Введение к работе
Актуальность работы. В связи с быстрым развитием медицинской техники возникает необходимость создания новых инструментов, в том числе микрохирургических (для офтальмологии, нейрохирургии, сосудистой хирургии). Наиболее важным в создании таких инструментов является выбор материалов, которые бы значительно повышали их качество, надежность, срок службы и улучшали функциональные свойства. Применяемые в настоящее время для изготовления медицинского инструмента коррозионностойкие стали мартенситного класса 30Х13, 40Х13 и аустенитного класса 12Х18Н10Т не всегда удовлетворяют требованиям по обеспечению необходимых высоких прочностных свойств и коррозионной стойкости, а также не обладают достаточной технологичностью для получения проволоки тонких и тончайших сечений.
Таким образом, проблемы в области разработки и изготовлении металлических материалов для медицинских целей продолжают оставаться актуальными до настоящего времени. Это свидетельствует о безусловной важности проведения исследований по разработке новых сталей и сплавов для того или иного вида медицинского инструмента и разработке теоретических и технологических основ их получения.
С учетом специфики функциональных свойств стержневого медицинского инструмента необходимо разрабатывать стали, отвечающие следующим требованиям:
- высокой коррозионной стойкости в условиях эксплуатации и хранения;
- высокой прочности (s0,2 1800МПа), обеспечивающей надежную работоспособность медицинского инструмента;
- повышенной технологичности, необходимой для производства холоднодеформированной проволоки тонких и наитончайших сечений;
- повышенной теплостойкости для сохранения уровня механических свойств после необходимых или вынужденных нагревов;
- стабильности упругих свойств после тепловых обработок.
В связи с вышеизложенным актуальной задачей является разработка новых высокопрочных коррозионностойких материалов для стержневого и лезвийного мединструмента, а также упругих элементов ответственного назначения, выгодно отличающихся большей прочностью, лучшей теплостойкостью и технологичностью, а также высоким сопротивлением коррозии.
Формирование высокопрочного состояния в сталях достигается за счет выбора соответствующих принципов легирования и получения нужного структурного класса материала, а также сочетания и использования различных механизмов упрочнения: твердорастворного упрочнения, деформационного упрочнения в матричных фазах без фазовых переходов, деформационного упрочнения за счет протекания ga превращения, а также дисперсионного упрочнения с выделением интерметаллидных фаз. Предполагалось разработать новый класс высокопрочных коррозионностойких сталей, в котором успешно могли бы быть реализованы все возможные механизмы упрочнения, необходимые для обеспечения высокого комплекса требуемых свойств на проволоке, предназначенной для изготовления мединструмента.
Цели и задачи работы. Целью работы являлась разработка научных основ создания новых коррозионностойких алюминийсодержащих сталей, способов их упрочнения и технологических режимов получения высокопрочной проволоки, предназначенной для изготовления упругих элементов и медицинского инструмента, обладающих высокой прочностью, коррозионной стойкостью, теплостойкостью и повышенной технологичностью.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка принципов легирования и составов принципиально новых сталей для мединструмента, сочетающих высокую прочность, коррозионную стойкость, упругость и теплостойкость.
2. Определение закономерностей изменения структуры на микро- и субмикроскопическом уровне сталей разных структурных классов после различных термических и деформационных обработок.
3. Выявление закономерностей формирования комплекса физико-механических свойств сталей разных структурных классов после различных режимов термического и силового воздействия.
4. Установление особенностей формирования структуры и свойств алюминийсодержащих коррозионностойких сталей при лазерном воздействии в поверхностном слое.
5. Разработка технологических режимов получения коррозионностойкой высокопрочной проволоки тончайших сечений промышленных и полупромышленных партий.
Научная новизна работы.
1. В работе впервые в результате комплексных экспериментальных исследований, включающих методы электронно-микроскопического, рентгенофазового и рентгеноструктурного исследований, сформулированы основные закономерности формирования физико-механических и функциональных свойств новых практически безуглеродистых коррозионностойких алюминийсодержащих сталей различных структурных классов в зависимости от легирования, степени деформационной нестабильности аустенита и режимов последующих деформационно-термических обработок.
2. Установлено, что во всех алюминийсодержащих сталях образование аустенита происходит непосредственно из -феррита, т.е. -феррит является первичной фазой, аустенит вторичной.
3. Показано, что аустенит во всех алюминийсодержащих сталях является метастабильным и при больших степенях деформации может практически полностью превращаться в мартенсит деформации.
4. Показано, что после высоких суммарных степеней обжатия в исследуемой метастабильной алюминийсодержащей аустенитной стали формируется нанокристаллическая структура, обеспечивающая получение высокопрочного состояния.
5. Показано, что в аустенитной и аустенитно-ферритных сталях для формирования высокопрочного состояния реализуются практически все возможные механизмы упрочнения (твердорастворное упрочнение матрицы ГЦК или смешанной, механизм деформационного упрочнения за счет полиморфных e или e превращений, протекающих по бездиффузионному механизму, механизм деформационного упрочнения гетерофазной структуры за счет «наследования» дефектов аустенита высокодисперсными кристаллами мартенсита и распад пересыщенного твердого раствора).
6. Впервые обнаружена аномально высокая твердость -феррита в аустенитных, аустенитно-ферритных и ферритных алюминийсодержащих сталях, которая обусловлена выделением в -феррите интерметаллидной фазы типа NiAl.
7. Изучено структурообразование при лазерной обработке с оплавлением аустенитной и аустенитно-ферритной сталей и показано, что в зоне термического влияния на поверхности образуется однофазный слой -феррита с дальнейшим переходом в смешанную аустенитно-ферритную или аустенитную структуру.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечиваются:
использованием комплекса современных методов исследования структуры (металлографии с компьютерным анализом изображения, электронной микроскопии, рентгенографии при комнатной и повышенных температурах, микрорентгеноспектрального анализа);
согласованностью результатов лабораторного и промышленных экспериментов;
большим объемом экспериментальных данных с их статистико-вероятностной обработкой и воспроизводимостью результатов экспериментов;
успешной реализацией разработанных методов в технологии получения высокопрочных материалов.
Практическая значимость работы.
Получены патенты на исследуемые стали: аустенитная (патент РФ № 2252977 с приоритетом от 27.05.2005), аустенитно-ферритная (патент РФ № 2116373 с приоритетом от 17.07.1998), ферритная (патент РФ № 2323998 с приоритетом от 06.09.2006);
Разработаны технологии получения высокопрочной проволоки всех типоразмеров, в том числе и тончайшей, сталей различных структурных классов. Данные разработки позволяют существенно сократить число технологических переделов, повысить служебные характеристики упругих элементов, работающих в широком интервале температур, и качество стержневого медицинского инструмента для микрохирургии. Полученный из исследуемых сталей мединструмент позволит избавиться от импортных поставок и перейти на более дешевый отечественный продукт, имеющий не только меньшую стоимость, но и более высокие технологические и функциональные свойства.
Изготовлена проволока и различный медицинский стержневой инструмент, проведены промышленные и клинические испытания, которые показали высокий уровень физико-механических свойств и коррозионной стойкости медицинского инструмента из сталей 03Х13Н8М2Т, 03Х14Н11К5М2ЮТ, 03Х14Н10К5М2Ю2Т по сравнению с мединструментом из сталей 40Х13, 12Х18Н10Т.
Экспериментальное исследование и промышленное освоение этих сталей для производства медицинского инструмента было выполнено Уральским государственным техническим университетом – УПИ и Казанским НПО «Мединструмент» совместно с Белорецким металлургическим комбинатом. При участии автора внедрена в производство хирургических игл (НПО «Мединструмент», ПТО «Медтехника» г. Казань) мартенситностареющая сталь ЗИ 90-ВИ (авторское свидетельство № 850726, БИ № 28, 1982 г.). В настоящее время мартенситностареющая сталь ЗИ90-ВИ успешно применяется на многочисленных предприятиях РФ для изготовления стержневого медицинского инструмента.
Прошла промышленное опробование экономнолегированная мартенситностареющая сталь 03Х13Н8М2Т, которая включена в ТУ на производство игольной проволоки.
В связи с тем, что функциональные свойства стержневого медицинского инструмента крайне разнообразны, необходимо для различных видов мединструмента применять стали различных структурных классов. Прошли успешные испытания аустенитные и аустенитно-ферритные стали для производства хирургических игл различного назначения.
Кроме указанных выше примеров, имеется положительный опыт использования данных сталей и для других изделий – экстрактора Пашковского, зубных боров, скоб для зубных протезов, каналорасширителей-напильников, ортодонтического стомотологического инструмента.
На защиту выносятся:
Принципы легирования и составы принципиально новых сталей для мединструмента, сочетающих высокую прочность, коррозионную стойкость, упругость и теплостойкость.
Выявленные закономерности изменения структуры на микро- и субмикроскопическом уровне сталей разных структурных классов после различных термических и деформационных обработок.
Установленные закономерности формирования комплекса физико-механических свойств сталей разных структурных классов после различных режимов термического и силового воздействия.
Особенности формирования структуры и свойств алюминийсодержащих коррозионностойких сталей при лазерном воздействии в поверхностном слое.
Разработанные технологические режимы получения коррозионностойкой высокопрочной проволоки тончайших сечений промышленных и полупромышленных партий.
Работа выполнялась на кафедре металловедения ГОУ ВПО УГТУ-УПИ в рамках госбюджетной НИР № 2148 «Теоретические основы моделирования фазовых превращений, принципов легирования и упрочняющих технологий сталей и сплавов для машиностроения и медицины»; по ГРАНТУ РФФИ-Урал № 2194 «Фундаментальные основы решения проблемы получения нового поколения высокопрочных коррозионностойких сплавов для стержневого медицинского инструмента, в том числе с градиентным распределением фазового состава по сечению»; в рамках Федеральной Целевой Программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме госконтракта от 23 апреля 2007 г. №02.513.11.3197 «Разработка, получение и комплексное исследование высокопрочных конструкционных и функциональных металлических сплавов с нанофазным или наноструктурным упрочненим». Автор являлся ответственным исполнителем большинства тем.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты настоящей работы докладывались на международных научно-технических конференциях:
«Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий», Запорожье, 1995; «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних воздействий», Новокузнецк, 1995; «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах», Тула, 1997, 2001; «Новые материалы и технологии в машиностроении», Тюмень, 2000; «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», Тюмень, 2005; «Нанотехнологии и физика функциональных нанокристаллических материалов», Екатеринбург, 2005; «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Москва, 2005; «Туполевские чтения», Казань, 2006; «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2006.
На собраниях металловедов России: 2-ом собрании, Пенза, 1994; 3-ем собрании, Рязань, 1996; 4-ом собрании, Пенза, 1998.
На Всесоюзных научно-технических конференциях: 4 Всесоюзная научно-техническая конференция, Москва, 1975; «Термическая и термомеханическая обработка стали – важнейший резерв экономии металлов», Днепропетровск, 1981.
На Всероссийских научно-технических конференциях:
«Демпфирующие материалы» Киров, 1974, 1979, 1999; «Структура и свойства аустенитных сталей», Екатеринбург, 2001.
На Евразийских научно-технических конференциях: Москва, ПРОСТ, 2004, 2006.
На VII…Х; ХIV…ХIХ Уральских школах металловедов-термистов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 печатные работы, получено авторское свидетельство и 4 патента на изобретение.
Личный вклад диссертанта состоит в постановке задач исследования, научно обоснованном выборе, выплавке и отработке составов, исследовательских методик и путей решения, в получении результатов, изложенных в диссертации, интерпретации и обсуждении полученных экспериментальных данных, формировании основных положений и выводов. Все лабораторные и промышленные исследования, а также их трактовка выполнены при непосредственном участии автора. Организация промышленного внедрения в технологию изготовления игольной проволоки для мединструмента проводилась в равной степени с соавторами.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, выводов по каждой главе и заключения по диссертации. Диссертация изложена на 270 страницах машинописного текста, включающего 15 таблиц и 140 рисунков. В списке литературы приведено 232 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
