição com precisão. Para componentes aeroespaciais e médicos, pressão isostática a quente (HIPing) e técnicas de acabamento especificas são rotineiramente praticadas. Mas, estas técnicas estão acima da competência e potencialidade da maioria dos laboratórios odontológicos.
Os dois mais importantes fatores em fusão de materiais a base de titânio são o alto ponto de fusão (=1700° C por Ti-cp) e a reatividade química. Devido ao alto ponto de fusão, procedimentos especiais de fusão, ciclos de resfriamento, material de modelagem, e equipamentos de fundição para evitar a contaminação do
metal são solicitados. Titânio é o material mais especial, o qual reage realmente com elementos gasosos tais como hidrogênio, oxigênio, e nitrogênio, particularmente em altas temperaturas (> 600° C). Para ser obtido um resultado satisfatório do processo de fundição do Ti-cp, algumas manipulações de titânio em temperaturas elevadas devem ser desenvolvidas em um sistema a vácuo bem controlado. Sem um bom controle do vácuo, as superfícies do titânio ficarão contaminadas com Į case, um oxigênio enriquecido e dureza da camada superficial, a qual pode ser tão espessa como 100 µm. Camadas superficiais com estas espessuras reduzem as propriedades de resistência e ductilidade, e provocam fragilização. Isto tudo é devido ao efeito muito quebradiço da presença do oxigênio. A tecnologia necessária para superar estes fatores é o que torna tão caro fazer fusão de titânio.
Devido à alta afinidade que o titânio tem por hidrogênio, oxigênio, e nitrogênio, um cadinho padrão e material padrão de revestimento não podem ser usados. O material do revestimento sempre deve ter em sua composição óxidos que são mais estáveis do que o mais estável dos óxidos de titânio e também devem ser mais capazes de resistirem à temperatura suficiente para a fusão do titânio. Se isto não for possível, então a difusão de oxigênio dentro do produto da fusão do metal é provável de ocorrer. Materiais de revestimentos tais como fosfatos-ligados em sílica e materiais de revestimentos fosfáticos com adição de traços de elementos atingem este objetivo. Tem sido mostrado que com revestimento a base de óxido de magnésio, resulta porosidade interna.
Devido à baixa densidade do titânio, fica difícil a fusão convencional, em máquinas de fusão com força centrifuga. Nos últimos 10 a 15 anos, técnicas avançadas de fundição, as quais combinam centrifugação, vácuo, pressão, e fundição de gravidade, novos materiais de revestimentos, e técnicas de fundição avançadas têm sido desenvolvidos (e.g. fundição com arco elétrico). Estes avanços têm garantido a possibilidade da fundição de materiais à base de titânio em laboratórios odontológicos.
Titânio puro tem sido fundido dentro de coroas, dentaduras parciais, e bases de dentadura completa. Ligas de titânio têm um menor ponto de fusão do que o titânio puro. Pela ligação de titânio, a temperatura de fusão pode ser diminuída para uma temperatura igual a das ligas níquel-cromo e cobalto-cromo. Por exemplo, as ligas Ti-Pd e Ti-Cu têm pontos de fusão de 1350° C. Menores temperaturas de fusão poderiam também reduzir a reatividade de titânio com oxigênio e outros gases.
Ligas binárias e ternárias a base de titânio têm sido fundidas. Ti-13Cu-4,5Ni tem sido fundido dentro de coroas e dentaduras parciais usando tecnologia de fundição, a vácuo. Outras ligas de titânio, tais como Ti-6Al-4V, Ti-20Cu, Ti-30Pd, Ti-Co, e Ti- Cu estão ainda em estágios experimentais e ainda não foram implementadas em alguns estudos clínicos.
As microestruturas dos materiais de titânio fundido são similares àquelas descritas previamente, isto é, foram obtidas em grãos lamelares com aparência grosseira, como resultado do lento resfriamento da temperatura de transformação ȕ paraĮ ou ȕ para (Į + ȕ).
As propriedades mecânicas de Ti-cp são similares àquelas das ligas de ouro dos tipos III e IV, ao passo que as ligas fundidas Ti-6Al-4V e Ti-15V exibem propriedades, exceto para modulo de elasticidade, similares àquelas ligas de níquel- cromo e cobalto-cromo. Por causa da microestrutura grosseira e heterogênea, as propriedades do titânio fundido podem não serem uniformes.
Recentemente, a microestrutura fundida de Ti-6Al-4V foi refinada por ligações temporárias com hidrogênio. A microestrutura resultante, pode ter tamanho de grão-Į menor do que 1 µm, aspecto da proporção aproximado da unidade (1), e descontínuo contorno de grão-Į, estes atributos microestruturais que aumentam a tensão e a resistência à fadiga. Estas variações em forma microestrutural e estrutura resultam em aumentos significativos da resistência do campo (de 974 para 1119 MPa), resistência final (de 1025 para 1152 MPa), resistência à fadiga (de 643 para 669 MPa) quando comparados com os respectivos valores de lamelar (902 MPa, 994 MPa e 497 MPa) e de microestruturas equiaxiais (914 MPa, 1000 MPa e 590 MPa).
Titânio puro foi fundido em uma máquina de fundição com uma pressão a vácuo. Outros pesquisadores têm desenvolvido uma máquina de fundição que usa um arco elétrico que funde o titânio em uma atmosfera de argônio.
A fundição é seguida por fusão pressurizada em um cadinho de cobre e proteção em revestimento de fosfato-ligado a sílica. Com uma máquina que assegura um ambiente relativamente livre de oxigênio, com o uso de um arco tungstênio pode-se alcançar temperaturas de 2000° C. Então, este último tipo de fusão do Ti-cp tem sido usado para fundir coroas e encher bases de dentaduras. Coroas fundidas desta maneira têm sido avaliadas clinicamente, e os resultados revelaram que, embora a espessura fosse inferior àquela da liga prata-paladio, mas
foi superior àquela da liga níquel-cromo. Ajuste de oclusão não foi mais difícil do que com as coroas convencionais, e descoloração, desgaste de oclusão, e retenção de plaquetas foram similares aos outros metais. O resultado, do ponto de vista clinico, para a base da dentadura completa fundida, tal como esta, não foi considerado bom.
Observações de coroas fundidas escolhidas casualmente revelaram grossa porosidade superficial, para uma profundidade de 75 µm, em ambos os lados da superfície, lado de fora e lado de dentro. Polimento mecânico é insuficiente para remover esta porosidade. Porosidades internas são também prontamente observadas, algumas vezes, mediram acima de 30% da área transversal seccionada. Superfícies dos produtos da fusão podem também ser contaminadas
com Į case. A causa da formação de Į case é devida, provavelmente, ao pobre
controle de vácuo durante o processo de fundição, ou devida a contaminação do molde (da forma). Para melhorias de funcionalidade do produto final da fusão, a camada superficial deve ser removida durante o acabamento. Contudo, até depois do Į case ser removido, oxidação interna pode permanecer e comprometer as propriedades mecânicas do produto final. Exames posteriores de tais peças fundidas também têm revelado múltiplas microfendas nas bordas das margens. Algumas fendas são em torno de 100 µm. Fendas deste comprimento são catastróficas para um material fácil de ser cotado, tal como o titânio.
Por outro lado, as dificuldades para obtenção de titânio fundido para propósito odontológico incluem: alto ponto de fusão e alta reatividade, baixa eficiência de fundição, inadequada expansão de investimento, porosidade no material fundido, e dificuldade no acabamento deste metal. De um ponto de vista técnico, titânio é difícil de formar ligas, soldar, ser produzido por máquinas de fundição, acabamento, e ajuste. Titânio fundido requer equipamento caro. Tal como para desenvolver alguns novos materiais ou tecnologia, técnica de fundição especifica deve ser desenvolvida, para a qual precisam de tempo, dedicação, e dinheiro14.
2.2.1.2 - Processos de Obtenção das Ligas Metálicas Titânio – Zircônio
As ligas metálicas podem ser obtidas por diversos processos. Tais como: Nos processos da fusão 20, fundem-se quantidades adequadas dos componentes da liga, a fim de que estes se misturem perfeitamente no estado líquido. A fusão é feita em cadinhos de ferro, de aço ou de grafite, em fornos de revérbero ou em fornos elétricos. A massa fundida, homogênea, é resfriada lentamente em formas apropriadas. São tomadas precauções especiais para evitar a separação dos componentes da liga durante o resfriamento, para evitar a oxidação dos metais fundidos, para minimizar as perdas dos componentes voláteis, etc. Esse processo também pode ser efetuado na superfície de um corpo. Assim, mergulhando-se folhas de ferro em estanho fundido, forma-se na sua superfície uma liga de ferro e estanho. Obtém-se, assim, a folha-de-flandres, também chamada lata. O processo de compressão 20 consiste em serem submetidas misturas em proporções adequadas dos componentes a altíssimas pressões. Esse processo é de importância na preparação de ligas de alto ponto de fusão e àquelas cujos componentes são imiscíveis no estado líquido.
O processo eletrolítico 20 consiste na eletrólise de uma mistura apropriada de sais, com o fim de se efetuar deposição simultânea de dois ou mais metais sobre cátodo(s).
O processo de metalurgia associada 20 consiste na obtenção de uma liga constituída de dois ou mais metais, submetendo-se ao mesmo processo metalúrgico uma mistura de seus minérios.
Produção de lingotes de liga de titânio fundida 31, o uso de pedaços reciclados é de grande importância. Uma nova técnica de fusão de pedaços de liga de titânio chamada “the package melting method”, ou seja, método de fusão por batelada, ou por volume tem sido desenvolvido. O processo é sumarizado como segue:
Primeiro: pedaços maciços (sólidos) menores são colocados juntos para dentro de um triturador, para serem reduzidos a pedaços menores;
Segundo: o triturado cai horizontalmente dentro de um forno a vácuo e é fundido em um banho de elétrons de plasma, e depois sem perda da continuidade é transformado em um lingote.
Experimentos foram feitos com pedaços de liga Ti--6Al--4V resultou nas seguintes conclusões:
(1) Lingotes produzidos por este método apresentaram boa qualidade superficial e nenhuma porosidade ou segregação;
(2) Desde que os lingotes oferecem boa trabalhabilidade com uma simples fusão, uma fusão secundária foi desnecessária;
(3) As barras que foram produzidas dos pedaços reciclados tiveram propriedades mecânicas equivalentes àquelas produzidas de esponja;
(4) Devido às etapas do processo serem simples, e oferecerem alta velocidade para obtenção dos pedaços, este método oferece vantagens de custos siguinificantes sobre outros métodos de fusão;
(5) Estes lingotes foram também usados na manufatura de válvulas de engenharia para automóveis.Parte superior do formulário
Segundo Yan et al32, titânio é um material ideal para uso em próteses odontológicas por causa de sua biocompatibilidade, resistência à corrosão, e esforço mecânico combinado com seu leve peso, recentemente os usos de titânio e ligas de titânio para restaurações fixas têm aumentado substancialmente, principalmente devido ao desenvolvimento de técnicas de fundição destes materiais. Neste artigo foi ressaltado o estudo de técnicas de fundição na China, o rápido desenvolvimento da indústria de titânio chinesa proporcionou uma boa condição para o desenvolvimento de pesquisas, de formas ativas e rápidas, sobre fusão de titânio para odontologia. Em 1995 a primeira máquina para fundição de titânio foi desenvolvida e bem trabalhada. Sua utilização, bem sucedida, resultou em armações e dentadura, bases de dentadura de titânio, coroas e pontes de titânio e restaurações de titânio – porcelana. Para expandir as aplicações de ligas de titânio como materiais ortodônticos dental, ligas de Ti-Zr para uso odontológico foram também desenvolvidas. Suas propriedades físicas e mecânicas são melhores do que as de titânio puro e suas biocompatibilidades são excelentes. Para resolver problemas de polimento e de acabamento de titânio fundido, uma serie de técnicas de tratamento de superfícies e procedimentos foram desenvolvidos recentemente, incluindo jateamento com abrasivos, imersão química, polimento mecânico, polimento químico, polimento eletroquímico, e anodização de titânio fundido. Estas técnicas tornam os tratamentos das peças de titânio fundidas mais fáceis e mais eficientes e garantem a qualidade da superfície do titânio fundido para aplicação em odontologia.
2.2.1.3 - Fundição em Forno a Vácuo Por Plasma
Um forno a vácuo foi descrito em fusão por plasma para pedaços de titânio, zircônio e ligas a base de níquel. O forno de Consolidação de Pedaços por Plasma (PSC) foi construído para desenvolver técnicas de fusão de plasma aplicadas para pedaços de vários formatos que concorreram com a transferência de inclusões de ambos os metais, pesado e leve. Um PEC 500 KW de longa coluna de lâmpada elétrica de arco plasma foi usado, o qual operava com uma variedade de lâmpadas elétricas de gases e misturas de gases33.