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INFLUÊNCIA DO PERCENTUAL DE VAZIOS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE LIGAS ODONTOLÓGICAS FUNDIDAS A BASE DE Co-Cr-Mo

W. J. Yamakami, R. C. Tokimatsu, J. Gallego, V. A. Ventrella, C. R. Sokei

Caixa Postal 31. Ilha Solteira / SP. CEP 15.385-000. [email protected]

Departamento de Engenharia Mecânica – UNESP / Ilha Solteira

RESUMO Este trabalho visa correlacionar as propriedades mecânicas de duas ligas

odontológicas a base de Co-Cr-Mo, Dentorium e Steeldent, fundidas nas condições

100% e 50% liga nova, com as características da superfície de fratura, percentual de

vazios e microestrutura. Ensaio de tração, fractografia, micrografia e medida do

percentual global de vazios foram realizados. Observou-se em alguns corpos de

prova (CDPs) que módulo de elasticidade e o alongamento tendem a serem

menores quanto maior o percentual de vazios. Porém, isto não foi observado para

todos os CDPs. Os valores do módulo de elasticidade foram dez vezes menor que

os especificados na literatura, provavelmente devido aos vazios. As ligas

apresentaram mesmo nível de resistência mecânica, porém a liga Dentorium 50%

liga nova apresentou carbonetos pequenos, contribuindo para um maior

alongamento total em relação às ligas Steeldent 100 e 50% liga nova e Dentorium

100% liga nova, cujos cabonetos foram maiores e compridos.

Palavras-chave: ligas odontológicas, vazios, propriedades mecânicas, fractografia,

microestrutura.

INTRODUÇÃO

As ligas a base de Cobalto são utilizadas a mais de meio século pela

Odontologia na confecção de próteses devido às suas características como:

biocompatibilidade, resistência mecânica, resistência ao desgaste e à oxidação,

baixa densidade e boa fundibilidade. Mas, a incidência de falhas de próteses

odontológicas é um grande problema que representa inconvenientes e gastos tanto

17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

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para os usuários como para os profissionais da área.

Provavelmente, a falta de um controle mais rígido dos parâmetros do processo

de fundição na Odontologia como temperatura de vazamento, temperatura do molde

e atmosfera ambiente propicie a formação de defeitos (vazios, microssegregação)

que prejudicam as propriedades mecânicas e facilitam o processo de fratura.

Estas fraturas são decorrentes de ajustes mecânicos a frio e/ou falta de

cuidado do usuário (1-2) e, principalmente, do fenômeno da fadiga (3-5) favorecido

pelas porosidades. Os resultados obtidos dos ensaios para a determinação da

resistência à fadiga de ligas fundidas apresentam uma grande dispersão, além de

não haver um consenso entre os resultados obtidos pelos pesquisadores (6-7).

Por outro lado, as propriedades de tração respondem melhor às mudanças

microestruturais, mesmo com presença de vazios. O limite de escoamento é pouco

afetado pelas porosidades, enquanto o limite de resistência à tração é mais sensível

a este defeito (8).

As pesquisas de ligas com composição semelhante às estudadas neste

trabalho, revelam uma estrutura austenítica (CFC) com segregação em forma

lamelar, similar à perlita, sendo esta última prejudicial ao alongamento e limite de

escoamento (9-11). Os carbonetos visualizados tendem a ser maiores e compridos e

os grãos grosseiros à medida que se aumenta a temperatura de vazamento do metal

fundido e do molde (12).

Este trabalho tem por objetivos analisar a influência dos vazios, microestrutura,

os micromecanismos de fratura e as propriedades de tração de duas ligas

odontológicas: Steeldent e Dentorium, fundidas em duas condições: 1) 100% liga

nova (sem refusão de material); 2) 50% liga nova (introdução de 50% em peso do

mesmo material já fundido e 50% em peso de liga nova), utilizando-se a técnica de

fundição por cera perdida.

MATERIAIS E MÉTODOS

Foram utilizadas duas ligas odontológicas a base de Co-Cr-Mo: steeldent

(63,14% Co; 29,38% Cr; 4,48% Mo; C-Si-Fe <1%) e dentorium (63-64% Co; 27-28%

Cr; 5-5,5% Mo; Ni<1%; Outros: 2,5-5%). As condições de fundição foram: 100% liga

nova e 50% liga nova. Na condição 100% liga nova, o material adquirido não sofre

refusão. Na condição 50% liga nova, 50% em peso do material utilizado na


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confecção dos Corpos de Prova (CDPs) já foi fundido uma vez, e o 50% restante é

de material novo, ou seja, 50% em peso de material sofre uma refusão.

Os corpos de prova (CDPs) foram fundidos através do processo de cera

perdida. O molde é feito com revestimento Precise e foi aquecido a 900 °C junto com

o cadinho antes do vazamento do metal, fundido em um forno de arco voltaico. A

liga é vazada para o molde através de uma centrífuga. Após a fundição, os CDPs

foram torneados, retirando-se uma camada superficial de 0,4 a 0,5 mm e polidos

eletroliticamente utilizando-se um eletrólito classe I-5, voltagem de 18 a 20 volts

aplicada durante 2 a 2,5 minutos, de modo a obter uma superfície brilhante. Foram

feitas pelo menos cinco medidas do diâmetro ao longo do comprimento útil do CDP,

e optou-se pela de menor valor. O comprimento útil e o diâmetro médio dos CDPs

foram de aproximadamente 7,0 mm e 1,5 mm, respectivamente.

O fato de o material fundido apresentar vazios internos levou à utilização do

método de picnometria para determinação do percentual de vazios do material

fundido. Este método consiste na determinação da densidade aparente apρ

(densidade do material com vazios internos) e comparação com a densidade real

realρ (material livre de vazios internos) (13).

O valor da densidade real para estas ligas foi obtido da literatura (14) e a

percentagem de vazios contida no CDP é dada por (15): %vazios = [1 - (ρap / ρreal)] x

100%.

Os CDPs foram submetidos ao ensaio de tração em uma máquina MTS -

Materials Testing System - 810 (100 kN), servo-hidráulico, a uma taxa de

deformação de aproximadamente e.

= 0,0143 s-1. O limite de escoamento foi

definido para uma deformação permanente de 0,2%. O alongamento total foi

determinado considerando-se somente a deformação plástica total do corpo de

prova.

Amostras dos CDPs foram preparadas para análise metalográfica da seção

transversal e atacadas por alguns segundos (3 a 4) com uma solução de: 200 ml

HCl, 5 ml HF e 65 g FeCl3. As análises metalográficas foram realizadas em um

microscópio óptico Neophot 32 e as fractografias foram feitas em todos os CDPs em

um microscópio eletrônico de varredura Cambridge Stereoscan S4-10.


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RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela 1 mostra os resultados obtidos dos ensaios de tração. Os valores

obtidos mostram uma grande dispersão nas propriedades, notada através dos altos

valores dos desvios padrões. Uma explicação para este resultado provém das

diferenças de medida do diâmetro do CDP ao longo do seu comprimento útil. O fato

das dimensões serem pequenas faz com que um erro de 0,02 a 0,05 mm na medida

do diâmetro, por exemplo, cause uma alteração do valor do limite de escoamento da

ordem de 15 a 80 MPa, representando de 2,1 a 11,4% do limite de escoamento

médio, obtido para a liga Steeldent 50% liga nova.

Um outro problema observado a partir da superfície de fratura dos CDPs do

ensaio de tração e que muito provavelmente contribuiu para as dispersões dos

resultados, são os vazios decorrentes do processo de fundição. Todos os CDPs

ensaiados apresentaram, em menor ou maior grau, este tipo de defeito que, por sua

forma, aparência, localização e dimensões, pode ser classificada como B221

(internal or blind shrinkage) de acordo com a American Foundrymen's Society (16).

A causa deste defeito se deve principalmente à alimentação com metal líquido

insuficiente. Outros fatores que contribuem são: a contração do volume do material a

partir do estado líquido até a sua temperatura de solidificação e durante a sua

transformação do estado líquido para o sólido e os gases aprisionados pelo metal

Tabela 1. Propriedades do ensaio de tração.

LIGAS σe σf A E

ST100 M 683 845 2,00 28,26 D 47 68 2,00 6,62

ST50 M 701 844 2,75 32,92 D 77 145 2,46 9,55

DT100 M 740 917 3,40 26,70 D 53 130 2,34 6,40

DT50 M 699 916 5,84 27,33 D 43 94 2,34 4,01

M = média; D = desvio padrão; σe = tensão limite de escoamento (MPa); σf =

resistência à fratura (MPa); A = alongamento total (%); E = módulo de elasticidade.


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líquido durante a turbulência gerada durante o vazamento do mesmo, os quais se

mantêm após solidificação.

Existem soluções, algumas delas difíceis de serem empregadas na fundição

de próteses odontológicas, para este problema: - colocar alimentadores nas regiões

de prováveis formações de bolhas; diminuir a temperatura de vazamento, de modo

a minimizar a contração do metal líquido; usar desgaseificante; projetar o molde de

modo a facilitar a saída dos gases (16).

Todos os CDPs apresentaram na superfície de fratura, em maior ou menor

percentual, vazios com diferentes dimensões e posições. Esses vazios são

causados pela falta de metal líquido gerada por uma alimentação inadequada

destas regiões durante a solidificação (16).

Os vazios propiciam a geração de estados triaxiais de tensões que restringem

a deformação plástica, fragilizando o material; diminuem a área resistente e,

consequentemente, a resistência mecânica. Os percentuais globais de vazios são

bem variados indicando que o processo de fundição, provavelmente, não está

sendo bem controlado. A própria geometria do CDP, contendo descontinuidades

geométricas, favorece a formação de vazios, devido ao aprisionamento de metal

líquido dentro do CDP, nestas regiões.

A média e desvio-padrão, respectivamente, do percentual global de vazios das

ligas são mostrados na Tabela 2.

Os percentuais globais de vazios obtidos com a picnometria não apresentaram

de forma clara uma correlação com as propriedades de tração. Era de se esperar

que CDPs com maior percentual de vazios apresentassem menores limites de

resistência à tração e alongamento, mas isto não foi observado para todos CDPs.

Asgar e Peyton (17) observaram este comportamento para dois CDPs, e

comentam que o fato de um CDP com alguma porosidade ainda apresentar um

limite de resistência tão alto quanto ao de um CDP sem porosidade pode ser devido

ao elevado módulo de elasticidade e limite de escoamento da liga.

Com relação ao alongamento, verifica-se que nem sempre os CDPs com maior

Tabela 2 - Percentual Global de Vazios.

Ligas ST100 ST50 DT100 DT50 Média 8,8 10,0 7,5 7,1 Desvio-Padrão 1,4 2,0 1,6 3,1


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percentagem de vazios apresentaram menor alongamento. Asgar e Peyton (17)

comentam que neste caso a microestrutura tem um efeito significativo sobre esta

propriedade tanto quanto os vazios.

Isto pôde ser observado claramente na liga DT 50% liga nova que apresentou

um alongamento maior em relação à DT100% e ST100% e 50% liga nova, mesmo

com percentuais de vazios de mesma ordem dos determinados para estas últimas.

A diferença do alongamento da liga DT50 e as demais pode ser explicada pelo

fato dos carbonetos apresentarem-se finos e curtos, viabilizando uma maior

deformação plástica, ao contrário dos carbonetos grandes e compridos, observados

na outras condições, que induzem uma fratura mais frágil.

Os limites de escoamento das ligas podem ser considerados também

estatisticamente iguais, mostrando que a variação do percentual de vazios não afeta

esta propriedade como mencionado (8).

Pelas análises estatísticas, as ligas apresentam um mesmo o módulo de

elasticidade cujos valores obtidos são dez vezes menores que os especificados

para estas ligas. Estes valores baixos podem ser explicados pelas dimensões muito

pequenas dos CDPs e, principalmente, devido aos vazios observados neles.

Asgar e Peyton (17) comentam que a relação tensão x deformação variará se

durante a preparação ou ensaio o CDP sofrer flexão. Esta variação será maior se o

material possui baixo percentual de deformação ou se o diâmetro do CDP for

pequeno.

Os vazios no interior do material tendem a diminuir a rigidez e,

consequentemente, o módulo de elasticidade do CDP. Este módulo de elasticidade

então medido terá um valor composto pela ação do material e dos vazios.

Kountouras (18) e Orchard (19) mostram valores de módulo de elasticidade,

obtidos por ensaio de flexão de ligas Co-Cr fundidas, bem próximos dos

apresentados na Tabela 1.

A microestrutura das ligas apresenta uma matriz dendrítica colunar partindo da

superfície do CDP em direção ao centro do mesmo, sendo observados, em alguns

casos, grãos equiaxiais no centro do CDP, como visto na Figura 1a. A matriz é uma

solução sólida de Co e Cr, elementos básicos da liga. Asgar e Peyton (9) verificaram

para uma liga semelhante à deste estudo, que a estrutura cristalina é provavelmente

austenítica (CFC).

Ao longo dos contornos de grão é observado em todos os CDPs uma


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80 µm

segregação em quantidades variadas, provavelmente devido à variedade de

elementos que compõem a liga, como visto na Figura 1b. Esta segregação é

composta basicamente, em ordem decrescente dos percentuais dos elementos, Co,

Cr e Mo, podendo haver formação de compostos complexos.

O tamanho de grão dendrítico e o espaçamento interdendrítico (em média 10

µm) são pequenos, indicando que as taxas de resfriamento foram rápidas. Os

carbonetos são observados na região interdendrítica, tanto no contorno como no

interior do grão dendrítico.

A liga Dentorium 50% liga nova apresenta em geral carbonetos finos e curtos,

vistos na Figura 2a. Carbonetos maiores e alongados são observados nas ligas

Dentorium 100% liga nova e Steeldent, em ambas as condições de fundição, como

mostra a Figura 2b. Carbonetos, quando grandes e alongados, podem contribuir

com a fragilização do material, diminuindo o alongamento (9).

a) b) Figura 1. a) Microestrutura característica das ligas Dentorium e Steedent.

b) Matriz (M), Segregação (S) e carbonetos (C).

(a) (b) Figura 2. a) Dentorium 50% liga nova: Carbonetos pequenos e curtos. b) Steedent

50% e 100% e Dentorium 100% liga nova: Carbonetos grandes e compridos.

12 µm 25 µm

2,4 µm

S


6810

As diferenças no tamanho de grão e na forma e tamanho dos carbonetos

indicam que as condições de resfriamento variaram entre os CDPs, ou seja, o

processo de fundição provavelmente não foi muito bem controlado. Maior

temperatura de vazamento e do molde propiciam a formação de grãos grosseiros e

os carbonetos podem se coalescerem tornando-se maiores e mais compridos (11).

Estas segregações se assemelham à fase lamelar, em forma de perlita, observada

por Harcourt e Cotterill (10) para liga Croform 4, e é composta de carbonetos e

camadas de solução sólida de Cobalto. Esta fase lamelar tende a diminuir o

alongamento e o limite de escoamento (8, 10, 11).

As análises fractográficas mostram que a fratura é predominantemente

interdendrítica, vista na Figura 3a, como observado por Zhuang (6). Isto é devido ao

fato dos vazios se localizarem na região interdendrítica, facilitando a propagação da

trinca, sem a ocorrência de deformação plástica, fragilizando o material.

Foi observado, na superfície de fratura dos CDPs, regiões com o

micromecanismo de fratura alveolar. Esse micromecanismo de fratura ocorre

durante o processo de deformação e fratura pela nucleação, crescimento e

coalescimento de vazios em partículas de segunda fase (carbonetos). Do ponto de

vista microscópico esse micromecanismo é dútil, pois envolve deformação plástica.

Os alvéolos apresentaram-se em maior quantidade nos CDPs onde o

alongamento foi maior, como mostra a Figura 3b. Assim, a presença de alvéolos

pode ser um indicador de dutilidade.

Do ponto de vista macroscópico, a fratura pode ser dútil ou frágil, dependendo

da quantidade, natureza, dimensões e distribuição das partículas de segunda fase

(carbonetos) (20). Os carbonetos são visualizados na região interdendrítica e têm

uma fratura transgranular frágil, devido a sua elevada dureza. Assim, nessas ligas,

a)

b) Figura 3. a) Fratura interdentrídica característica das ligas. b) Fratura alveolar.

185 µm 5 µm


6811

a fratura alveolar é de natureza interdendrítica.

O efeito fragilizante dos vazios foi amenizado pela forma e distribuição dos

carbonetos na liga DT50. Em relação às outras ligas, cujos CDPs apresentaram, em

média, um baixo alongamento total, provavelmente, uma ação combinada dos

vazios localizados na superfície de fratura e a forma dos carbonetos estejam

controlando esta propriedade.

CONCLUSÕES

- Os limites de escoamento e de resistência à fratura das ligas são

estatisticamente iguais e compatíveis com os da literatura.

- A combinação dos efeitos da microestrutura e dos vazios nas propriedades

analisadas impossibilita o estabelecimento de uma correlação específica entre elas e

o percentual de vazios.

- Apesar de não estabelecido uma correlação com o módulo de elasticidade, os

vazios são, provavelmente, os principais responsáveis pelos baixos valores obtidos.

- Os carbonetos pequenos e curtos da liga Dentorium 50% liga nova

contribuíram para sua dutilidade relativamente maior, contrabalanceando o efeito

fragilizante dos vazios internos.

- Os carbonetos maiores e compridos das ligas Steeldent 50 e 100% e

Dentorium 100% liga nova aliados aos vazios internos foram responsáveis pela

baixa dutilidade apresentada pelo material.

- As variações microestruturais e os vazios causados pela falta de metal liquido

mostram que os parâmetros do processo de fundição bem como o projeto do molde

de fundição precisam ser melhor controlados.

- Os vazios internos contribuem para uma fratura predominantemente

interdendrítica, observando-se um micromecanismo de fratura alveolar mais extenso

nos CDPs com maior dutilidade.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos a Fundação para o Desenvolvimento da Unesp - FUNDUNESP –

pelo auxílio concedido para participação no XVII CBECIMAT – Congresso Brasileiro

de Engenharia e Ciências dos Materiais – realizado de 15 a 19 de novembro de

2006 em Foz do Iguaçu – PR.


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PERCENTAGE OF VOIDS INFLUENCE ON MECHANICAL PROPERTIES OF

Co-Cr-Mo DENTAL ALLOYS

ABSTRACT

This work aims to correlating mechanical properties of two Co-Cr-Mo dental alloys,

Steeldent and Dentorium, cast in 100% and 50% new alloy conditions with fracture

surface characteristics, percentage of voids and microstructure. Uniaxial tensile tests,

fractographs, micrographs and the measuring of global percentage of voids were

carried out. It was observed in some tensile specimens that the elasticity modulus

and elongation tend to be smaller as larger the percentage of voids. However, it was

not observed for all specimens. The elasticity modulus values were ten times smaller


6814

than them specified in the literature, probably due to voids. The alloys have

presented the same level of mechanical strength, although the Dentorium 50% new

alloy has presented small carbides contributing to a larger total elongation in relation

to Steeldent 100% and 50% new alloys and Dentorium 100% new alloy, which the

carbides were larger and lengthy.

Key-words: dental alloys, voids, mechanical properties, fractograph, microstructure.


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