Структура, фазовые превращения и свойства высокопрочных коррозионно-стойких сталей для медицинского инструмента

Применяемые в настоящее время материалы для медицинского инструмента отличаются большим разнообразием форм и технологических свойств, в связи с различными требованиями к медицинскому инструменту дифференцируемого назначения и функциональных свойств. Еще в 50-х годах многие виды медицинского инструмента (хирургические иглы, зубные боры, скальпели и др.) производились из обычных высокоуглеродистых сталей. Однако в настоящее время подавляющее большинство медицинского инструмента изготавливается из коррозионно-стойких сталей и сплавов. Исходя из способов получения и условий работы медицинского инструмента материалы должны обладать: высокой коррозионной стойкостью, твердостью, высоким пределом упругости, износостойкостью, термической стабильностью, определенными физико-химическими свойствами (например, отсутствием ферромагнитности), релаксационной стойкостью, усталостной стойкостью, хорошей деформируемостью и др. Наиболее высокие требования предъявляются к медицинскому инструменту, непосредственно контактирующему с организмом человека. При этом различают мединструмент длительного контакта с организмом человека — имплантанты, инструмент для остеосинтеза, инструменты внешнего воздействия.

Большое место в группе мединструмента занимает стрежневой (колющий) и лезвийный (режущий) инстумент: хирургические иглы, иглы для рефлексотерапии, иглы для электроаккупунктуры, иглы для микрохирургии (нейрохирургии, офтальмологии), атравматические иглы, скальпели, ножницы, пилы и т. д. К этим же инструментам можно отнести тросики, применяемые в эндоскопии и урологии. Перспективным направлением при изготовлении стержневого и лезвийного инструмента является использование безуглеродистых коррозионно-стойких мартенситно-стареющих и аустенитно-ферритных сталей со стареющим мартенситом, обладающих высокой технологичностью, позволяющей применять различные операции по формовке и деформированию, и большим приростом прочностных свойств при закалочном и деформационном старении.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Разработка составов и свойства коррозионно-стойких сталей.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы незаменимы в современных технологических процессах атомной энергетики, авиационной, космической технике, пищевой промышленности, медицине и др.

Марочный сортамент отечественных коррозионно-стойких сталей и сплавов представлен 45 марками, включенными в базовый ГОСТ 5632–72 и более чем 40 марками специального назначения, выпускаемыми по техническим условиям. Это наиболее используемые и хорошо зарекомендовавшие себя на практике материалы различных структурных классов (аустенитные, ферритные, мартенситные) и смешанных классов. Для сталей всех структурных классов уменьшение содержания углерода до уровня, приближающегося к пределу растворимости в твердом растворе, способствует обеспечению максимальной коррозионной стойкости, особенно в отношении межкристаллитной коррозии.

Необходимость совершенствования и создания новых коррозионно-стойких сталей и сплавов обусловлена интенсификацией существующих и развитием новых производств, характеризующихся, как правило, экстремальными условиями эксплуатации изделий.

Отечественной металлургией выпускаются коррозионно-стойкие стали трех структурных классов: мартенситного (реже А+М), аустенитного, ферритного/7].

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1.Изучено раздельное и совместное легирование Мо и Тл безуглеродистых коррозионно-стойких мартенситно-стареющих стали на Ре-Сг-№-основе,. Легирование только Мо приводит к незначительному закалочному и деформационному старению. Наиболее высокий комплекс механических свойств после обработки «закалка 1000°С+старение 500 °C, 1ч.», «закалка 1000 °C +деформация 80%+ старение 500 °C, 1ч.» наблюдается у сталей легированных Мо и Л или только Ть.

2.Разработана новая коррозионно-стойкая двухфазная аустенитно-ферритная сталь 03Х13Н10К5МЭЮ2Т с деформационно-метастабильным аустенитом. Показано, что соотношение между ГЦК и ОЦК фазами (аустенитом и 8-ферритом) составляет 50:50 и сохраняется на этом уровне в интервале температур 800−1000°С. При 1300 °C структура стали представляет собой 8-феррит, в котором наблюдаются выделения видманштеттовых кристаллов аустенита полученных при охлаждении. Структурные составляющие после закалки имеют значительное различие в микротвердости НУ 5 = 522, НУ у = 196, при этом ав=940 МПа. На состав двухфазной аустенитно-ферритной стали 03Х13Н10К5МЗЮ2Т получен патент РФ на изобретение № 2 116 373.

3.Показано, что при пластической деформации аустенитно-ферритной стали 03Х13Н10К5МЗЮ2Т происходит образование мартенсита деформации. При деформации 80% аустенит полностью переходит в мартенсит деформации и структура стали состоит из двух ОЦК-фаз: 5-феррита и мартенсита деформации.

4.Показано, что аустенитно-ферритная сталь ОЗХ1ЭНЮК5МЗЮ2Т имеет относительно невысокое закалочное старение и весьма высокое деформационное старение, связанное с наличием в структуре пересыщенного элементами замещения мартенсита деформации. Величина значений прочностных свойств зависит от степени деформации и от масштабного фактора. При закалке, деформации 80% и старении ств =2510 МПа на.

00,8 мм, ав=2840 МПа на 00,15 мм. Пластичность тончайшей проволоки, оцениваемая по разрыву с узлом, остается на достаточно высоком уровне (Рузл > 50%).

5.Методом ДТА показано, что в аустенитно-ферритной стали 03Х13Н10К5МЗЮ2Т закаленном состоянии присутствует только один эндотермический максимум, в деформированном состоянии — два эндотермических максимума, которые соответствуют подобным максимумам в мартенситно-стареющей стали ЗИ-90 (03Х13Н10К5МЗЮТ).

6.Установлено наличие в мартенситно-стареющей стали 03Х13Н8М2Т, фазы Лавеса (Ре7оСг25№ 5)2(Т175Мо25), а в аустенитно-ферритной стали 03Х13Н10К5МЗЮ2Т фазы Лавеса (Ре74Сг 1 г№ 14)2,09(Т1з5,бМоб4,4) • Состав фазы Лавеса зависит от химического состава матрицы.

7.Показано, что применение для борирования и борохромирования виброкипящего слоя позволило создать новый процесс химико-термической обработки, при котором значительно сокращается время насыщения (в 2−5 раз), расход основного насыщающего компонента в 8−9 раз и получить диффузионный боридный слой с высокой микротвердостью и износостойкостью. На состав и способ борохромирования в ВКС получено положительное решение на выдачу патента от 05.12.1997.

8.Исследовано влияние лазерной обработки на структуру и свойства мартенситно-стареющих 03Х13Н8М2Т и 03Х13Н8Т и аустенитно-ферритной 03Х13Н10К5МЗЮ2Т сталей. Установлено значительное влияние лазерной обработки как с оплавлением, так и без оплавления на свойства и структуру аустенитно-ферритной стали: поверхностный слой зоны термического влияния состоит из 5-феррита, имеющего очень высокие значения микротвердости (620−650 НУ). В 5-феррите после лазерной обработки обнаружены дисперсные выделения типа №А1.

9.Изготовлена проволока и различный медицинский стержневой (хирургические иглы, иглы для электроаккупунктуры и рефлексотерапии, стоматологический инструмент и др.) и микрохирургический инструмент в условиях НПО «Мединструмент», г. Казань и Ассоциации «Медицинские технологии» г. Екатеринбург, проведены промышленные и клинические испытания, которые показали высокий уровень физико-механических свойств и коррозионной стойкости медицинского инструмента из сталей 03Х13Н8М2Т, 03Х13Н8Т, 03Х13Н10К5МЗЮ2Т, по сравнению с мединструментом из сталей 12Х18Н10Т и 40X13.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом выполненной работы явилась разработка составов и способов объемного и поверхностного упрочнения коррозионно-стойких высокопрочных сталей мартенситно-стареющего и аустенитно-ферритного классов.

Для большинства видов стержневого медицинского инструмента различного назначения необходим комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих их достаточно высокие функциональные свойства. Такие свойства можно получить при комплексном легировании безуглеродистой Ре-Сг-№ -матрицы Мо и Т I. При этом решается важная для получения мединструмента задача достижения достаточно пластичного мартенсита, обеспечивающего возможность эффективного формоизменения мединструмента и высокое упрочнение таких сталей при закалке, деформации и старении. Для особо сложных видов мединструмента, к которым относится микроинструмент, применяемый, например, в микрохирургии, нейрохируругии, необходимо достижение на готовом мединструменте максимально возможно высоких прочностных свойств, в сочетании с достаточными упругими свойствами и пластичностью. Такая задача решалась за счет использования аустенитно-ферритной стали с образующимися высокопересыщенными ГЦК и ОЦК — фазами (аустенит и 8-феррит), высоким деформационным упрочнением, которое обеспечивалось наличием в структуре стали 50% деформационно-метастабильного аустенита и высокими прочностными свойствами на конечной операции термической обработки: деформационном старении. Достигаемый конечный уровень прочностных свойств аустенитно-ферритной стали значительно превышает полученный уровень свойств на мартенситно-стареющей стали ЗИ-90, особенно на тончайшей проволоке 00,10−0,15 мм. Проведение таких исследований потребовало детального изучения структурообразования, фазовых превращений, и связанным с ними изменением комплекса физико-механических свойств на всех этапах термической и пластической обработки. Наиболее эффективное упрочнение как мартенситно-стареющих, так и аустенитно-ферритных сталей при распаде пересыщенных твердых растворов обусловлено гетерогенным характером зарождения упрочняющих интерметаллидных фаз на дефектах кристаллического строения, то есть в значительной степени обусловлено наличием мартенситной фазы, которая может быть либо мартенситом закалки в мартенситно-стареющих сталях, либо мартенситом деформации в аустенитно-ферритной стали. Этим объясняется сравнительно незначительный эффект закалочного старения недеформированной аустенитно-ферритной стали, не содержащей после закалки мартенсит, хотя пересыщение 8 и у фаз элементами замещения, как показали данные микрорентгеноспектрального анализа, достаточно велико. Наиболее значительный вклад в объемное упрочнение как мартенситно-стареющих, так и аустенитно-ферритных сталей вносит образование метастабильных фаз, о температурных интервалах и объемной доли выделения которых можно судить по данным ДТА. Идентификация таких фаз затруднена из-за их малых размеров и когерентной связи с решеткой матричного твердого раствора. Для мартенситно-стареющих сталей к упрочняющим фазам можно отнести (З-МзТьГЦК. Идентификация интерметаллидных фаз возможна при более высоких температурах старения и более длительных выдержках. При этом электронно-микроскопическим анализом и ФФХА в аустенитно-ферритной стали обнаружены фазы типа №А1, фазы Лавеса обнаружены как в мартенситно-стареющей так и в аустенитно-ферритной сталях, при этом фазы Лавеса имеют сложный и неодинаковый состав, зависящий от химического состава матричного твердого раствора.

На состав и способ борохромирования в ВКС и состав аустенитно-ферритной стали имеются положительные решения на выдачу патента.