Stale austenityczne Struktura i własności
Ściśle ustalone składy chemiczne (tablica) zapewniające im paramagnetyczną strukturę austenityczną W celu uzyskania dobrej odporności na korozję wżerową w środowisku płynów i tkanek: 3,3% mas.mo + %mas.cr 26 Odporność na korozję międzykrystaliczną stanowi podstawowe kryterium odbiorowe stali na implanty
Taśmy, blachy, pręty, profile specjalne, o umocnieniu zmiennym od stanu przesyconego zimnowalcowanego (R m 450-1850 MPa) Igły śródszpikowe, płytki kostne, śruby i nakrętki, groty i druty kostne, rzadziej endoprotezy lub ich elementy Własności mechaniczne dobierane w zależności od rodzaju wyrobu
O strukturze stali kwasoodpornych decyduje stężenie chromu i niklu Równoważniki chromu i niklu: Cr E =%Cr+1,4%Mo+0,5%Nb+1,5%Si+2%Ti Ni E =%Ni+30%C+0,5%Mn+30%N Do określenia struktury stali o bardziej złożonym składzie wykres Schaefflera
Wykres równowagi Fe-Cr-Ni: po nagrzaniu do 1050 C pojawia się ferryt, potem wzrasta, a powyżej 1250 C przyjmuje postać iglastą w miejsce ziarnistej Fe-Cr-Mo: oprócz mieszaniny faz i w austenicie mogą pojawić się fazy międzymetaliczne
Struktura stali austenitycznych po przesyceniu: poligonalne ziarna austenitu z wykształconymi bliźniakami i ew. węglikami, azotkami i węglikoazotkami Pożądana ponadrównowagowa zawartość pierwiastków austenitotwórczych
Rola pierwiastków stopowych Chrom: zmienia potencjał elektrochemiczny stali 0,6 V na +0,2 V, skokowo przy 13%Cr. Przyczyny: zmiana wartościowości Fe 2+ na Fe 3+.. Pasywność, szybkość korozji 100-krotnie mniejsza. Wytworzenie warstw tlenkowych z kompleksami Cr 3+, CrO 4-
Nikiel: dodatek austenitotwórczy o nieograniczonej rozpuszczalności w żelazie. Wzrost odporności na korozję naprężeniową. Molibden: oddziałuje na kształt krzywej polaryzacji anodowej. Zmniejsza gęstość prądu pasywacji. Odporność na korozję wżerową. Oddziaływanie pierwiastków stopowych ich wpływ na kształt krzywych polaryzacji
Ograniczenia poziomu wtrąceń niemetalicznych, wielkości ziaren oraz obecności faz ferromagnetycznych.
Własności mechaniczne kształtowane przez procesy umocnienia. Skład tak dobrany, aby nawet po 80% zgniocie (maksymalne umocnienie) nie zaszła przemiana martenzytyczna Kryteria oceny własności mechanicznych
Procesy wydzieleniowe i odporność korozyjna Rozpuszczalność węgla w austenicie do 0,04%. Nadmiar w węglikach M 23 C 6. Po nagrzaniu pow. 1100 C węgliki rozpuszczają się w austenicie. Po oziębieniu w wodzie uzyska się strukturę jednorodnego austenitu bez węglików, przesyconą, plastyczną. Poniżej 400 C nie zachodzi wydzielanie węglików z powodu powolnej dyfuzji węgla. Pow. 500 C nadmiar węgla wydziela się w postaci węglików M 23 C 6, głównie w postaci siatki na granicach ziaren. Przyczyna: szybkość dyfuzji węgla większa od dyfuzji chromu. Skutek: korozja międzykrystaliczna wywołana zubożeniem osnowy w pobliżu powierzchni ziaren.
Długie wygrzewanie stali w wysokich temperaturach osłabia skłonność do korozji międzykrystalicznej Skłonność stali ujawniana za pomocą testu Straussa
Wykres czas-temperatura-przemiana CTP: możliwość zapoczątkowania niekorzystnych procesów wydzieleniowych w strukturze austenitu w zbyt niskich temperaturach i przy długich czasach ujednoradniania w trakcie przesycania. Wydzielanie faz M 23 C 6, a następnie faz,, zachodzi w obszarze 600-900 c
Fazy międzymetaliczne i międzywęzłowe w różnym stopniu podwyższają własności wytrzymałościowe oraz zmniejszają plastyczne stali Cr-Ni-Mo Najsilniej wpływają dyspersyjne wydzielenia M 23 C 6, także stężenie azotu w stalach, następnie na umocnienie wpływa międzymetaliczna faza
Wydzielone fazy w różnym stopniu obniżają trwałość warstwy pasywnej (w szczególności w obecności chlorków), natomiast nie wpływają na repasywację miejsc aktywnych. Największą skłonność do korozji naprężeniowej mają stale przesycone
Stopy na osnowie kobaltu
Większa biotolerancja od stali Cr-Ni-Mo Większa odporność na korozję wżerową i szczelinową Większa zdolność do repasywacji w płynach ustrojowych
Materiały nietoksyczne Stopy odlewnicze i przerabiane plastycznie Głównie na endoprotezy stawowe Skład chemiczny determinuje techniki wytwarzania, a ta z kolei wiąże się ze strukturą i zespołem własności mechanicznych
Przykłady stopów handlowych (tablica) Stopy o stężeniach i zabiegach technologicznych pozwalających uzyskać własności dostosowanych do potrzeb kinematycznych poszczególnych biomechanizmów z uwzględnieniem zróżnicowań anatomicznych i techniki operacyjnej Zastosowanie (głównie przerabianych plastycznie): płytki, wkręty kostne, groty, druty, elementy kształtowe do zespoleń dociskowych kości
Skład Cr 18-30%, Mo 2,5-9%, Ni 15-37% Stopy przerobione plastycznie: dodatkowo 3-8,8% lub 14-16%W. C 0,05-0,35%, Fe do 3%. Stopy CoNiCrMoWFe: Fe 5-15,8%, Mn do 2%, Si do 1%, Ti 0,5-2,5% CoCrMo: Ti do 1%
Kobalt: porównywalny do niklu. Znaczna skłonność do pasywacji. Nie jest plastyczny, stąd małe rozpowszechnienie w technice. Cr i Mo zwiększają odporność na kwaśne środowiska, odporność na korozję wżerową i szczelinową Większa odporność na korozję naprężeniową i zmęczeniową w obecności chlorków
Stopy odlewnicze Struktura niejednorodnego austenitu ze znaczną segregacją chemiczną. Drobnodyspersyjne wydzielenia węglików M 23 C 6 Segregacja Cr w granicach 19-35%, Mo 4-6% Porowatość 0,3% Większa odporność korozyjna od stali austenitycznych Mała ciągliwość i wytrzymałość zmęczeniowa (stąd przesycanie)
W trakcie przesycania w 1165 C zachodzi częściowa przemiana pierwotnych węglików M 23 C 6 na M 6 C. W 1210 C rozpuszczanie węglików początkowo jest szybkie, później wolniejsze. Po 1 h węgliki M 23 C 6 rozpuszczają się całkowicie, M 6 C częściowo, całkowicie po 64 h. W 1230 C wszystkie rodzaje węglików rozpuszcza się po 15 min. W 1250-1270 C obserwuje się nadtapianie węglików
Nagrzewanie do 100 C/min nie wpływa na kinetykę przemian węglików, powyżej 200 C/min hamuje przemianę węglika M 6 C, której początek zachodzi w 1250 C, na brzegach próbek węgliki M 23 C 6 zamieniają się w międzymetaliczną fazę
Przemiana węglika M 23 C6 na M 6 C jest spowodowana większa stabilnością tego ostatniego w 1165-1230 C. W 1230 C powstaje eutektyka M 6 C grafit wskutek roztapiania się węglików w stopie Przemiana przebiega podobnie, jak w stopach Co- Cr-Mo i Fe-Mo-C. Tworzą się międzydendrytyczne obszary z większym stężeniem Cr i C
Powstawanie fazy w osnowie stopów Co- Cr-Mo nagrzewanych z szybkościami pow. 200 C/ min jest istotne, gdyż faza ta wywiera niekorzystny wpływ na własności mechaniczne. Optymalny zakres przesycania dla uzyskania jednofazowej struktury austenitycznej: 1210-1240 C
Wydzielanie węglików jest możliwe w wniosku reakcji eutektycznej lub prostego wydzielania Zarodkowanie odbywa się na granicach międzyfazowych Przemiana węglików: M 3 C 2 lub M 7 C 3 M 23 C 6 M 6 C
Węgliki M 7 C 3 powstają w stopach, w których stosunek Me:C ma małą wartość (Me Cr, Co). Przemiana: 23 Cr 7 C 3 7 Cr 23 C 6 + 27 C 6 C + 23 Cr Cr 23 C 6 Węgliki M 23 C 6 umacniają strukturę stopu
Obecność węglika M 23 C 6 ułatwia tworzenie fazy W stanie lanym węgliki te wydzielają się na granicach ziaren i obszarach międzydendrytycznych Pierwotne wydzielenia mają duże rozmiary i sa nieregularne Drobne wydzielenia węglika mają kształt płytek w osnowie Wyżarzanie homogenizujące powoduje rozpuszczenie i ponowne wydzielenie węglików dyspersyjnych
Węgliki Me 3 Me 3 C i Me 4 Me 2 C są stabilniejsze w wysokich temperaturach, przede wszystkim gdy zawierają W i Ti, wywierają też wpływ na odkształcalność w podwyższonych temperaturach
Obróbka cieplna Wyżarzanie ujednoradniające w 1170 C; rozpuszczają się węgliki międzydendrytyczne, austenit staje się bardziej jednorodny Przesycanie z temp. 1240 C w wodzie; jednorodna i jednofazowa struktura austenitu o większej wytrzymałości i ciągliwości niż w stanie lanym
Stopy przerabiane plastycznie W stosunku od odlewniczych: ograniczone stężenie C, Si, Cr, Mn, zwiększone stężenie Ni z 2,5 do 33-37%, dodatek Ti Bardziej podatne do odkształcenia plastycznego Struktura jednofazowa austenitu Większa odporność na erozję, kawitację, zmęczenie korozyjne, korozję napreżeniową
Podczas odkształcania plastycznego poniżej 650 C zachodzi przemiana martenzytyczna
Odkształcanie stopów Co-Ni-Cr-Mo pow. 650 C umacnia austenit bez zmiany struktury. Sterując temperaturą odkształcania i stopniem gniotu można kształtować umocnienie stopu
Zabiegi technologiczne Przesycanie 1050 C Odkształcanie plastyczne na zimno poniżej 650 C (największe umocnienie) Odkształcenie plastyczne na gorąco (pow. 650 C); pośrednie umocnienie Stopy przerabiane plastycznie: dwukrotnie większa wytrzymałość zmęczeniowa, większa odporność na korozję szczelinową i wżerową