شرکت خشکه و فولاد پایتخت

جوشکاری استلایت بر روی فولادهای کربنی

فولاد های ساد? کربنی که به فولادهای غیر آلیاژی نیز شناخته می شوند. در سیستم کد گذاری بین المللی UNS با حرف G آغاز می شوند. این فولادی در سیستم AISI و SAE بصورت 10XX ,11XX,12XX و 15XX شناسایی می شوند.

در بازار ایران معروف ترین گریدهای این فولادها را می توان. St37 – St13 – St14 – St14 – St44 – St22 – St52 در فولادهای ساختمانی و Ck22 – Ck45 – Ck35 – Ck60 در فولادهای صنعتی نام برد.

بصورت کلی جوش پذیری یک فولاد با سختی پذیری آن نسبت مستقیم دارد. و هر چه سختی پذیری افزایش یابد. جوش پذیری پایین می آید. این موضوع بخاطر شکل گیری یک لای? ترد. در منطق? متأثر از حرارت زیر جوش (HAZ) در داخل فلز پایه می باشد.

وقتی سختی پذیری یک فولاد بالا باشد. در اثر سریع سرد شدن منطق? زیر جوش، فازهای ترد مارتنزیتی تشکیل می شود. که مقاومت به ضرب? پایینی دارد. این مسأله وقتی کربن بالاتر از 0/5 درصد باشد. اهمیت فراوانی می یابد.

برای کاهش سرعت سرد شدن، بهترین روش پیش گرم کردن قطع? کار می باشد. برای تعیین میزان پیش گرم مورد نیاز و ارزیابی جوش پذیری یک فولاد. از معیاری با عنوان کربن معادل (CE) استفاده می شود. این معیار مستقیماً ترکیب شیمیایی یک فولاد را به جوش پذیری آن ارتباط داده. و از طریق رابط? زیر محاسبه می شود.

بعنوان مثال می توان مشاهده کرد. برای فولادهایی مثل St37 , St12 که کربن معادلی در حدود 0/2 دارند. هیچ پیش گرمی نیاز نیست. اما برای فولادهایی مثل Ck45 که کربن معادل آن حدود 0/5 می باشد. به حدود 170 درج? سانتی گراد پیش گرم نیاز است.

برای استفاده از این نمودار به دو نکته باید توجه کرد. یکی اینکه این پیش گرم با هدف جلوگیری از سریع سرد شدن منطق? کنار جوش می باشد. و بنابراین انداز? قطعه نیز اثر گذار است. و دیگر اینکه پیش گرم همواره می تواند. مفید باشد زیرا اثر رطوبت یا چربی موجود بر روی قطعه و همچنین تنش های انقباضی را کاهش می دهد.

هرچه که کربن معادل از 0/5 بیشتر باشد. تشکیل مارتنزیت اجتناب ناپذیر است.

در این شرایط عملیات حرارتی پس از جوشکاری PWHT ضروری می شود.

انتخاب دمای این عملیات حرارتی با توجه به گرید فولاد انتخاب می شود. و معمولاً 50 درجه ی سانتی گراد پایینتر از دمای تمپر همیشگی آن فولاد است. معمولاً قطعات جوشکاری شده بلافاصله پس از جوشکاری بمدت یک تا دو ساعت در کورهه قرار می گیرند.

آلیاژهای استلایت

آلیاژهای استلایت آلیاژهایی با پایه ی کبالت هستند. مهم ترین عناصر آلیاژی استلایت ها، عناصر کربن، کروم، تنگستن، مولیبدن و نیکل می باشند.

همانطور که گفته شد. استلایت ها مقاومت بسیار خوبی به گالینگ و سایش چسبان فلز روی فلز دارند. این آلیاژها نیاز به روانکاری کمی داشته و ضریب اصطکاک پایینی دارند. به همین دلیل نسبت به Siding Wear مقاومت خوبی دارند. علاوه بر این آلیاژهای استلایت نسبت به اکسیداسیون دمای بالا، کاویتاسیون و فرسایش مقاومت مناسبی دارند.

روش تولید می تواند. بر سختی حاصل از یک آلیاژ اثرگذار باشد. شکل 2 سختی Stellite 6 حاصل از روش های گوناگون تولید در دماهای مختلف را نشان می دهد.

نظیر هر گروه از آلیاژهای دیگر، هر گرید استلایت برای یک دسته کاربرد خاص طراحی می شود. و بر همین اساس ترکیب شیمیایی آن تنظیم می شود.

به عنوان مثال آلیاژهایی که جنبه ی مقاومت به خوردگی آنها بالاست. معمولاً دارای کروم 28 تا 32 درصد بوده و خواص خوردگی نظیر فولاد زنگ نزن 316 دارند.

به علت نقش اساسی کربن در ایجاد مقاومت به سایش یا مقاومت به خوردگی، آلیاژهای استلایت را می توان. به دو دسته ی کلی زیر تقسیم بندی کرد.

• استلایت های کاربیدی (درصد C > 0/08 )

این استلایتها توسط کاربیدهای کروم، تنگستن و یا مولیبدن استحکام می یابند. و به دو صورت هیپویوتکنیک (کاربیدهای M22C6) نظیر استلایت 6. و هایپریوتکتیک (کاربیدهای M7C3) نظیر استلایت 1 گروه بندی می شوند.

• استلایتهای محلول جامد (C< 0/4)

این دسته از آلیاژهای استلایت معمولاً مقاومت به ضربه و مقاومت به خوردگی مناسب تری نسبت به گروه اول دارند. این دسته را به دو گروه زیر میتوان متمایز کرد.

— آلیاژهای استلایت کبالت، کروم، مولیبدن (بدون تنگستن) نظیر Stellite 21.

— آلیاژهای استلایت کبالت، کروم، مولیبدن، نیکل (با تنگستن پایین) نظیر Ultimet.

• آلیاژهای مقاوم به سایش توسط کار سخت شدن

شکل 3 ریز ساختار بعضی از آلیاژهای استلایت را نشان می دهد.

جدول 1 – ترکیب شیمیایی آلیاژهای معروف استلایت

یک ویژگی مهم آلیاژهای استلایت مقاومت به سایش در دمای بالاست. سختی همواره به عنوان یک پارامتر ملموس برای ارزیابی مقاومت به سایش تلقی می شود. ولی این معیار همیشه نمی تواند. ارزیابی صحیحی به ما ارائه دهد. در آلیاژهای استلایت به علت وجود ذرات کاربیدهای تنگستن. مقاومت به سایش بالاتری نسبت به یک فولاد با همان عدد سختی حاصل می شود.

شکل 4 سختی داغ چند آلیاژ استلایت را در مقایسه با فولاد ابزار گرم کار H13. در دماهای مختلف نشان می دهد.

شکل 5 نیز سختی داغ آلیاژهای مختلف استلایت را در دماهای مختلف مقایسه می کند.

شکل 6 اثر سختی داغ بر فرسایش دمای بالا در استلایت 1 را نشان می دهد. همان طور که دیده می شود. افت سختی از DPH 320 به 220 باعث دو برابر شدن فرسایش داغ شده است.

فرآیندهای پوشش دهی آلیاژهای استلایت بر روی قطعات

• روش پاشش حرارتی HVOF
• جوش آرگون TIG
• جوش کاری زیر پودری Submerged Arc Welding
• جوش میگ MIG
• جوشکاری به روش PTA
• جوشکاری لیزر Laser Weld Doposition

هریک از این روشها دارای نقاط قوت و ویژگیهای خاص خود هستند. به عنوان مثال در روش HVOF، سرعت پاشش ذرات به مافوق صوت رسیده. و دمای سطح قطعه نسبت به روشهایی مانند TIG یا PTA بسیار پایین تر است. این روش چگالی ایجاد می کند. ولی ضخامت حاصل از آن معمولاً کمتر از یک میلی متر است.

روش PTA که در آن پودر فلز استفاده میشود. قابلیت اتوماتیک شدن خوبی دارد. این روش نرخ رسوب گذاری بالایی داشته و رقیق شدن توسط آهن زیر لایه کمتر در آن اتفاق می افتد.

شکل 1 انواع روش های پوشش دهی را به صورت شماتیک نشان می دهد.

سخت کاری سطحی قطعات با استفاده از آلیاژهای استلایت

سخت کاری

سختکاری سطحی قطعات صنعتی با استفاده از سوپرآلیاژهای پایه کبالت استلایت یکی از چالش های صنعتگران است. آلیاژهای استلایت به علت خواص منحصر به فرد خود در کاربردهای بسیاری در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند.

زمانیکه که حفظ سختی در دمای بالا، شرایط خورنده و انواع مکانیزم های سایش مطرح باشند. استلایت ها به خوبی برتری های خود را به نمایش می گذارند.

معمولاً آلیاژهای مقاوم به سایش، مقاومت به خوردگی بالایی ندارند. یا آلیاژهای مقاوم به حرارت، نظیر اینکونل ها و اینکولوی ها، مقاومت به سایش پایینی دارند. ولی آلیاژهای استلایت بطور همزمان می توانند در سه جبهه با این مکانیزم های مخرب فلزات بجنگند.

آلیاژهای استلایت مقاومت به سایش چسبان (Galling) بسیار خوبی دارند. به همین دلیل در شرایطی که آب بندی فلز روی فلز نیاز باشد. گزینه ی بسیار مناسبی هستند. این ویژگی باعث شده تا در صنایع شیرآلات خاص صنعتی. پمپ های فرآیندی و کنترل ولوها شاهد به کارگیری آلیاژهای استلایت در سیت، گیت، بال و … باشیم.

حفظ سختی و مقاومت به سایش در دمای بالا در آلیاژهای استلایت باعث شده. تا در فرآیندهای شکل دهی گرم فلزات، نظیر اکستروژن و کشش سیم کاربردهای زیادی پیدا کرده باشند.

مقاومت به خوردگی در فلز مذاب، باعث شده. تا در ساخت قطعات تحت سایش در وان های فلزات مذاب. بتوان آلیاژهای استلایت را بکارگیری کرد.

در این نوشتار، اصول کلی سخت کاری سطی قطعات صنعتی با استفاده از آلیاژهای استلایت. به روش جوشکاری مورد بحث قرار گرفته است. امید است این مطلب مورد استفاده ی صنعتگران بومی ساز قطعات خاص قرار گیرد.

فولاد زنگ نزن – کابرد آن در پزشکی

فولاد زنگ نزن-در ساخت کاشتنی های ارتوپدی، فلزات نقش انکار ناشدنی دارند. در این میان فولادهای زنگ نزن بدلیل تاریخچه مصرف طولانی و در نتیجه رفتار شناخته شده و هم چنین هزینه به نسبت کمتر در مقایسه با دیگر بیومتریال های فلزی و در عین حال زیست سازگاری مناسب در کاربردهای کوتاه مدت،. موقعیت خود را در بین بیومتریالهای فلزی تثبیت کرده اند.

مواد فلزی مورد استفاده در پزشکی

اولین مواد فلزی که بطور موثر در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است.فولاد زنگ نزن است. فولاد زنگ نزن برای کاربردی گسترده ای بدلیل هزینه های پایینتر، دسترسی آسان، خواص مکانیکی عالی، شکل پذیری مناسب،. زیست سازگاری مناسب و استحکام بالا مورد استفاده قرار میگیرد. بیو مواد فلزی در مقایسه با بیو مواد سرامیکی و پلیمری، . خواص قابل توجهی مانند تحمل بیشتر تنش های کششی را دارند که در مورد آلیاژهای آنها،. این کمیت بسیار زیاد خواهد بود.

از موارد مصرف این مواد تحت بارهای زیاد مانند: لگن،زانو،پیچ، کاشت های دندانی خواهد بود. ترکیب آهن و کربن کمتر از حدود 2 درصد را فولاد مینامند. آهن در دمای معمولی مغناطیسی است،. ولی با افزایش دما از 523 درجه به دلیل تغییر جهت نیروی اسپین خاصیت مغناطیسی آهن نیز از بین میرود. به جهت تأثیر مخرب خاصیت مغناطیسی فولادهای فریتی کاشته شدن درون بدن بر روی MRI.،استفاده ی آنها درون بدن بسیار کم است. فولاد پر مصرفترین آلیاژی فلزی مورد استفاده بعنوان بیومتریال است.

آلیاژ آهنی

در علم متالوژی فولاد ضد زنگ، تحت عنوان آلیاژ آهنی با حداقل 10 درصد کروم تعریف میشود. این نام از این جهت قرار داده شده است که فولاد ضد زنگ،. تغییر رنگ نمی یابد و خورده نمیشود. فولادهای زنگ نزن در بسیاری از محیطها، مقاومت بالایی نسبت به خوردگی و اکسید شدن دارند.، با این حال انتخاب نوع صحیح فولاد برای کاربرد خاص از اهمیت زیادی برخوردار است. فراوانی، شکل پذیری، قیمت مناسب،. راحتی کار و استحکام خوب از جمله خصوصیات بارز کاشتنی هایی از جنس فولاد زنگ نزن است.

مقاومت در برابر اکسید شدن در هوا در دمای محیط با افزودن حدود 13 درصد کروم و در محیطهای سخت و خورنده حدود 26 درصد میتواند مناسب باشد. در حال حاضر بیش از 150 نوع مختلف فولاد زنگ نزن معرفی شده است. افزودن نیکل باعث پایدار شدن ساختار آستنیتی آهن میشود. در نتیجه فولادی غیر مغناطیسی بدست می آید. که در دماهای کم نیز مقاومت به شکنندگی بالایی دارد. برای دستیابی به استحکام و سختی بیشتر به آن میتوان کربن اضافه نمود.

نکته ی مهم تشکیل لایه ی غیر فعال اکسید کروم است که بر روی سطح فولاد تشکیل شده و آنرا در برابر خوردگی محافظت مینماید. علاوه بر قسمت های اساسی و اصلی تجهیزات بیمارستانی از فولاد ضد زنگ در پیچ ها، میخ ها، سیم ها و صفحات شکسته بندی، سیم ها و گیره های ارتوپدی و کاشتنی های دندانی، استنت قلبی، کاتترها، سوزن ها ، قیچی های جراحی و … استفاده میگردد.

بیشترین استفاده

بیشترین استفاده از فولادهای زنگ نزن، انواع 316 و L 316 است. نوع L316 توسط انجمن تست مواد آمریکا ASTM برای ساخت کاشتنی ها توصیه میشود.

هدف از این تحقیق این است که با مشکلات فولاد ضد زنگ مرود استفاده در کاربردهای پزشکی آشنا شده و در صدد بر طرف نمودن این مشکلات اعم از مقاومت به سایش کم، مقاومت به خوردگی کم در محیط بدن، مدول الاستیک بالا – در حدود 200 گیگا پاسکال – حدود 10 برابر استخوان – تنش ایجاد شده در محل کاشتنی و استخوان Stress Shielding . سمیت عناصر آلیاژی تلاش شود.

روشهای بررسی

جهت یافتن مستندات مرتبط با موضوع پژوهش از مقالات مروری و چاپ شده در سالهای گذشته و حال استفاده گردیده است . در این شناسایی فولاد زنگ نزن مزایا و معایب آن در کاربردهای پزشکی پرداخته شده است.

فولادهای زنگ نزن

فولاد زنگ نزن نام عمومی برای برخی از فولادها است. آلیاژهای حاوی درصد بالای – 11 الی 30 درصد وزنی کروم و مقادیر مختلف نیکل را فولاد زنگ نزن میگویند. فولادهای زنگ نزن بر اساس ترکیب شیمیایی به دو دسته تقسیم شود:. فولادهای کروم دار و فولادهای کروم – نیکل دارد. فولادهای زنگ نزن بر اساس ریز ساختار به چهار بخش تقسیم میشوند:

بجز فولادهای داپلکس، هریک از سه گروه دیگر از فولادهای زنگ نزن در کاربردها و دستگاههای پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد. سختی فولاد زنگ نزن، مارتنزیتی 97HRB است که برای ابزارهای دندانپزشکی و جراحی مناسب هستند. فولاد زنگ نزن فریتی برای ابزارهای پزشکی استفاده میشود.

فولاد زنگ نزن آستنیتی در کاربردهای مختلف پزشکی مانند: مواردی که به مقاومت به خوردگی بالا، استحکام متوسط مورد نیاز است.، استفاده میشود. در این کاربردها اغلب به یک ماده نیاز است که به راحتی به شکل های پیچیده در آید. با این حال، فقط فولاد زنگ نزن آستنیتی برای کاشتنی ها استفاده میشود. از این رو، در این بخش به فولاد زنگ نزن مرود استفاده برای کاشتنی های پزشکی، از جمله نوع 316 L و انواع آن اختصاص داده شده است.

https://www.foolad-paytakht.ir

مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن در کاربردهای پزشکی

حداقل درصد کروم در فولاد زنگ نزن 11 درصد وزنی است، مقدار مورد نیاز برای جلوگیری از زنگ زدگی در اتمسفر محیط است. لیست ترکیبات فولاد زنگ نزن 316 L و انواع آن ASMT F138 است. فولاد زنگ نزن L 316 بطور گسترده ای در کاربردهای موقت در بدن استفاده میشود. مانند صفحات شکستگی، پیچها، مفصل ران، و هم چنین در کاربردهای دائمی، مانند جایگزینهای کامل استخوان ران استفاده میشوند.

همانطور که گفته شد. فولاد ضد زنگ دارای مقادیر مختلف کروم و نیکل است. کروم دارای میل بسیار زیادی برای ترکیب شدن با اکسیژن را دارد، که یک فیلم اکسید غنی از کروم به ضخامت 2 نانو متر روی سطح ایجاد میکند. این لایه سطحی، چسبنده است و باعث جلوگیری از خوردگی در محیطهای حاوی اکسیژن میگردد.

وجود نیکل در آلیاژ باعث افزایش مقاومت به خوردگی و هم چنین باعث بهبود خواص مکانیکی میگردد. نیکل اصلی ترین عنصر آلیاژی است که باعث تشکیل آستنیت در آهن میشود. بطور کلی پایدار کننده آستنیت در فولاد زنگ نزن است. با تشکیل فیلم های اکسیدی محافظ روی سطح آلیاژ، باعث افزایش مقاومت به خوردگی میشود.

با توجه به مطالعات انجام گرفته عنصر نیکل برای بدن انسان بسیار سمی است. اضافه کردن عناصر آلیاژی دیگر میتواند مقاومت به خوردگی، خواص فیزیکی و مکانیکی را افزایش دهد. در فولادهای زنگ نزن بطور معمول در نوع خوردگی اتفاق می افتد: 1- خوردگی حفره ای 2 – خوردگی شیاری

خوردگی حفره ای

خوردگی حفره ای یک نوع خوردگی موضعی است. که به وجود آمده سوراخ و خراش روی سطح ایجاد میشود. دلیل ترمودینامیکی برای خوردگی حفره ای، ایجاد یک منطقه کوچک روی سطح که فاقد لایه اکسید – پسیو شده – است.، آند شده در حالیکه منطقه وسیع دیگر کاتد شده است. در این منطقه که فاقد لایه اکسیدی است.، خوردگی گالولنیک موضعی رخ میدهد. علت ایجاد خوردگی حفره ای در فولادهای زنگ نزن، وجود کربن در آلیاژ است. کروم تمایل زیادی به واکنش با کربن دارد و کاربید کروم cr7-cr3-cr2-cr3-c2-در منطقه غنی از کربن تشکیل دهد.

بطور معمول در مرز دانه تشکیل میشود. رسوب کربن و تشکیل کاربید کروم باعث کاهش کروم در اطراف مرزدانه شده و بنابر این وقتی خراش یا حفره ای روی سطح ایجاد شود. کروم لازم برای تشکیل لایه مقاوم به خوردگی اکسید کروم وجود ندارد. و این منطقه کمبود از کروم شده و باعث خوردگی حفره ای میشود. پس در نتیجه مقاومت به خوردگی در اطراف و مرز دانه به دلیل تشکیل کاربید کروم، کاهش می یابد.

https://www.foolad-paytakht.ir

برای جلوگیری از خوردگی حفره ای در فولاد زنگ نزن میتوان مولیبدن به آلیاژ اضافه کرد. مولیبدن میل زیادی به ترکیب شدن با کربن را دارد. و باعث تشکیل کاربید مولیبدن میکند.، بنابراین موجب کاهش کاربید کروم میگردد. هم چنین برای افزایش مقاومت به خوردگی حفره ای باید مقدار کربن کم باشد.

اگرچه کربن موجب افزایش استحکام میگردد. اما مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن نباید از 3 دهم درصد بیشتر باشد. محتوای کربن پایین احتمال تشکیل کاربید کروم را کاهش میدهد. بطور معمول این مکانیزم،. باعث خوردگی درون دانه ها میشود. کاهش مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن L316، سبب افزایش مقاومت به خوردگی در محلول های کلریدی بطور مثال: محیط نمکی فیزیولوژیک در سیستم بدن،. میشود. از سوی دیگر فولاد زنگ نزن در برابر خوردگی توسط یونهای کلریدی آسیب پذیر است. و ترکیبات گوگرد را کاهش میدهد.

وجود ریز جانداردهای زیستی بر روی سطح فلز معمولاً منجر به آسیب های شدید بر روی سطح فلز در غلظت های مختلف ph و اکسیژن و ترکیبات الکترولیتی میگردد. تحقیقات انجام شده بر روی رفتار الکتروشیمیایی و خوردگی فولاد زنگ نزن L316 در باکتریهای کاهش یافته سولفاتی SRB و باکتریهای اکسیده شده هوای IOB نشان داده است. که روابط بین سطح فولاد زنگ نزن و سلولهای باکتریایی، محصولات متابولیکی و این محصولات باعث افزایش آسیب خوردگی و منجر به خوردگی حفره میشود. بیش از 90 درصد شکست کاشتنی های ساخته شده از فولاد زنگ نزن L316 ناشی از خوردگی شیاری و حفره ای با توجه به مطالعات بر روی کاشتنی های بازیابی شده است. برای جلوگیری از خوردگی و حملات یون های فلزی به کاشتنی، میتوان با روش اصلاح سطح و تغییر آلیاژ ماده،. موجب بهبود مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ L316 شد.

فولاد زنگ نزن – کابرد آن در پزشکی

فولاد زنگ نزن-در ساخت کاشتنی های ارتوپدی، فلزات نقش انکار ناشدنی دارند. در این میان فولادهای زنگ نزن بدلیل تاریخچه مصرف طولانی و در نتیجه رفتار شناخته شده و هم چنین هزینه به نسبت کمتر در مقایسه با دیگر بیومتریال های فلزی و در عین حال زیست سازگاری مناسب در کاربردهای کوتاه مدت،. موقعیت خود را در بین بیومتریالهای فلزی تثبیت کرده اند.

مواد فلزی مورد استفاده در پزشکی

اولین مواد فلزی که بطور موثر در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است.فولاد زنگ نزن است. فولاد زنگ نزن برای کاربردی گسترده ای بدلیل هزینه های پایینتر، دسترسی آسان، خواص مکانیکی عالی، شکل پذیری مناسب،. زیست سازگاری مناسب و استحکام بالا مورد استفاده قرار میگیرد. بیو مواد فلزی در مقایسه با بیو مواد سرامیکی و پلیمری، . خواص قابل توجهی مانند تحمل بیشتر تنش های کششی را دارند که در مورد آلیاژهای آنها،. این کمیت بسیار زیاد خواهد بود.

از موارد مصرف این مواد تحت بارهای زیاد مانند: لگن،زانو،پیچ، کاشت های دندانی خواهد بود. ترکیب آهن و کربن کمتر از حدود 2 درصد را فولاد مینامند. آهن در دمای معمولی مغناطیسی است،. ولی با افزایش دما از 523 درجه به دلیل تغییر جهت نیروی اسپین خاصیت مغناطیسی آهن نیز از بین میرود. به جهت تأثیر مخرب خاصیت مغناطیسی فولادهای فریتی کاشته شدن درون بدن بر روی MRI.،استفاده ی آنها درون بدن بسیار کم است. فولاد پر مصرفترین آلیاژی فلزی مورد استفاده بعنوان بیومتریال است.

آلیاژ آهنی

در علم متالوژی فولاد ضد زنگ، تحت عنوان آلیاژ آهنی با حداقل 10 درصد کروم تعریف میشود. این نام از این جهت قرار داده شده است که فولاد ضد زنگ،. تغییر رنگ نمی یابد و خورده نمیشود. فولادهای زنگ نزن در بسیاری از محیطها، مقاومت بالایی نسبت به خوردگی و اکسید شدن دارند.، با این حال انتخاب نوع صحیح فولاد برای کاربرد خاص از اهمیت زیادی برخوردار است. فراوانی، شکل پذیری، قیمت مناسب،. راحتی کار و استحکام خوب از جمله خصوصیات بارز کاشتنی هایی از جنس فولاد زنگ نزن است.

مقاومت در برابر اکسید شدن در هوا در دمای محیط با افزودن حدود 13 درصد کروم و در محیطهای سخت و خورنده حدود 26 درصد میتواند مناسب باشد. در حال حاضر بیش از 150 نوع مختلف فولاد زنگ نزن معرفی شده است. افزودن نیکل باعث پایدار شدن ساختار آستنیتی آهن میشود. در نتیجه فولادی غیر مغناطیسی بدست می آید. که در دماهای کم نیز مقاومت به شکنندگی بالایی دارد. برای دستیابی به استحکام و سختی بیشتر به آن میتوان کربن اضافه نمود.

نکته ی مهم تشکیل لایه ی غیر فعال اکسید کروم است که بر روی سطح فولاد تشکیل شده و آنرا در برابر خوردگی محافظت مینماید. علاوه بر قسمت های اساسی و اصلی تجهیزات بیمارستانی از فولاد ضد زنگ در پیچ ها، میخ ها، سیم ها و صفحات شکسته بندی، سیم ها و گیره های ارتوپدی و کاشتنی های دندانی، استنت قلبی، کاتترها، سوزن ها ، قیچی های جراحی و … استفاده میگردد.

بیشترین استفاده

بیشترین استفاده از فولادهای زنگ نزن، انواع 316 و L 316 است. نوع L316 توسط انجمن تست مواد آمریکا ASTM برای ساخت کاشتنی ها توصیه میشود.

هدف از این تحقیق این است که با مشکلات فولاد ضد زنگ مرود استفاده در کاربردهای پزشکی آشنا شده و در صدد بر طرف نمودن این مشکلات اعم از مقاومت به سایش کم، مقاومت به خوردگی کم در محیط بدن، مدول الاستیک بالا – در حدود 200 گیگا پاسکال – حدود 10 برابر استخوان – تنش ایجاد شده در محل کاشتنی و استخوان Stress Shielding . سمیت عناصر آلیاژی تلاش شود.

روشهای بررسی

جهت یافتن مستندات مرتبط با موضوع پژوهش از مقالات مروری و چاپ شده در سالهای گذشته و حال استفاده گردیده است . در این شناسایی فولاد زنگ نزن مزایا و معایب آن در کاربردهای پزشکی پرداخته شده است.

فولادهای زنگ نزن

فولاد زنگ نزن نام عمومی برای برخی از فولادها است. آلیاژهای حاوی درصد بالای – 11 الی 30 درصد وزنی کروم و مقادیر مختلف نیکل را فولاد زنگ نزن میگویند. فولادهای زنگ نزن بر اساس ترکیب شیمیایی به دو دسته تقسیم شود:. فولادهای کروم دار و فولادهای کروم – نیکل دارد. فولادهای زنگ نزن بر اساس ریز ساختار به چهار بخش تقسیم میشوند:

بجز فولادهای داپلکس، هریک از سه گروه دیگر از فولادهای زنگ نزن در کاربردها و دستگاههای پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد. سختی فولاد زنگ نزن، مارتنزیتی 97HRB است که برای ابزارهای دندانپزشکی و جراحی مناسب هستند. فولاد زنگ نزن فریتی برای ابزارهای پزشکی استفاده میشود.

فولاد زنگ نزن آستنیتی در کاربردهای مختلف پزشکی مانند: مواردی که به مقاومت به خوردگی بالا، استحکام متوسط مورد نیاز است.، استفاده میشود. در این کاربردها اغلب به یک ماده نیاز است که به راحتی به شکل های پیچیده در آید. با این حال، فقط فولاد زنگ نزن آستنیتی برای کاشتنی ها استفاده میشود. از این رو، در این بخش به فولاد زنگ نزن مرود استفاده برای کاشتنی های پزشکی، از جمله نوع 316 L و انواع آن اختصاص داده شده است.

مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن در کاربردهای پزشکی

حداقل درصد کروم در فولاد زنگ نزن 11 درصد وزنی است، مقدار مورد نیاز برای جلوگیری از زنگ زدگی در اتمسفر محیط است. لیست ترکیبات فولاد زنگ نزن 316 L و انواع آن ASMT F138 است. فولاد زنگ نزن L 316 بطور گسترده ای در کاربردهای موقت در بدن استفاده میشود. مانند صفحات شکستگی، پیچها، مفصل ران، و هم چنین در کاربردهای دائمی، مانند جایگزینهای کامل استخوان ران استفاده میشوند.

همانطور که گفته شد. فولاد ضد زنگ دارای مقادیر مختلف کروم و نیکل است. کروم دارای میل بسیار زیادی برای ترکیب شدن با اکسیژن را دارد، که یک فیلم اکسید غنی از کروم به ضخامت 2 نانو متر روی سطح ایجاد میکند. این لایه سطحی، چسبنده است و باعث جلوگیری از خوردگی در محیطهای حاوی اکسیژن میگردد.

وجود نیکل در آلیاژ باعث افزایش مقاومت به خوردگی و هم چنین باعث بهبود خواص مکانیکی میگردد. نیکل اصلی ترین عنصر آلیاژی است که باعث تشکیل آستنیت در آهن میشود. بطور کلی پایدار کننده آستنیت در فولاد زنگ نزن است. با تشکیل فیلم های اکسیدی محافظ روی سطح آلیاژ، باعث افزایش مقاومت به خوردگی میشود.

با توجه به مطالعات انجام گرفته عنصر نیکل برای بدن انسان بسیار سمی است. اضافه کردن عناصر آلیاژی دیگر میتواند مقاومت به خوردگی، خواص فیزیکی و مکانیکی را افزایش دهد. در فولادهای زنگ نزن بطور معمول در نوع خوردگی اتفاق می افتد: 1- خوردگی حفره ای 2 – خوردگی شیاری

خوردگی حفره ای

خوردگی حفره ای یک نوع خوردگی موضعی است. که به وجود آمده سوراخ و خراش روی سطح ایجاد میشود. دلیل ترمودینامیکی برای خوردگی حفره ای، ایجاد یک منطقه کوچک روی سطح که فاقد لایه اکسید – پسیو شده – است.، آند شده در حالیکه منطقه وسیع دیگر کاتد شده است. در این منطقه که فاقد لایه اکسیدی است.، خوردگی گالولنیک موضعی رخ میدهد. علت ایجاد خوردگی حفره ای در فولادهای زنگ نزن، وجود کربن در آلیاژ است. کروم تمایل زیادی به واکنش با کربن دارد و کاربید کروم cr7-cr3-cr2-cr3-c2-در منطقه غنی از کربن تشکیل دهد.

بطور معمول در مرز دانه تشکیل میشود. رسوب کربن و تشکیل کاربید کروم باعث کاهش کروم در اطراف مرزدانه شده و بنابر این وقتی خراش یا حفره ای روی سطح ایجاد شود. کروم لازم برای تشکیل لایه مقاوم به خوردگی اکسید کروم وجود ندارد. و این منطقه کمبود از کروم شده و باعث خوردگی حفره ای میشود. پس در نتیجه مقاومت به خوردگی در اطراف و مرز دانه به دلیل تشکیل کاربید کروم، کاهش می یابد.

برای جلوگیری از خوردگی حفره ای در فولاد زنگ نزن میتوان مولیبدن به آلیاژ اضافه کرد. مولیبدن میل زیادی به ترکیب شدن با کربن را دارد. و باعث تشکیل کاربید مولیبدن میکند.، بنابراین موجب کاهش کاربید کروم میگردد. هم چنین برای افزایش مقاومت به خوردگی حفره ای باید مقدار کربن کم باشد.

اگرچه کربن موجب افزایش استحکام میگردد. اما مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن نباید از 3 دهم درصد بیشتر باشد. محتوای کربن پایین احتمال تشکیل کاربید کروم را کاهش میدهد. بطور معمول این مکانیزم،. باعث خوردگی درون دانه ها میشود. کاهش مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن L316، سبب افزایش مقاومت به خوردگی در محلول های کلریدی بطور مثال: محیط نمکی فیزیولوژیک در سیستم بدن،. میشود. از سوی دیگر فولاد زنگ نزن در برابر خوردگی توسط یونهای کلریدی آسیب پذیر است. و ترکیبات گوگرد را کاهش میدهد.

وجود ریز جانداردهای زیستی بر روی سطح فلز معمولاً منجر به آسیب های شدید بر روی سطح فلز در غلظت های مختلف ph و اکسیژن و ترکیبات الکترولیتی میگردد. تحقیقات انجام شده بر روی رفتار الکتروشیمیایی و خوردگی فولاد زنگ نزن L316 در باکتریهای کاهش یافته سولفاتی SRB و باکتریهای اکسیده شده هوای IOB نشان داده است. که روابط بین سطح فولاد زنگ نزن و سلولهای باکتریایی، محصولات متابولیکی و این محصولات باعث افزایش آسیب خوردگی و منجر به خوردگی حفره میشود. بیش از 90 درصد شکست کاشتنی های ساخته شده از فولاد زنگ نزن L316 ناشی از خوردگی شیاری و حفره ای با توجه به مطالعات بر روی کاشتنی های بازیابی شده است. برای جلوگیری از خوردگی و حملات یون های فلزی به کاشتنی، میتوان با روش اصلاح سطح و تغییر آلیاژ ماده،. موجب بهبود مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ L316 شد.