Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные медицинские инструменты. Учебное пособие.pdf
2.2. Нержавеющие стали, используемые в медицине
Медицина относится к тем отраслям, в которых все должно
быть качественно и стерильно. Если на медицинских инструментах
будут заметны следы ржавчины, то использование таких
инструментов при лечении пациента здоровья последнему не
прибавит. Для изготовления медицинских инструментов должна
использоваться медицинская нержавеющая сталь. В настоящее время
различают несколько видов такой стали.
Молибденхромовая сталь обычно используется для
изготовления не только инструментов высокого качества, но и
медицинской посуды. Инструменты, изготовленные из стали такой
марки, очень прочные. Кроме того, их можно подвергать высокой
температуре, что очень важно при их стерилизации. Правда, эти
инструменты имеют существенный недостаток, заключающийся в их
высокой стоимости. Это связано, прежде всего с тем, в состав стали
этой марки входит редкий металл молибден.
Сталь, которая имеет в своем составе определенную часть
хрома и никеля, называется хромоникелевой. Данную марку
отличает стойкость к окислению, т.е. к ржавчине. Как правило,
инструменты, которые изготовлены из стали этой марки, можно без
опаски использовать в кислотно-щелочных средах. Но чаще всего
медицинские инструменты изготавливают из хромистой ферритной
стали. Несмотря на свою высокую прочность, эта сталь довольно
легко подвергается механической обработке, чего не скажешь о
первых двух марках. Эту сталь отличают высокие антикоррозийные
качества и устойчивость к появлению микротрещин.
В настоящее время нет общей стандартизации при
обозначении марок медицинской нержавеющей стали. Так,
отечественный государственный стандарт (ГОСТ) самой популярной
марки нержавеющей стали обозначает медицинскую нержавеющую
сталь маркой 12Х18Н10 (она же 18/10).
В Германии есть для этой стали свой стандарт DIN X5CrNi18-10, а европейцы обозначают ее 1.4301. Вообще, изделия,
при изготовлении которых использовалась медицинская нержавеющая
сталь, будь то медицинские инструменты или посуда, отличаются
высокой прочностью. Они не царапаются, а это очень важно, так как в
41
царапину может забиться грязь, которая впоследствии обязательно
попадет в организм в процессе операции или приема пищи.
2.2.1. Нержавеющие хромистые стали
Физико-механические свойства сталей, относящихся к
системе Fe-Cr-C, определяются главным образом содержанием
углерода и хрома. По структуре после закалки стали этой системы
подразделяются на три класса: мартенситный, мартенситноферритный и ферритный, что нашло отражение в классификации
коррозионностойких сталей по ГОСТ 5632- 72 «Стали
высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и
жаропрочные». основные марки нержавеющих хромистых сталей
приведены в табл. 1.
Ярким примером кардинального влияния углерода на
структуру и свойства являются стали с содержанием 18 % Сг. Так,
сталь 95X18 (ГОСТ 5632-72), содержащая 0,9-1,0 % С - мартенситного
класса обладает высокой твердостью (>55 HRC) и умеренной
коррозионной стойкостью, а стали 12X17, 08Х17Т, 08Х18Т1 ферритного класса, имеют низкую твердость и высокие коррозионные
свойства.
Стали мартенситного класса (20X13,30X13,40X13,65X13 и
др.) используют как материалы с повышенной твердостью (для
режущего инструмента, при эксплуатации на износ и др.).
Термическая обработка сталей этой группы заключается в
закалке и отпуске на заданную твердость.
Коррозионная стойкость сталей мартенситно-ферритного
класса зависит от содержания в них хрома. При содержании 17 % Сг
достигается стойкость в 65%-ной азотной кислоте при 50 °С, при
дальнейшем повышении концентрации хрома расширяется область
применения хромистых сталей в различных средах.
Повышение содержания углерода отрицательно влияет на
коррозионную стойкость, и в этом случае рекомендуется повысить
температуру закалки до 975-1050 °С, что обеспечивает более полное
растворение карбидов хрома.
Стойкость против питтинговой коррозии хромистые стали
приобретают при концентрации хрома выше 20 % и дополнительном
легировании молибденом. По стойкости против коррозионного
42
растрескивания хромистые стали ферритного класса превосходят
аустенитные хромоникелевые стали типа 08Х18Н10Т.
Ферритные стали с 12 - 17 % Сг характеризуются высоким
сопротивлением распуханию при нейтронном облучении, в чем
превосходят стали типа Х18Н10, Х17Н13М2(3).
Несмотря на то, что хромистые коррозионно-стойких стали
ферритного класса представляют собой наиболее экономно
легированную группу сталей, широкое использование их в качестве
конструкционного материала не всегда возможно из-за следующих
особенностей:
1) повышенная склонность к росту зерна при нагреве; из-за
отсутствия полиморфных превращений полученное в результате
технологических операций крупное зерно невозможно устранить
термической обработкой;
2) ограниченная хладостойкость сталей и их сварных
соединений (до -40°С);
3) недостаточная способность к формоизменению при
холодной пластической деформации, что связано с меньшим
количеством реализуемых плоскостей скольжения в решетке ОЦК.
Введение карбидообразующих элементов, например, титана, не только
повышает стойкость сварных соединений относительно
межкристаллитной коррозии, но и позволяет снизить склонность к
росту зерна (сталь 08Х18Т1).
Дополнительное замедление роста зерна ферритных сталей
происходит также при микролегировании поверхностно-активными
элементами, наибольший эффект из которых имеет церий.
Микролегирование церием использовано, в частности, в стали
08X18Тч (ДИ-77). Положительный эффект от введения
редкоземельных элементов достигается только в определенных
количественных пределах и при соблюдении технологического
процесса.
На снижение хладноломкости ферритных сталей
значительное влияние оказывают примеси внедрения — углерод и
азот. При суммарном содержании углерода и азота < 0,01 %
работоспособность сварных соединений из высокохромистых
ферритных сталей при отрицательных температурах возрастает.
Другие примеси (фосфор, кислород, в меньшей степени сера, марганец
и кремний) тоже повышают чувствительность ферритных сталей к
43
№ п/п
Марка стали
Применение
1
20Х13
Для изделий, подвергающихся
(атмосферные условия, кроме морских)
2
30Х13
Для изготовления режущего,
подшипников
3
40х13
Для изготовления режущего,
подшипников
4
65Х13
Для изготовление режущего инструмента,
бритв
хладноломкости. Ввиду необходимости повышения чистоты металла
хромистых ферритных сталей предъявляется повышенные требования
к технологии выплавки.
Таблица 1
Нержавеющие хромистые стали
воздействию слабоагрессивных сред
мерительного инструмента, пружин,
мерительного инструмента, пружин,
пил, съемных лезвий, скальпелей, лезвий
Стойкость против межкристаллитной коррозии
высокохромистых сталей ферритного класса достигается при
суммарном содержании углерода и азота до 0,010 - 0,015 %.
Превышение указанного содержания (C+N) требует дополнительного
введения стабилизаторов - титана или ниобия.
2.2.2. Зарубежные аналоги отечественных сталей и сплавов
Сравнение кратковременных механических свойств и
показателей жаропрочности отечественных и зарубежных сталей
одного и того же класса, несмотря на разницу в подходах к системам
легирования, показывает их близость (табл. 2). Разница в свойствах,
особенно при испытаниях на длительную прочность и ползучесть,
может быть обусловлена не только основным химическим составом,
но и особенностями технологии производства.
44
Если сравнивать сталь 50X14МФ со сталью 65X13, то первая
после закалки имеет высокую стойкость к питтинговой коррозии.
Скальпели, лезвия, изготовленные из этой стали, устойчивы к циклам
обработки, которые включают в себя очистку предстерилизационную
и стерилизацию (табл. 3 - 4).
Сталь 08X18Т1 коррозионно-стойкая (1-3 балла
коррозионной стойкости), хорошо деформируется в холодном
состоянии.
Сталь ЭП853 обладает хорошей способностью к
формообразованию, является экономлегированной сталью.
В ценовом поле отечественные стали (мартенситные,
мартенситно-ферритные и мертенситно-стареющие) намного дешевле
зарубежных аналогов. Используя рекомендованные стали вкупе с
модификацией поверхности инструментов, можно получить
инструменты на уровне ведущих мировых производителей по
оптимальной стоимости.
2.3. Титановые сплавы для медицинских инструментов
В настоящее время титан и его сплавы применяются для
создания медицинских изделий. При разработке медицинской техники
и медицинского инструментария привлекает, прежде всего,
биологическая инертность по отношению к организму живого
существа в сочетании с высокими механическими свойствами,
коррозионной стойкостью.
Титан – пластичный материал; он хорошо поддается
механической обработке: резанию, сверлению, фрезерованию,
шлифованию. Изготавливать из него различные конструкции не
труднее, чем из нержавеющей стали.
Следует также отметить, что титан – немагнитный материал с
низкой электропроводностью, что особенно ценно для производства
инструментов для микрохирургии, сердечно-сосудистой хирургии,
офтальмологии, применение которых нередко связано с присутствием
магнитных полей.
Кроме того, благодаря немагнитным свойствам титана, для
лечения больных, в организме которых находятся титановые
конструкции, можно использовать физиотерапевтические воздействия.
45
46
США
Герма-
ния
Япония
Франция
Англия
Евросоюз
Италия
Испания
Китай
Швеция
Поль
ша
Чехия
-
DIN,WNr
JIS
AFNOR
BS
EN
UNI
UNE
GB
SS
PN
CSN
420
1.4021
X30Crl3
SUS420J
X20Crl3
420S29
Еп56С
1.4021
X20Crl3
F.3402
2Сг13
2303
2Н13
1702
-
DIN,WNr
JIS
AFNOR
BS
EN
UNI
UNE
GB
SS
PN
CSN
420
1.4028
SUS420J
410F21
420S45
1.4028
GX30Crl3
F.3403
ЗCrl3
2304
3H13
1702
-
DIN,WNr
JIS
AFNOR
BS
EN
UNI
UNE
GB
SS
PN
CSN
420
1.4031
SUS420J
2
Х40Сг14
420S45
1.4031
Х40Сг14
F.3404
4С13
2304
4H13
1702
1.4034
Z33C13
X39Сг13
1.4034
X41Crl3KU
F.3405
2314
1943
Х38Сг13
Z38C13M
X39 Сг13
Х46Сг13
Х40Сг13
Х39Сг13
Z40C13
Х40Сг13
Х45Сг1З
Х40Сг13
Z40C14
Х41Сг13
Х42Сг13
Z44C14
Х46СМЗ
Z50C14
Х46Сг13 l
Таблица 2
Зарубежные аналоги отечественных материалов
Марка стали 20X13
S42000
420F
S42020
X20Crl3
X20Crl3
ХЗОCrlЗ
1
Z20C13
2
Z30Crl3
Z33Crl3
420S37
En56D
X20Crl3
Марка стали 30X13
X30Crl3
Марка стали 40X13
X30Crl3
Х20Сг13
X30Crl3
Марка стали
Аналог
Германия (DIN)
Применение
08Х18Т1
X6CrTil7
X3CrTil7
Взамен 20X13, 30X13. Пинцеты
сосудистые, ручки скальпеля, зажимы
сосудистые, бужи
50Х14МФ
-
Взамен 65X13. Лезвия для скальпелей
-
Ножницы сосудистые,
микрохирургические
Отечественные материалы
Зарубежные аналоги
Марка стали
Стоимость,
Марка
Стоимость,
08Х18Т1
88
X6CrTi17
X3CrTil7
120-240
20X13
X20Crl3
30-150
03X11Н10М2Т2
180 - -
50Х14МФ
45 - -
Таблица 3
Материалы, рекомендуемые для производства мединструментов
03X11Н10М2Т2
Таблица 4
Сравнительная стоимость отечественных материалов с
зарубежными аналогами
тыс. руб./ т
30X13
40X13
65X13
40
тыс. руб./ т
X30Crl3
X38Crl3
X39Crl3
X40Crl3
X42Crl3
X46CM3
X46Crl3
47
Титан и его сплавы обладают высокой усталостной
прочностью при знакопеременных нагрузках, что очень важно при
изготовлении внутрикостных фиксаторов, наружных и внутренних
протезов, которые постоянно подвергаются переменным нагрузкам.
Основным свойством титана является способность к
пассивации в биологических жидкостях организма (лимфа, плазма
крови), что значительно снижает скорость коррозии и проникновение
ионов металла в кровь и лимфу.
Эти качества титана, усиленные специфическими свойствами,
и обеспечили большой интерес к нему и интенсивное проведение
конструкторских работ и клинических испытаний самых различных
изделий. Известно, что по коррозионной стойкости во многих
медицинских агрессивных средах титан не уступает платине; он стоек
в растворах кислот и щелочей. Скорость коррозии титана в морской
воде (по своему химическому составу очень похожей на лимфу) 0,00002 мм/год или 0,02 мм в 1000 лет.
Титан и его сплавы устойчивы к бензину, фенолу,
формальдегиду. После многократной стерилизации кипячением и
обработки в автоклаве, многомесячной выдержки в 3 %-растворе
хлорамина, 96º этиловом спирте, растворе сулемы, трихлорэтилене
следов коррозии на титановых сплавах не обнаружено. Точечная
коррозия наблюдается у титановых сплавов лишь после пребывания в
течение нескольких суток в 10 %-спиртовой настойке йода.
Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются
более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей
пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности.
По влиянию на полиморфизм титана все легирующие
элементы подразделяются на три группы: α-стабилизаторы, βстабилизаторы и нейтральные элементы.
α-стабилизаторы (А1, О, N) повышают температуру
полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на
основе Ti
. Практическое значение для легирования титана имеет
α
только алюминий, так как остальные вызывают снижение
пластичности и вязкости титановых сплавов. Алюминий уменьшает
плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает
прочность, жаропрочность, модуль упругости титановых сплавов.
48
β-стабилизаторы снижают температуру полиморфного
превращения титана, расширяя область твердых растворов на основе
Ti
. Они образуют с титаном диаграммы состояния двух типов.
β
Изоморфные β-стабилизаторы Mo, V, Та, Nb, имеющие, как и
Ti, кристаллическую решетку объемно-центрированного куба,
неограниченно растворяются в Ti, Сг, Мn, Fe, Ni, W, Сu и другие
образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом.
В некоторых сплавах (Ti-Mn, Ti-Cr, Ti-Fe) при охлаждении в условиях,
отличающихся от равновесных, эвтектоидного распада не происходит,
а превращение идет по штриховой линии.
Большинство β-стабилизаторов, особенно V, Мо, Мn, Сг,
повышают прочность при 20-25°С и отрицательных температурах,
жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов,
несколько снижая их пластичность.
Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) мало влияют на
температуру полиморфного превращения. Наибольшее практическое
значение имеют олово и цирконий. Олово упрочняет титановые
сплавы без заметного снижения пластичности, повышает
жаропрочность; цирконий увеличивает предел ползучести и
длительную прочность.
По технологии изготовления титановые сплавы
подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые, по
механическим свойствам - на сплавы нормальной прочности,
высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По
способности упрочняться с помощью термической обработки они
делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой;
по структуре в отожженном состоянии они классифицируются на α-,
псевдо-α, α + β, псевдо-β и β-сплавы.
Сплавы с α-структурой. К этой группе сплавов относят и
технический титан. Это сплавы нормальной прочности при 20-25 °С,
обладающие высоким сопротивлением разрушению при повышенных
(350-500 °С) и криогенных температурах. Сплавы имеют высокую
термическую стабильность свойств и обладают отличной
свариваемостью. Они свариваются аргонодуговой, всеми видами
контактной и электронно-лучевой сварки. При этом прочность
сварного шва составляет 90 % прочности основного сплава.
Обрабатываемость резанием удовлетворительная.
49
α-сплавы не упрочняются термической обработкой и
применяются в отожженном состоянии. Сплавы с цирконием наиболее
технологичны, но это самые дорогие из α-сплавов. В горячем
состоянии сплавы куют, прокатывают и штампуют. Из сплава ПТ7М
изготовляют горяче- и холоднокатаные трубы. Сплавы поставляют в
виде прутков сортового проката, поковок, труб, проволоки. Они
предназначены для изготовления деталей, работающих в широком
диапазоне температур: от криогенных до 500 °С.
Псевдо-α-сплавы имеют преимущественно α-структуру и,
вследствие дополнительного легирования B-стабиливаторами (Мn, V,
Nb, Mo),- 1-5 % β-фазы. Благодаря наличию β-фазы они обладают
хорошей технологической пластичностью при сохранении достоинств
α-сплавов. Сплавы с низким содержанием алюминия (2-3 %)
обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при
изготовлении деталей сложной формы подогреваются до 500-700 °С
(ОТ4, ОТ4-1).
Сплавы с большим содержанием алюминия при обработке
давлением требуют подогрева до 600 - 800 °С. На жаропрочность
сплавов помимо алюминия благоприятно влияют цирконий и кремний.
Цирконий способствует увеличению растворимости β-стабилизаторов
в α-фазе и повышает температуру рекристаллизации. Кремний
повышает жаропрочность вследствие образования тонкодисперсных
силицидов, трудно растворимых в α-фазе. Поэтому псевдо-α-сплавы с
повышенным содержанием алюминия (7-8 %), легированные Zr, V,
Mo, Nb, Si, используются в изделиях, работающих при наиболее
высоких температурах.
Недостатком этих сплавов является склонность к водородной
хрупкости. Водород мало растворим в α-фазе и присутствует в
структуре в виде гидридной фазы, снижающей пластичность,
особенно при медленном нагружении, и вязкость сплавов. Допустимое
содержание водорода находится в пределах 0,01 - 0,005 %.
Двухфазные (α + β)-сплавы. Физические свойства сплавов
приведены. Сплавы легированы алюминием и p-стабилизаторами.
Алюминий значительно упрочняет α-фазу при 20-25°С и повышенных
температурах, увеличивает термическую стабильность β-фазы,
снижает плотность (α + β)-сплавов, что позволяет удерживать ее на
уровне титана, несмотря на присутствие элементов высокой плотности
V, Mo, Сг, Fe, Nb.
50