Содержание к диссертации
Введение
ГлаваІ. Состояние вопроса 9
1.1. Биомеханические аспекты функционирования бедренных компонентов эндопротезов тазобедренного сустава человека и требования к их надежности 9
1.2. Физико-механические и биологические свойства костных структур и материалов, применяемых при эндопротезировании 19
1.2.1. Строение и физико-механические свойства костных структур 19
1.2.2 Физико-механические и биологические свойства материалов, применяемых при зндопроіезировании 26
1.3. Методы испытаний эндопротезов тазобедренного сустава 43
1.3.1. Статические испытания бедренных компонентов эндопротезов 43
1.3.2. Ресурсные испытания тотального эндопротеза тазобедренного сустава 47
1.4. Система проектирования, производства и применения биологически и механически совместимых имплантатов (БМСИ) 52
1.5. Темоводородная обработка как эффективный способ оптимизации структуры и свойств изделий из титановых сплавов 64
1.5.1 Взаимодействие титана и его сплавов с водородом 64
1.5.2 Основы термоводородной обработки титановых сплавов 67
1.6. Заключение по литературному обзору и постановка задачи исследования 74
Глава II. Объекты и методы исследования 76
2.1. Обоснование выбора материалов 76
2.2. Методы исследования 78
Глава III. Экспериментальные и теоретические исследования физико-механических свойств и механического поведения компонентов системы «ножка эндопротеза - Костный цемент - бедренная кость» при статических и функциональных нагрузках 80
3.1. Анализ конструкции ножки «ИМПЛАНТ-Ц» и технологии ее производства 80
3.2. Результаты статических испытаний ножки «ИМПЛАНТ-Ц» 87
3.3. Экспериментальное определение коэффициенюв трения пары костный цемент-металл с различной шероховатостью 92
3.4. Исследование механических и эксплуатационных свойств костных цементов 98
3.5. Математическое компьютерное моделирование механического поведения и напряженно-деформированного состояния системы «ножка эндопротеза - цементная мантия - бедренная кость» 106
Глава IV. Влияние технологических факторов на структуру и комплекс механических свойств ножек эндопротезов «ИМПЛАНТ-Ц» из титановой о сплава ВТ20Л 124
4.1. Влияние термоводородной обработки на структуру, технологические и механические свойства фасонных отливок из титанового сплава ВТ20Л 124
4.2. Влияние шероховатости поверхности на сопротивление усталости образцов из сплава ВТ20Л 137
4.3. Влияние термического воздействия на сопротивление усталости образцов из сплава ВТ20Л с различной шероховатостью поверхности 139
Глава V. Повышение надежности ножки бедренного компоненга эндопротеза «ИМПЛАНТ-Ц» путем оптимизации ее конструкции итехнологии производства 143
5.1. Разработка рекомендаций по оптимизации конструкции и технологии производства ножек «ИМПЛАНТ-Ц» 143
5.2. Оценка эффективности разработанных рекомендаций по оптимизации конструкции и технологии производства ножек «ИМПЛАНТ-Ц» 149
Выводы по работе 156
Список литературы 158
Приложение 167
- Физико-механические и биологические свойства костных структур и материалов, применяемых при эндопротезировании
- Темоводородная обработка как эффективный способ оптимизации структуры и свойств изделий из титановых сплавов
- Экспериментальное определение коэффициенюв трения пары костный цемент-металл с различной шероховатостью
- Влияние шероховатости поверхности на сопротивление усталости образцов из сплава ВТ20Л
Введение к работе
Актуальность проблемы
При создании надежных зндопроіезов для замещения пораженных элементов опорно-двигательного аппарата человека, в частности зндопроіезов крупных высоконагруженных суставов, возникает целый ряд материаловедческих, конструкторских, технологических и других проблем. Их рациональное решение возможно только в рамках научно-обоснованного подхода, учитывающего все аспекты функционирования эндопротеза в новой для организма биомеханической и биохимической системе. Компонентами этой системы являются как сам имплантат, так и взаимодействующие с ним живые сгруктуры организма (костные, связочные, мышечные), а также материалы, играющие роль механического связующего между элементами эндопротеза и костной тканью. Работоспособность такой системы зависит от уровня и распределения механических напряжений в ее компонентах, их структурного состояния, физико-механических и биологических свойств, геометрических параметров эндопротеза, условий взаимодействия компонентов на контактирующих поверхностях.
Несмотря на насыщенность рынка эндопротезов, в частности эндопротезов тазобедренного сустава, большое многообразие предлагаемых конструкций, далеко не все из них обеспечивают длительное и безопасное функционирование в организме, что обусловлено в основном неоптимальным выбором материалов и несовершенством технологии производства. Наряду с высокой стоимостью импортных эндопротезов, неразвитостью отечественного эндоиротезостроения, другими факторами, это создает значительные трудности в развитии данной отрасли здравоохранения.
В последние годы в инженерно-медицинском центре «МАТИ-Медтех» развиваются новые комплексные подходы к выбору материалов, проектированию конструкций, технологии производства и применения эндопротезов тазобедренного сустава. Важнейшими результатами реализации этих подходов являются:
--использование только титановых сплавов для металлических компонентов эндопротезов (в том числе компонентов, испытывающих значительные циклические и фрикционные наїрузки), что позволяет наиболее полно реализовать в изделии важнейшие преимущества титановых сплавов - наилучшую биологическую совместимость, сравнительно низкий модуль упруї ости, высокую удельную прочность и др.;
применение новых высокоэффективных технологий обработки, позволяющих управлять объемной и поверхностной структурой изделий и создавать необходимый комплекс физико-механических и функциональных свойств;
разработка и внедрение в производство конструкций эндопротезов тазобедренного сустава, не уступающих, а по некоторым важнейшим функциональным параметрам превосходящих зарубежные аналоги. Для дальнейшего развития этих подходов, расширения номенклатуры, повышения качества и надежности разрабатываемых эндопротезов необходимо исследовать ряд малоизученных аспектов биомеханики, параметров взаимодействия компонентов, влияния процессов изготовления и обрабоїки на структуру, технологические и эксплуатационные свойства изделий с целью оптимизации их конструкции и технологии производства, обеспечения высокой надежности и безопасности при значительно более низкой, по сравнению с зарубежными аналогами, стоимостью. Это определяет актуальность темы настоящей работы, выполненной в рамках Научной школы России, руководимой членом-корреспондентом РАН, профессором, д.т.н. А.А. Ильиным.
Целью диссертационной работы являлось исследование материаловедческих аспектов проектирования компонентов эндопротезов из титановых сплавов и оптимизация на этой основе конструкции и технологии производства ножек эндопротезов тазобедренного сустава.
Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:
установить особенности формирования напряженно-деформированного состояния ножки эндопротеза при статических испытаниях;
определить коэффициенты грения и напряжения сдвига пары костный цемент - поверхность ножки с различной шероховатостью;
исследовать ползучесть и релаксацию напряжений в костных цементов при статических нагрузках;
провести компьютерное моделирование механического поведения системы «бедренная кость - костный цемент - ножка эндопротеза» при функциональных нагрузках;
исследовать влияние термоводородной обработки на структуру, технологические и механические свойства литых фасонных заготовок ножек из титанового сплава ВТ20Л;
изучить влияние поверхностной механической и последующей термической обработок на сопротивление усталости сплава ВТ20Л; провести оптимизацию конструкции и технологии производства ножек эндопротезов цементной фиксации семейства «ИМПЛАНТ-Ц». Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Методом математического компьютерного моделирования установлены параметры биомеханического поведения компонентов системы «ножка эндопротеза - цементная мантия - бедренная кость». Подтверждена механическая совместимость ножек «ИМПЛАНТ-Ц». Установлены характер распределения и уровень максимальных механических нагрузок в компонентах системы. Определены параметры конструкции ножек, подлежащие оптимизации.
2. Экспериментально определены коэффициенты трения и напряжения сдвига пары «костный цемент - образец из сплава ВТ20» с различной шероховатостью поверхности. Полученные результаты позволяют повысить достоверность математическою моделирования биомеханики эндопротезов цементной фиксации и научно обосновать выбор конструктивных параметров ножек бедренных компонентов эндопротезов цементной фиксации.
3. Экспериментально установлены параметры ползучести и релаксации напряжений в костных цементах различной вязкости при статических нагрузках, близких к функциональным. Полученные математические выражения этих явлений позволяют учитывать их при моделировании биомеханики эндопротезов цементной фиксации.
4. Установлено что термоводородная обработка повышает предел выносливости образцов сплава ВТ20Л с исходной литой структурой на 60 - 80% вследствие преобразования крупнопластинчатой структуры сс-фазы в мелкодисперсную. Термическое воздействие - вакуумный отжиг, имитирующий термический цикл вакуумного ионно-плазменного азотирования, образцов с шероховатой поверхностью (Ra 1,3....Rz 60 мкм), формируемой абразивной обработкой, приводит к резкому снижению прогнозируемого предела выносливости в 2 - 2,5 раза по сравнению с термоводородной обработкой вследствие устранения поверхностного упрочнения и наличия поверхностных концентраторов напряжений.
Практическая значимость работы
Проведена оптимизация конструкции - геометрии шейки посадочного конуса, протяженности полированной дисталытой части ножки, параметра шероховатости и длины проксимальной части, радиуса ее сопрягающей дуги, а также технологии производства - последовательности и параметров технологических процессов обработки, позволившие повысить надежность ножек бедренного компонента эндопротеза тазобедренного сустава семейства «ИМПЛАНТ-Ц», которая обеспечивается отсутствием износа металла ножки, 3-х -4-х кратным запасом ее усталостной прочности, механической совместимостью, что подтверждено -математическим компьютерным моделированием, техническими и клиническими испытаниями.
Разработанные рекомендации использованы ЗАО «Имплант МТ» для усовершенствования конструкции и технологии производства эндопротезов тазобедренного сустава, что подтверждено соответствующим документом.
Физико-механические и биологические свойства костных структур и материалов, применяемых при эндопротезировании
Кость, как орган живого организма, состоит из нескольких тканей, основной из которых является косшая. В химический состав костной ткани взрослого человека входит: вода - 50%; жир - 16%; оссеин - 12% и неорганические вещества - 22%, представляющие собой соединение кальция и фосфора і идроксиапатит. Оссеин и гидроксиапатит тесно связаны между собой, что обуславливает такие важные физико-механические свойства нормальной кости как упругость и прочность [21].
Структурной единицей кости является остеон или гаверсова система, представляющая собой систему костных пластинок концентрически расположенных вокруг і аверсова канала, содержащего сосуды и нервы.
Из остеонов состоят более крупные элементы кости, видимые на распиле или рентгенограмме - балки или перекладины костного вещества (рис. 1.4). Из этих балок складывается костная ткань: если балки лежат плотно, то получается плотное компактное вещество - кортикальная кость. Если балки лежат разрозненно, образуя между собой костные ячейки наподобие губки, то получается губчатое вещество - спонгиозная кость.
Распределение компактного и губчатого вещества зависит от функциональных условий кости. Компактное вещество находится в тех костях и в тех их частях, которые выполняют преимущественно функцию опоры (стойки) и движения (рычаги), например диафизарная часть бедренной кости. В местах, где при большом объеме требуется сохранить достаточную упругость, прочность и легкость, образуется губчатое вещество, например проксимальная часть бедренной кости (головка и шейка). Балки губчатого вещества располагаются не беспорядочно, а закономерно, в соответствии с теми функциональными условиями, в которых находится кость или ее часть (рис. 1.4). Поскольку бедренная кость испытывает нагрузки ог веса тела и тяги мышц, то и костные балки располагаются по линиям сил сжатия и растяжения. В верхней части бедренной головки костные балки ориентированы таким образом, чтобы погасить (как амортизатор) и перераспределить нагрузку от веса тела на кортикальную стенку бедренной кости. На проксимальную часть бедра действует еще и группа ятдочных мышц, коюрые крепятся к большому вертелу. Их действие направлено вверх, начиная от внутренней кортикальной стенки бедра. Соответственно действию этих мышц сформирована вторая группа костых трабекул. Для улучшения действия каждой группы костных балок к ним подходят костные трабекулы третьей группы, которые связывают костные балки в единый силовой треугольник, гасящий нагрузки приходящиеся на проксимальную часть бедренной кости. Таким образом, структура костной ткани бедра в большей степени обусловлена напряженно-деформированным состоянием конструкции самой кости, адаптированной к функциональным нагрузкам. Каждому структурному состоянию костной ткани соответствует определенный уровень механических свойств [22-27]. Некоторые типичные значения механических свойств кортикальной и спонгиознои кости приведены в таблице 1.1 и на рис. 1.5-1.9. Проведенный выше анализ тазобедренного сустава - как универсальной кинематической пары, способной обеспечивать движение в условиях воздействия значительных знакопеременных нагрузок, показьіваеч, что наряду с особенностями его анатомического строения, функционирования и биомеханики решающую роль при передаче механического воздействия между сочленяющимися костными поверхностями оказывает суставной хрящ. Обеспечить высокую рабоюспособность хряща в экстремальных условиях и на протяжении длительного времени помогает синовиальная жидкость, выполняющая роль смазки. При нагрузках на тазобедренный сустав - в 3-4 раза превышающих вес тела на суставных поверхностях, покрытых гиалиновым хрящом, возникают высокие контактные давления, достигающие величины 60-70 кг/см2. Хрящ является уникальным амортизатором динамических наїрузок. Кроме того, он способствует равномерному распределению давления в суставе. Такие свойства хряща связаны с его строением. Хрящевая ткань имеет неоднородную по юлщине структуру: в поверхностном слое коллагеновые волокна располагаются параллельно поверхности хряща, а во внутренних - под некоторым углом к ней. В поверхностном слое волокна ориентированы в направлении преимущественных перемещений в суставе, они тоньше и упакованы плотнее, чем в более глубоких слоях хрящевого матрикса. Хрящ имеет анизотропию свойств вдоль каждой из трех основных осей: двух осей в горизонтальной плоскости, ориентированных вдоль и поперек волокон, и одной в вертикальной плоскости - по глубине хряща. Неоднородность строения хряща обусловливает выраженную зависимость ею вязкоупругих свойств от времени и величины силового воздействия, а так же различия в модулях упругости, полученных как при кратковременных, так и при длительно действующих нагрузках в условиях растяжения, сжатия и сдвига (табл. 1.2). К важнейшей функции хряща относится так же его способность обеспечивать движение в суставе с минимальными энергетическими затратами. Это достигается благодаря присутствию в суставе синовиальной жидкости. В здоровом естественном сусіаве крутящий момент в диапазоне изменения нагрузки от 600 до 3000 Н, что соответствует сіатической и динамической массе человека, изменяется от 0,12-0,6 до 0,6-3 Нм, а коэффициент трения находится в пределах 0,001-0,003. при эндопротезировании Биологические свойства Из всего многообразия существующих металлов и сплавов в медицине для имплантации в живой организм используется очень ограниченный круг сплавов. Это в первую очередь обусловлено тем, что имплантируемый материал должен обладать биологической совместимостью с живыми тканями. В настоящее время в мире наиболее широко используются три группы сплавов: нержавеющие стали аустенитного класса типа 316L, кобальтовые сплавы, титан и титановый сплав Ti-6AI-4V (Российский аналог сплав ВТ6). Химический состав сплавов представлен в таблице 1.3. Как было сказано ранее, биосовмесшмость материала оценивают по двум основным параметрам: коррозионной стойкости и токсичности. Коррозионную стойкость сталей и кобальтовых сплавов обеспечивает хром, образующий на поверхности пассивную оксидную пленку Сг203. Для нержавеющей стали необходимо низкое содержание углерода в сплаве, т.к. он, соединяясь с хромом, выделяется в виде карбидов при термической обработке в интервале температур 450-900С, уменьшая общее содержание хрома в сплаве и ухудшая коррозионные свойства [7].
Темоводородная обработка как эффективный способ оптимизации структуры и свойств изделий из титановых сплавов
Водород представляет собой уникальный элемент периодической системы, который достаточно легко и в больших количествах поглощается материалами на основе гидридообразующих элементов и так же легко удаляется из твердого раствора при термической обработке в вакууме [57-61]. При этом не происходит изменения агрегатною состояния материала. Это позволяет использовать его в качестве временного легирующего элемента в металлических материалах на определенной стадии производства полуфабрикатов и изделий [57-62].
В работе [55] на основе экспериментальных данных, с учетом предыдущих исследований описаны особенности взаимодействия титана и его сплавов с водородом. Водород образует твердые растворы внедрения в а- и Р-фазах титана и сплавов на его основе, причем наиболее вероятным местом расположения квазииона водорода в ГП - решетке а-фазы являются тетраэдрические междоузлия (поры) [63,64]. При этом его эффективный заряд близок к единице при нормальной температуре (Т„=297К) и уменьшается при ее увеличении. Изменения в электронном строении а-фазы, вызванные ионизацией атома водорода, приводят к уменьшению соотношения осей с/а ГП - решетки и ее термодинамической нестабильности [65,66]. Это и является причиной низкой растворимости водорода (гидридов) в а-фазе.
Растворенный в р-фазе водород также находится в тетраэдрических порах ОЦК - решетки в виде квазииона протона с эффективным зарядом близким к единице. Однако величина эффективного заряда квазииона водорода в Р-фазе уменьшается с повышением температуры в меньшей степени, чем в а-фазе [65]. Изменение, вызываемое ионизацией атомов водорода в электронном строении Р-фазы, приводит к увеличению ее термодинамической стабильности и, по-видимому, является основной причиной высокой растворимости водорода в р-фазе [65,66]. Однако начиная примерно с концентрации хн = 1,0 ат.% (0,02 масс.%) квазиионы водорода в ОЦК - решетке начинают взаимно отталкиваться [67]. Это приводит к уменьшению прочности межатомной связи, увеличению размеров элементарной ячейки р-фазы и в конечном итоге к ее дестабилизации по отношению к гидриду. В связи с этим водород хотя и растворяется в Р-фазе титана и сплава на его основе в достаточно больших количествах, может приводить к ее эвтектоидному распаду при низких температурах или выделению гидридов при высоких [55].
В основе термоводородной обработки лежит возможность управления механизмом и кинетикой существующих или индуцированных водородом новых фазовых и структурных превращений путем рационального выбора температурно-концентрационных условий воздействия на материал. Для успешной разработки технологических схем и режимов ТВО необходим анализ фазовых равновесий в системе сплав-водород.
Изучению диаграммы состояния титан - водород посвящено много работ [55,68-72]. Водород расширяет область р-фазы, сужает область сс-фазы и образует гидрид TiHx [72]. При непосредственном образовании из титана и молекулярного водорода гидрид имеет структуру б-фазы, представленную ГЦК - решеткой, период которой возрастает от 0,440нм при составе ТіН до 0,4454нм при составе ТіН 99-При температурах ниже 42С 8-гидрид испытывает фазовый переход второго рода -» є с температурным искажением его структуры [72]. Он образуется также при распаде пересыщенных относительно водорода Р-твердых растворов. Вместе с тем при распаде пересыщенных относительно водорода а-твердых растворов образуется другой гидрид - метастабильный гидрид у с тетрагонально искаженной ГЦК решеткой с соотношением осей с/а = 1,09-1,12 [73]. При температурах 335-300С происходит эвтектоидный распад Р-фазы на а- и у-фазы. у-фаза представляет собой твердый раствор на основе гидрида титана ТіН2. Растворимость водорода в а-фазе при нормальной температуре невелика (0,002-0,005 % по данным различных авторов). При эвтектоидной температуре она возрастает до 0,15-0,18% (по массе) [72,74,75].
Для установления фазовых равновесий в многокомпонентных системах требуется диффузионное перераспределение между фазами не только атомов водорода, но и атомов металлических компонентов. Последние имеют диффузионную подвижность на несколько порядков ниже, чем атомы водорода [61]. Поэтому построенные экспериментально диаграммы характеризуют лишь условно-равновесное состояние, достигаемое при определенных кинетических параметрах воздействия на систему [76-79]. В связи с этим такие диаграммы принято называть температурно-концентрационными [55].
Для сплава ВТ20 кривая концентрационной зависимости температуры Ас3н разделяет диаграмму на две области. Выше этой линии расположена область стабильности р-фазы, а ниже и левее - двухфазная область в которой в равновесии находятся сс-и Р-фазы. Сплав, содержащий от 0,45% до 0,63% водорода при нормальной температуре находится в трехфазном состоянии а+Р+у, а при Сн 0,63% - в двухфазном а+у.
Кроме информации о температурно-концентрационных границах фазовых областей необходимо знать химический состав находящихся в равновесии а- и Р-фаз. В работах [80-82] методом микрорентгеноспектрального анализа было определено содержание основных легирующих элементов в а- и р-фазах.
Установлено, что водород проявляя Р-стабилизирующее действие и увеличивая количество (З-фазы может изменять степень ее легирования основными компонентами. Увеличение содержания водорода в сплаве, а соответственно и в Р фазе, приводит к уменьшению концентрации Р-стабилизатора и увеличению концентрации а-стабилизатора. В предельном случае, когда водород при данной температуре полностью стабилизирует р-фазу, содержание основных компонентов отвечает их исходной концентрации в сплаве. Концентрация основных легирующих элементов в а-фазе практически не изменяется при дополнительном лег ировании водородом.
Экспериментальное определение коэффициенюв трения пары костный цемент-металл с различной шероховатостью
Для определения коэффициентов трения были использованы методы: поступательного движения образца по горизонтальной плоскости; вращательною скольжения торца цилиндрического образца по плоскости; испытания на вибротрибометре «Optimol SRV». Во всех методах подвижными компонентами пары трения были цилиндрические образцы из костної о цемента низкой вязкости «Lima СМТ-3». В качестве неподвижного компонента использовали образцы из листа из сплава ВТ20 толщиной 2 мм, размеры которых зависели от метода измерения. Рабочая поверхность этих образцов подвергалась механическому полированию, пескоструйной обработке корундом с зернистостью 380 и 1200 мкм, матированию стеклянными шариками размером 40-60 мкм для достижения различных параметров шероховатости. Для получения тех же параметров шероховатости цементных образцов их рабочую поверхность формировали путем отпечатка с поверхности металлических образцов при полутвердом (тестообразном) состоянии цемента. -Схемы испытаний приведены на рис. 3.5. При использовании метода скольжения по горизонтальной плоскости коэффициент трения (//) определяли по формуле: где N - вес образца с обоймой, Fmp - сила трения, равная весу груза, обеспечивающему установившееся (квазиравномерное) поступательное скольжение. Вес образца с обоймой обеспечивал нормальное к плоскости трения давление (нормальное напряжение) в 0,015 МПа. Для реализации схемы вращательного скольжения использовали испытательную машину «Zwick». Нормальную к поверхности трения нагрузку (N) измеряли с помощью штатного датчика силы, момент сопротивления вращению (Мкр) с помощью штатного датчика крутящего момента. Для определения коэффициента трения ц использовали выражение: сопротивления вращению, os - нормальное напряжение на поверхности трения, R = 5 мм радиус образца, г- текущее значение радиуса, а - угол вращения. Учитывая, что и интегрируя, получим: В качестве расчетного принимали среднее, установившееся в времени значение Мкр. Нагрузка JV обеспечивала нормальное к поверхности трения напряжение ох = 5 МПа. Частота вращения составляла 1 оборот в секунду. Типичная диаграмма крутящего момента приведена на рис. 3.6.
При испытаниях на вибротрибометре образец совершает возвратно-поступательные колебания частотой 5 Гц. Нормальная нагрузка, сила сопротивления скольжению (сила трения) и коэффициент трения измеряются и регистрируются автоматически. Выбранная величина нагрузки обеспечивала нормальное напряжение около 5 МПа. Результаты испьпаний приведены в таблице 3.2. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Коэффициенты трения заметно возрастают с повышением нормального напряжения. Это может быть связано с увеличением адгезионной составляющей силы трения при возрастании давления. Кроме того во втором и третьем способах температура в зоне трения по окончании эксперимента составляла 40 - 60С за счет более длительного, чем в первом методе, контакта компонентов и сравнительно низкой их теплопроводности, что приводит к накоплению в трущихся поверхностях большего количества тепла. Возможно, что такое повышение температуры цемента в свою очередь увеличивает адгезию поверхностей. Тепловой эффект при испытаниях на виброгрибометре несколько выше, чем при вращательном скольжении, за счет более высокой линейной скорости перемещения образца. В процессе испытаний на вибротрибометре и вращательным скольжением наблюдали частичное сглаживание поверхности цементных образцов, происходящее за счет разрушения (среза) микровыступов на начальном этапе эксперимента - страгивании и «притирке». Это явление хорошо иллюстрирует, например, пик крутящего момента на рис. 3.6. Возрастание среднего значения Мкр после 30 секунд вращения для данных параметров может объясняться повышением адгезионных свойств цемента при нагреве и накоплением частиц цемента во впадинах поверхности металла, что частично заменяет пару трения металл-цемент на пару цемент-цемент на отдельных микроплощадках.
Влияние шероховатости поверхности на сопротивление усталости образцов из сплава ВТ20Л
В соответствии с описанными в работе [55] механизмами растворения пластинчатой а-фазы кинетика преобразования структур первого типа (см. рис. 4.2 а) при насыщении водородом в одинаковых температурно-концентрационных условиях более интенсивна, чем для структур второго типа (см. рис. 4.26 и 4.3). Целью первого этапа ТВО - наводороживающеі о отжига, является полное растворение пластин первичной а-фазы и получение однофазной р-структуры во всем объеме отливок. В работах [54, 93] было показано, что наилучшая эффективность и оптимальная кинетика наводороживающего отжига достигаются при насыщении сплава ВТ20 водородом до концентрации 0,8% (по массе) при температуре 800С. Проведенные в данной работе исследования показали, что для достижения однородной и однофазной Р-структуры при гидрировании необходимо применять различные по длительности изотермические выдержки после поглощения заданного количества водорода. Для огливок 12-го типоразмера минимальная продолжительность такой выдержки должна составлять 30 минут, 14-го типоразмера - 60 минут, 16 типоразмера - 90 минут, 18 типоразмера - 120 минут. Применявшаяся ранее выдержка (90 минут для всех типоразмеров отливок) неоправданно увеличивала продолжительность наводороживающего отжига для отливок 12-го и 14-го типоразмеров и не обеспечивала завершенность р их -превращения и равномерность концентрации водорода в отливках 18-го типоразмера. Проведенные исследования показали также, что при использовании -иредлагаемых выдержек достигается аналогичное преобразование структуры и в проксимальных частях отливок.
Аналогичные исследования были проведены и для второго этапа ТВО -вакуумного отжига. Кроме формирования однофазной дисперсной (а+Р)-структуры вакуумный отжиг должен обеспечивать безопасную с точки зрения водородной хрупкости при эксплуатации концентрацию водорода ( 0,01%). Как было показано в работах [93, 54], оптимальное состояние микроструктуры -короткие а-пластины толщиной до 2 мкм с отсутствием их преимущественной ориентации в пределах р-зерна, частично или полностью фрагментированная а-оторочка по границам Р-зерна, достигается при трехступенчатом вакуумном отжиге отливок, предварительно наводороженных до концентрации 0,8% по массе, с температурами ступеней 500, 700 и 800С. При этом общая продолжительность вакуумного отжига составляет около 6 часов без учета времени нагрева и охлаждения. Такой режим вакуумного отжига обеспечивал достаточно высокие механические свойства [93]. Однако этот режим не учитывал массу и размеры отливок и общую массу обрабатываемой садки (количество отливок). Проведенные в данной работе эксперименты показали, что при использовании вакуумно-водородного оборудования с мощной вакуумной системой (см. гл. II) режимы вакуумного отжига могут быть оптимизированы по температурам и продолжительности ступеней без ухудшения структурного состояния отливок и комплекса механических свойств.
В результате проведенных исследований были разработаны режимы вакуумного отжига с температурами ступеней 700, 800 и 850С и продолжительностью, зависящей от типоразмера обрабатываемых заготовок. Так, для отливок 12-го типоразмера эти продолжительности составили 2,5; 1,5 и 1 час соответственно, для отливок 14-го типоразмера - 2,5; 2 и 1 час, 16-го типоразмера -3; 2 и 1 час, 18-го типоразмера - 3; 2 и 1,5 часа. При этом производительность системы откачки и объем вакуумной камеры используемого оборудования позволяют одновременно обрабатывать до 6 изделий в садке. Анализ микроструктуры отливок показал, что в результате ТВО по предложенным режимам в дистальной и проксимальной частях отливок всех типоразмеров формируется однородная структура с глобулярно-пластинчатой сс-фазой размерами 2-5 мкм, соответствующая требованиям стандарта ISO 5832-3 (рис. 4.4). Спектральный анализ концентрации водорода на поверхности и в сердцевине массивных частей отливок всех типоразмеров показал, что остаточное содержание водорода находится в интервале 0,006 - 0,009%, т.е. соответствует безопасному уровню.
Таким образом разработанные режимы наводороживающего и вакуумного отжигов позволили сократить суммарную продолжительность термоводородной обработки заготовок ножек 12-ю типоразмера на 2 часа, 14-го - на 1 час, при сохранении на том же уровне длительности ТВО заготовок ножек 16-го типоразмера и незначительном увеличении для 18-го типоразмера.
Как было показано в главе III, для обеспечения низкого коэффициента трения в паре с костным цементом и, соответственно, высокой износостойкости материала ножки и цементной мантии, дистальная часть ножек «ИМПЛАНТ-Ц» подвергается механической полировке до достижения регламентированного техническими условиями параметра шероховатости Ra 0,1 мкм. Чистовая токарная обработка, последующее шлифование на абразивной ленте и механическое полирование алмазными пастами дистальной части заготовок ножек, имеющих структуру литого материала или структуру после ГИП, являются достаточно длительными и трудоемкими технологическими операциями. Это связано с тем, что крупнопластинчатая структура сплава ВТ20Л обусловливает сравнительно низкую твердость и высокую вязкость разрушения. Сочетание этих свойств материала предполагает высокую долю пластической деформации в механизме «среза» выступов рельефа поверхности, разрушение и удаление поверхностных слоев достаточно большими микрообъемами, «наволакивание» металла на режущий инструмент, частицы абразива и саму поверхность.
