Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОГО ИНСТРУМЕНТА

Представлены особенности свойств и структуры нержавеющих сталей мартенситного 50Х14МФ и аустенитного 03X18H16M3 классов, предназначенных для изготовления скальпелей и имплантатов. Комплекс металлургических приемов, связанных с переплавом, гомогенизацией измельчением структуры, позволил создать стали нового поколения. Стали соответствуют требованиям международных стандартов ИСО и их использование существенно увеличивает срок службы медицинских инструментов.

В России в течение последних десятилетий ведутся работы по созданию сталей для медицинских инструментов, которые соответствовали бы международным стандартам ИСО.

К нержавеющим аустенитным сталям для медицинских инструментов предъявляют особые требования. Например, для хирургических имплантатов регламентируются: загрязненность неметаллическими включениями, количество б-феррита, размер аустенитного зерна, интервал значений механических свойств при растяжении, соотношение между содержаниями хрома и молибдена.

Ниже изложены результаты разработки стали 03X18H16M3, предназначенной для изготовления имплантатов. В стали регламентируется повышенное содержание хрома и молибдена в соответствии с формулой Сг + 3,3 Мо > 26. Для предотвращения образования б-феррита с учетом диаграммы Шефлера и повышенной чистоты стали по газам установлено повышенное содержание никеля: 14,5—16,5 %. Однако при этом обнаружен б-феррит. В результате металлографического и микрорентгеноспектрального анализа показано, что б-феррит образуется в межосных участках дендритов литой стали. Увеличение содержания азота от 0,025 до 0,11 % снижает количество б-феррита, уменьшает размер частиц этой фазы, изменяет ликвационную неоднородность стали по хрому и молибдену.

Установлена связь между размерами б-фазы, временем и температурой гомогенизации стали. Растворение б-фазы в малодеформированном металле возможно при температуре 1300 °С, что неприемлемо в заводских условиях. Снижение температуры гомогенизации возможно при резком уменьшении размера частиц б-фазы, что достигается увеличением степени деформации в процессе производства. Оптимальные условия для гомогенизации структуры обеспечиваются выдержкой при 10$0—1150 °С в течение 5—10 мин на 1мм толщины. Гомогенизацию проката предпочтительнее проводить в размерах, близких к окончательным.

Для изготовления хирургических имплантатов используют сталь как в закаленном, так и в нагартованном состояниях. Механические свойства при растяжении и структура деформированного листа из стали 03X18H16M3- ВД восстанавливаются до уровня разупрочненного состояния при температуре нагрева 900 °С. Механизм восстановления свойств различается в зависимости от степени дефор мации: при 20 %-ной деформации происходит отдых, при 50 %-ной — рекристаллизация.

Сталь 03X18H16M3 по сравнению со сталью 12Х18Н9Т обладает более высокой стойкостью к питтинговой коррозии (рис. 1). Особенность влияния степени деформации на склонность к питтинговой коррозии обнаружена при 16 12 Рис. 1. Скорость коррозии (ук) в растворе 10 % FeCl3 • 6Н2О сталей 12Х18Н9Т (/) и G3X18H16M3 (//) потенциостатическом травлении. При потенциале +0,5 В (который является потенциалом питтингообразования) скорость питтинговой коррозии в растворе поваренной соли возрастает более чем на порядок при увеличении степени холодной деформации от 0 до 80 % (рис. 2). При смещении потенциала травления на 0,10—0,15 В от потенциала питтингообразования влияние степени деформации отсутствует. Аналогично при испытании в растворе хлорного железа в воде (в котором потенциал коррозии существенно отличается от потенциала питтингообразования) степень коррозии не зависит от степени деформации (от 0 до 90 %) стали и составляет

На основании рентгеновских и микрострук- турных исследований установлено, что в стали типа 03Х18Н(8—16)МЗ при содержании никеля 12 % и более не происходит образования мартенсита при холодной деформации со степенью до 90%.

Необходимая чистота по примесям серы, фосфора и по неметаллическим включениям, соответствующая нормам стандарта ИСО, достигается использованием чистых шихтовых материалов при выплавке, последующего вакуумнодугового переплава и измельчением включений за счет холодной деформации.

Таким образом, использование рафинирующего переплава и гомогенизация структуры обеспечивают выполнение повышенных требований

В соответствии с рекомендациями стандарта ИСО разработана новая мартенситная сталь 50Х14МФ для скальпелей. Повышение коррозионной стойкости достигается вследствие резкого увеличения содержания хрома в твердом растворе за счет снижения содержания углерода до 0,5% по сравнению с ранее применяемой сталью 100Х13М (1 % С). При 1050 °С в аустените стали 50Х14МФ содержится 12,5% Сг и 0,35% С, в стали 100Х13М - 8% Сг и 0,5% С. Размер первичных карбидов в стали 50Х14МФ значительно меньше, чем в стали 100Х13М, и поэтому улучшены режущие свойства (рис. 3).

Для повышения стойкости к питтинговой коррозии был использован метод предотвращения выделения сульфидов марганца, являющихся местами преимущественного зарождения питтинга. Получено, что произведение растворимости сульфида марганца в стали 50Х14МФ составляет около 2,4 *10"3 при температурах закалки. Из этого следует, что для предотвращения выделений сульфидов марганца в сталях с 1% Мп содержание серы не должно превышать 0,001—0,002 %. Для получения такого содержания серы применяют выплавку в вакуумной индукционной печи с последующим вакуумнодуговым переплавом, используя специальный режим раскисления и десульфурации с обработкой стали алюминием, кремнием, окви 60

При температуре горячей деформации пластические свойства стали 50Х14МФ выше, чем стали 100Х13М, за счет более высокой температуры ликвидуса (1350 °С).

Сортовой прокат из этой стали поставляется в виде прутков со специальной отделкой поверхности, что позволяет улучшить качество медицинского инструмента.

Таким образом, разработаны нержавеющие стали для медицинского инструмента двух классов: аустенитная 03X18H16M3 и мартенситная 50Х14МФ. Принципы, использованные при разработке, могут быть применены для расширения номенклатуры сталей для медицины.

Использование комплекса металлургических приемов позволило разработать нержавеющие стали нового поколения, с регламентированными структурой и свойствами. Стали 50Х14МФ и 03X13H16M3 дают возможность повысить в 1,5— 2раза стойкость режущего инструмента и срок службы имплантатов.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994

Экспертиза

на главную