Структура, фазовые превращения и свойства высокопрочных коррозионно-стойких сталей для медицинского инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Мальцева, Татьяна Викторовна

• Мальцева, Татьяна Викторовна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мальцева, Татьяна Викторовна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

I. Литературный обзор

1.1 Разработка составов и свойства коррозионно-стойких сталей

1.1.1. Коррозионно-стойкие стали аустенитного класса

1.1.2. Коррозионно-стойкие мартенситные стали

1.1.3. Мартенситно-стареющие коррозионно-стойкие стали

1.1.4. Ферритные коррозионно-стойкие стали

1.1.5. Аустенитно-ферритные коррозионно-стойкие стали

1.2. Производство высокопрочной коррозионно-стойкой проволоки

и ленты

1.3. Поверхностное упрочнение и покрытия коррозионно-стойких 28 сталей

1.3.1. Лазерная обработка

1.3.2. Химико-термическая обработка сталей

1.4. Специфика требований к медицинскому инструменту

1.5. Постановка задачи исследования 40 И. Материал и методика 42 II. 1. Материал исследования

II.2. Методика исследования

III. Структурообразование, фазовые превращения и свойства экономнолегированных мартенситно-стареющих сталей

III. 1. Влияние закалки на изменение структуры и свойств

экономнолегированных мартенситно-стареющих сталей 53 III.2. Влияние пластической деформации на изменение структуры и

свойства экономнолегированных мартенситно-стареющих 73 сталей

Обсуждение результатов

IV. Структура, фазовые превращения и свойства аустенитно- 83 ферритной стали ОЗХ1ЭНЮК5МЗЮ2Т

IV. 1. Влияние закалки и пластической деформации на структуру и свойства двухфазной аустенитно-ферритной стали 03X1ЗН10К5МЗЮ2Т

IV.2. Изменение структуры и физико-механических свойств стали 03Х13Н10К5МЗЮ2Т после закалки, пластической деформации

и старения

Обсуждение результатов

V. Применение химико-термической и лазерной обработок для поверхностного упрочнения коррозионно-стойких сталей

V.l. Химико-термическая обработка

V.2. Лазерная обработка 137 V.2.1. Особенности упрочнения аустенинто-ферритной стали после

лазерной закалки

V.2.2. Особенности упрочнения мартенситно-стареющих сталей после

лазерной обработки

Обсуждение результатов

VI. Изготовление опытных партий проволоки и медицинского инструмента из экономнолегированных мартенситно-стареющих и двухфазной аустенитно-ферритной сталей 155 Заключение 159 Общие выводы 162 Литература 165 ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура, фазовые превращения и свойства высокопрочных коррозионно-стойких сталей для медицинского инструмента»

ВВЕДЕНИЕ

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.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Мальцева, Татьяна Викторовна

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°С, 1ч.», «закалка 1000°С +деформация 80%+ старение 500°С, 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°С 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 №2116373.

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

00,8мм, ав=2840 МПа на 00,15мм. 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 00,10-0,15мм. 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мальцева, Татьяна Викторовна, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Фельдгандлер Э.Г, Свистунова Т.В. Влияние структуры и прочности на сопротивление коррозии коррозионностойких сталей и сплавов в средах, содержащих сероводород и хлор-ион, МиТОМ, 1994, №7. С.20-25.

2. Левин Ф.Л. , Свистунова Т.Л., Сорокина Н.А., Фельдгандлер Э.Г. Тенденции развития коррозионно-стойких сталей и сплавов. М.:Металлургия: проблемы,поиски, решения. 1989. С.254-267.

3.Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. М.:Металлургия. 1982. С.400.

4. Грачев C.B., Бараз В.Р. Теплостойкие и коррозионно-стойкие пружинные стали, М. Металлургия, 1989. С. 143.

5. Бараз В.Р., ГрачевС.В. В кн.-Высокопрочные немагнитные стали М.:Наука, 1978. С.61-68.

ô.Grachov S.V., Baras V.R. Ind.heat. 1980. V.47. N 10. P.20-23.

7.Бараз B.P., Грачев C.B., Покачалов В.В. Изв.вузов. Черная металлургия. 1983. N6. С.87-89.

8.Бараз В.Р., Грачев C.B. МиТОМ. 1982. № 7 . С.54-55.

9. Гольдштейн М.А., Грачев C.B., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.-.Металлургия. 1985. 408 с.

10.Hammond С.М. Mise an Point d'Fciers inoxyables du Type Maraging contant du Cobalt. Cobalt, 1964. V.25. P. 195-202

11. Florren S. Trans.AIME, 1966. V.236, N10.P.1429

12. Структура и свойства мартенситностареющих коррозионностойких сталей с различным содержанием кобальта \Сорокина Н.А., Павленко Н.А., Андрушова Н.В, Белякова О.Б., Русиновия Ю.И. МиТОМ, 1990. №8. С.36-40

13. Махнева Т.М., Махнев Е.С. Влияние титана на сопротивление хрупкому разрушению мартенситностареющей стали 08Х15Н5Д2Т. МиТОМ, №8,1990, с.40-43

14. Алюминий в мартенситностареющей стали Н18Ф6МЗ Шестов И.В., Леонова Н.К., Малолетнев А.Я., Перкас М.Д., Сорокин А.В. МиТОМ, 1990. №2. С.43-47

15. Caton R.L., Maniar G.N. Structure et propriétés d'un nouvel acier maraging inoxydable a haute résistance. Cobalt, 1972. N55. P.92-98

16. Битюков C.M., Рундквист H.A., Шейн A.C. В кн.: Термическая обработка и физика металлов. Свердловск: УПИ. 1984. Вып.9. С.85-90

17. О роли кобальта в упрочнении мартенситностареющих сталей \Перкас М.Д., Еднерал А.Ф., Зайцева Р.Д. и др.. ФММ. 1984, т.57, №2, с.310-318

18.Перкас М.Д. Структура, свойства и области применения высокопрочных мартенситностареющих сталей. МиТОМ. 1985..№5.

19. Исследование старения аустенита и мартенсита сплавов на основе Fe+(25-27)%Ni после закалки и горячей деформации \Перкас М.Д., Капуткина JI.M., Лаптева Т.Р., Прокошкина В.Г. Известия ВУЗов, 4M. №5, 1991, с.75-78.

20. Moeder G. Transactions structurales diun acier Maraging a 18%Ni + 9%Co + 5%Mo Steels. Métaux, 1976, v.5, N 607, p.94-118

21. Битюков C.M., Грачев C.B., Рундквист H.A. Особенности образования и распада ô-феррита в нержавеющих мартенситностареющих сталях. ФММ. 1984. Т.58, вып.6. С.1206

22. Василенко A.M., Звигинцев Н.В., Могутнов Б.М. и др. Фазовые превращения при высокотемпературной аустенитизации и распаде твердого раствора в Fe-Cr-Co-Mo-мартенситностареющих сплавах. ФММ. 1980. Т.49, вып. 3. С.603 ;

23. Звигинцев Н.В., Могутнов Б.М., Хадыев М.С. Закономерности формирования микроструктуры нержавеющих Fe-Cr-Ni-Mo-Ti- мартенситностареющих сталей.ФММ. 1985. Т.59. Вып.1. С.130

24. Плетнева Е.Д., Серебренников H.H., Есин Ю.О. Термодинамические свойства аустенитно-ферритной стали 08Х22Н6Т. Известия вузов, 4M. 1985. №6. С.59-61

25. Колпашников А.И., Белоусов A.C., Мануйлов В.Ф. Высокопрочная нержавеющая проволока, М.:Металлургия, 1971, 180 с

26.Грачев C.B., Шейн A.C., Игошина Г.П. и др. Теплостойкие мартенситностареющие стали для холоднодеформированных труб. Сталь. 1986. №1. С.79

27. Грачев C.B., Шейн A.C., Павлова C.B., Мыльников A.C. Изготовление высокопрочной ленты из мартенситностареющей стали. Изв.ВУЗов, черная металлургия. 1988. №8. С.98

28. Упрочнение гетерофазных мартенситностареющих сталей при пластической деформации \Грачев C.B., Шейн A.C., Павлова C.B., Смирнов C.B. Металлы. 1988. № 5.

29. Файнтшмидт Е.М., Баскаков А.П. Об использовании псевдоожиженного слоя в качестве экологически чистой охлаждающей среды. МиТОМ. 1996. №2. С.17-19

30. Спиридонов И.М., Алькема В.Г. Эффективность химико-термической обработки изделий в динамических смесях. Технология и организация производства. l99l..№3.C.43-45.

31.3аваров A.C., Баскаков А.П., Грачев C.B. Химико-термическая обработка в кипящем слое. M.: Машиностроение, 1985. 159 с.

32. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. М.: Наука, 1972. 152 с.

33. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со в стационарным и кипящим зернистым слоем Д.: Химия, 1968. 120 с.

34.Баскаков А.П. Скоростной безокислительный нагрев и термическая обработка кипящем слое М.Металлургия, 1968. 78 с.

35.Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения М.:Химия, 1967. 103 с.

Зб.Забродский С.С. Высокотемпературные установки с псевдоожиженным слоем М.:Энергия, 1970. 94 с.

37.Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса Л.: Госэнергоиздат, 1963.78 с.

38. Сосновский Л.А. Защитные высокотемпературные покрытия. Л.: Металлургия, 1972. 109 с.

39. Деркач В.Д. Порошковая металлургия М.: Наука. 1971, №4. С.45

40. Лабунец В.Ф., Щепетов В.В. Повышение износостойкости деталей из стали У8 борированием из паст. Технология и организация производства .1992, №2., с.34-36

41. Вильяме Д.Ф., Роуф Р. Имплантанты в хирургии. М., Медицина, 1978, 552 с.

42. Traker A.C., Ryff A.W. Metallic surgical implants state of the act. Journal of Metals, 1977, 29, №5, 22-28

43. Ohlwein K.Drahte, Schrauben und Nagel. Platten und erofile. Rostfreie Shahle im Einsutz als Implantate in der Humanmedizin-»Drant», 1987, 38, №1, 47-52

44. Zitter H., Schaschi-Outschar D.. Schadenfalle an chirurgisken Implantation und deren ursacher.-»Werkstoft und Korrosion», 1981, 32, 324-331

45. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов A.H., Расторгуев Л.H. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982. 256 с.

46. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ: Изд.2-е, М., Металлурги, 1970, 368 с.

47. Лашко Н.Ф., Заславская Л.В. и др. "Физико-химиеский фазовый анализ сталей и сплавов". М.:Металургия.1978, 334 с.

48. Матвеева Г.Н., Тарасенко Л.В., Титов В.И. "Заводская лаборатория". 1986. №2. 34 с.

49. Звигинцев Н.В., Тарасенко Л.В., Титов В.И. и др. Структура, состав интерметаллидных фаз и свойства стали 00X11 HI0М2Т. ФММ. 1985, т.59, вып.З.С.551.

50. Peters D.T., Cupp C.R. Transac.AIME, 1966, v.236, N10. P.420-422.

51.Звигинцев H.B., Тарасенко Л.В., Титов В.И. и др. Фазовые превращения при

длительном старении стали 00Х11Н10М2Т. ФММ, т.63, вып.4. С.768-777.

52. Пат. №2116373 на изобретение, 27.07.1988г.

53.Гуляев А.П., Жадан Т. А. Новые низколегированные нержавеющие

стали.М.Машиностроение. 1972. С. 104.

54. Сокол И.Я. Двухфазные стали. М.:Металлургия. 1974, 216 с.

55. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т.1, Государственное научно-

техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии. Моска, 1962

56. Выклицкий М., Кралик Ф., Тума Г. Автоматическая сварка, 1964, №2, с.30-37

57. Гуляев А.П. МиТОМ, 1964, №10, с.3-12

58. Специальные стали и сплавы. М.:Металлургия, 1966. ЦНИИЧМ. Сб.№46.

59. Гинье А. Неоднородные металлические твердые растворы. Издательство "ИЛ", Москва. 1962

60. Многокомпанентные диффузионные покрытия. Под ред.Ляховича Л.С. Минск: Наука и техника. 1974. 104 с

61. Положительное решение по заявке №96104172/02 от 05.07.1997. Способ и состав борохромирования стальных изделий в псевдоожиженном слое.

Приоритет 04.05.1996. /Грачев C.B., Мальцева JI.A., Мальцева Т.В., Дмитриев М.Ю., Колпаков A.C.

62. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М.-.Металлургия, 1985,256 с.

63. Большая советская энциклопедия, изд.З, М.: Советская Энциклопедия. Т.27. 1977

64. Тавадзе Ф.И., Манджгаланзе С.Н. Коррозионная стойкость титановых сплавов. М.: Металлургия. 1983. С. 168