Лекция №2

Легированные конструкционные стали

• цементированные

• улучшаемые

• высокопрочные

• износостойкие

• шарикоподшипниковые

Цементируемые легированные стали - для тяжело нагружаемых малых деталей (12Х2НМ20Х) после цементации закалки и отпуска поверхность приобретает высокую прочность сердцевина не упрочняется

Улучшаемые – закалка 820-880 градусов в масле затем отпуск – для тяжело нагружаемых деталей больших размеров. Марки: 40ХН, 30ХГСА (А-улучшенная)

Высокопрочные (1500МПа) Марки: Н12К15М10; Н18К9М5Т Закалка 800-860 градусов на воздухе, старение 100-150 градусов для особо ответственных деталей

Инструментальные легированные стали

Характерно:

- твердость

вязкость

износостойкость

теплостойкость

прокаливаемость

Делят на: углеродистые; легированные; быстрорежущие

Из легированных инструментальных сталей изготавливают сложные (по форме) инструменты

Легированные – высокая твёрдость, повышенная вязкость, меньшая склонность к деформированности. Изготавливают разные режущие инструменты. Марки: 9ХС, ХВГ, В1. Углерод указывается одной цифрой (десятая доля процента).

Для пресс форм – 4Х2В5ФМ

В медико-инструментальной промышленности – ХВ5 – зубные боры

Закалка(820-840, охлаждение в воде; 840-860 охлаждение в масле), отпуск(150-невысокий), нагрев – алмазная сталь, структура мартенсит, появляются карбиды вольфрама – высоко режущая способность, дорогая и дефицитная, низкая коррозионная стойкость, низкая стойкость к изгибу. Используется в стоматологии.

Быстрорежущие. Работает на высоких скоростях резания, в состав входят карбиды+ хром, ванадий, молибден. Инструменты для обработки костной ткани. Обладают высокой теплостойкостью повышенное сопротивление пластической деформации, высокая твёрдость. Пример: 9Х18 – для нейрохирургии, ортопедии. Может быть по марке завода: ЭИ-515 (Электросталь) – для скальпелей по мягким тканям.

Р(6,9,12) – быстрорежущие (среднее содержание вольфрама); Р – рапид. 1210-1290 градусов закалка.

Коррозионно-стойкие стали

Различают: аустенитный класс, мартенситный класс.

Главная особенность содержание не меньше 12% хрома. Важное свойство – пассивное состояние, образование химическо-стойкой плёнки оксида хрома. Применяются для внутреннего применения(имплантации, протезирование), идут дискуссии о биосовместимости, т.к. в них содержатся вредные примеси ионов свинца и ртути.

Стали мартенситного класса

Большинство медицинских инструментов, стали марок 20Х13, 30Х13, 100Х13М(закалка в масле или щелочи)

Закалка – 1000-1050 градусов. Отпуск 150-170 градусов. Твёрдость 40-56 НВ

Приращение твёрдости из-за увеличения % углерода. Прочность, твёрдость, упругие свойства (зажимы, пинцеты), хорошая коррозионная стойкость. При увеличении содержания углерода появляются крупные хромосодержащие карбиды. Из-за этого очень сложно сформировать тонкую режущую кромку инструмента. Невозможно производить тонкие трубки, иглы, листы 1-5мм, проволоку мелкого диаметра. Возможность изготавливать зажимы из-за повышенной упругости.

Аустенитные стали

В обычном состоянии прочность 500МПа. После холодной пластической деформации (прокат) прочность 1100 МПа. Ниже содержание углерода чем у мартенситных сталей (до 0,2%). Низкий предел текучести, хуже деформация в горячем состоянии. После закалки изменение структуры не происходит. Умягченное состояние, пластические деформации, прокатки, прочность возрастает в 2 раза. Закалка – 1020 градусов, прокат любой формы и размеров: 12Х19Н9Т, 12Х18Н10Т. Аустенитная сталь – дефицитная (высокая стоимотсь). Применение: коронки, протезы, иглы (изготавливаются штамповкой)

Мартенситостареющая сталь

03Х12Н8К5М2ТЮ (ЭП 853; ЗИ (Златоустовский завод) 90) – для микрохирургии. Старение при 500 градусов. Твёрдость 30-35 ед. Не содержит хромуглеродных карбидов, что хорошо для изготовления микрохирургических элементов (например с тонкой режущей кромкой)

Чистые (однокомпонентные) металлы

Биологически инертные, высокая химическая стойкость материалы: тантал, цирконий, титан

Тантал – мифический царь (танталовы муки) сложно получить в чистом виде из-за трудности отделения от ниобия. Тяжелый тугоплавкий металл серо-стального цвета. Плотность: 16,6*10^3 кг/м^3; температура плавления 2900, кристаллическая решётка – кубическая объёмно центрированная. Окисляется на воздухе. С кислотами не реагирует (кроме плавиковой). Абсолютно нейтрален к тканям организма. Хорошие механические характеристики, не вязкий. Высокий модуль Юнга, прочность на разрыв невелика. Применяется в качестве радиографических добавок к рентген контрастным материалам (например при диагностике лёгких). Используется как шовный материал для изготовления фиксаторов, штифтов, как сосудосшивающий аппарат, гвозди, винты для костей.

Цирконий – серебристо белый металл Плотность:6,4*10^3 кг/м^3 1852 градусов, решётка гексагональная плотно упакованная, имеется защитная плёнка(при комнатной температуре), не действуют кислоты (кроме плавиковой, при нагреве с фосфорной, с царской водкой(HCl+HNO3)) , щелочи не действуют, хорошая пластичность и вязкость, поглощает все газы. Применяется в ортопедии (ортопедические имплантаты), стоматологии, челюстно-лицевой хирургии.

Титан – легкий, тугоплавкий, прочный, пластичный. Плотность: 4,5*10^3, температура плавления: 1665 градусов, кристаллическая решётка гексагональная плотно упакованная. Примеси: кислород 0,5% (но не более 1%), железо 0,2%, 0,1% углерода, 0,05% азота, 0,01% водорода. Высокая коррозионная химическая стойкость из-за образования оксидных плёнок. Применение: хирургические имплантаты, протезы, фиксаторы. Высокая совместимость с организмом, не наблюдались изменения структуры, не подвергается коррозии. Может подвергаться всем видам стерилизации. По прочности не уступает сталям, а по пластическим свойствам превосходит их. Легковесность, низкая электропроводность. Удерживает циклические нагрузки. Наложение послеоперационных швов: специальные скобы. Низкий модуль упругости, низкая устойчивость к износу.

Для повышения модуля упругости создают сплавы титана (добавление ванадия, молибдена). Добавление добавок повышается прочность, коррозионная стойкость, остаётся малая плотность. Широко применяется в медицине титан-алюминий-ванадий, титан-алюминий-молибден-ванадий. Нет взаимодействия с кислотами, не поддаётся коррозии. (не взаимодействует с царской водкой)

Применяют для изготовления имплантатов, надкостных фиксаторов. Значительный разброс механических характеристик в сплавах. При термической обработке образование окалин (накаливание), газонасыщенность на поверхности инструментов. Основное применение титановых сплавов медицинская промышленность.