Понятие о термической обработке

Инструменты, перечисленные в табл. 1, изготовлены из инстру­ментальных углеродистых сталей. Они имеют значительно боль­шую твердость и прочность по сравнению с теми же характери­стиками в так называемой сырой стали, поставляемой чаще всего в виде проката — прутков круглого, шестигранного или квадрат­ного профиля (сечения). Повышение твердости и прочности стали в изделиях связано с термической обработкой, заключающейся в нагреве стали до определенной температуры и охлаждении с оп­ределенной скоростью. Но это только внешняя сторона процесса. При нагреве стали и охлаждения в ней происходят структурные изменения, в результате которых сильно меняются ее механиче­ские свойства. Эти структурные превращения детально изучены для всех составов сталей, что позволяет получать нужные их свойства. Термическая обработка и ее режимы основаны на дан­ных металловедения.

Железо, являющееся основой стали, имеет две модификации: α и γ. Альфа-железо — обычно магнитное, хорошо известное всем железо, существующее при нормальной температуре. Гамма-же­лезо — немагнитная модификация, в которую альфа-железо пере­ходит при температуре 768°С. Углерод в стали находится в виде соединения Fe₃O, называемого цементитом. Он придает стали твердость и хрупкость. Однако растворимость углерода (цемен­тита) в альфа-железе ограничена и составляет всего 0,006%, тогда как в гамма-железе цементит растворяется более чем на 0,6%, т. е. в 100 раз больше. Раствор углерода в альфа-железе называют ферритом. При нормальной температуре он пред­ставляет собой почти чистое мягкое железо. Состояние раствора углерода в гамма-железе, называемое аустенитом, при охлаж­дении ниже температуры превращения γ-фазы в α-фазу зависит от скорости охлаждения. При медленном охлаждении формируют­ся пластинки цементита, которые выпадают из раствора и одно­родный аустенит превращается в смесь феррита и цементита. При быстром охлаждении (более 150—200 °С в секунду) успевает за­вершиться только переход гамма-железа в альфа-железо и угле­род остается в виде твердого раствора в альфа-железе. Такая структура получила название мартенсита. Это структура твердой, прочной, однородной стали. Она получается быстрым охлаж­дением, т.е. закалкой.

Медленное охлаждение, при котором заканчивается выделение цементита из твердого раствора, в результате чего структура ста­ли состоит из смеси цементита с ферритом и сталь становится мягкой, называется отжигом. Охлаждение при закалке обычно осуществляется в воде или минеральном масле, а при отжиге— вместе с печью. Процесс охлаждения стали на воздухе называет­ся нормализацией. Твердость и прочность стали после нор­мализации выше, чем после отжига.

Нержавеющие стали. Углеродистые стали склонны к коррозии (ржавлению), поэтому медицинские изделия из них покрывают слоем никеля или хрома, используя гальванический способ. В по­следние годы подавляющее большинство медицинских инструмен­тов изготовляют из легированных, нержавеющих сталей.

Нержавеющие стали выпускают двух классов: закаливаемые, или стали мартенситового класса, и незакаливаемые, или стали аустенитового класса. Стали, принимающие закалку, — хромистые (среднее содержание хрома 13%) марок 20Х13, 30Х13 и 40Х13. В обозначении марки первая цифра означает среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента, а последние две циф­ры — содержание хрома в процентах. Чтобы изделия из этих ма­рок стали не корродировали, необходимо соблюдение двух усло­вий: изделие должно быть закалено и хорошо отполировано. При закалке получают однородную структуру стали, причем твердость ей придают карбиды хрома, наряду с цементитом стали. Области применения этих сталей приведены в табл. 2.

Таблица 2. Применение в медицинской технике нержавеющих сталей

В производстве медицинских инструментов применяют и другие легированные стали: сталь 9Х18 (0,9% углерода и 18% хрома) — Для изготовления режущих инструментов в нейрохирургии и оф­тальмологии; сталь ЭИ-515 (помимо 1% углерода и 13% хрома содержит 1,6% молибдена) — для изготовления скальпелей, сталь ХВ4 (4% вольфрама) —для изготовления зубных боров. Эти ста­ли — закаливаемые, причем помимо карбида железа, твердость инструментов здесь обеспечивается за счет карбидов хрома и вольфрама.

Нержавеющие стали аустенитового класса — хромоникелевые стали, которые содержат 18% хрома и 9—10% никеля, а иногда титан (1%). Никель способствует тому, что сталь при нормаль­ной температуре.имеет структуру аустенита (однородную), что и делает сталь нержавеющей. Для производства медицинских из­делий применяют марки сталей с содержанием углерода 0,08— 0,2%: 08Х18Н9, 12Х18Н10 и 17Х18Н10Т. Из хромоникелевых ста­лей изготовляют камеры стерилизаторов, корпуса дезинфекцион­ных кипятильников, зубные коронки и ряд других изделий, полу­чаемых методом штамповки и вытяжки. Эти стали хорошо полиру­ются. Листами из этой стали облицовывают панели операционных столов и т. п. Наиболее широкое применение нашла сталь марки 12Х18Н9Т.

Для производства некоторых видов медицинских игл, а также чувствительных элементов приборов начали применять сплав, об­ладающий абсолютной коррозионной устойчивостью, высокой проч­ностью и износостойкостью, марки 36НХТЮ. Он содержит 36% никеля, 11,5—13% хрома, около 3% титана, по 1% алюминия и марганца; железа в сплаве меньше половины, поэтому он относит­ся к категории прецезионных сплавов (ГОСТ 10994—74).

Твердые сплавы. В последние годы ряд медицинских инструмен­тов изготовляют с применением твердых сплавов. Твердость их далеко превосходит твердость любых инструментальных сталей и близка к твердости алмаза. Твердые сплавы применяют для из­готовления зубных боров и режущих инструментов. Чаще всего применяют сплав марки ВК6, содержащий 6% вольфрама и ко­бальт, который связывает карбиды вольфрама.

Чугуны — сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2%. Для медицинского оборудования применяют чугуны с содержанием углерода 2,6—2,9%.

Для отливок оснований стволов, кресел, крестовин, стоек и т.п. применяют серые чугуны марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и СЧ28—40. Первая двузначная цифра в наименовании означает предел прочности при растяжении (кгс/мм²), а вторая—при из­гибе. Прочность чугуна зависит в основном от содержания крем­ния. Чугун в 5 раз дешевле бронзы, что очень важно. Вследствие невысокой стоимости, хороших литейных качеств, дающих возмож­ность отливать детали самой сложной формы и высокой износо­устойчивости, чугун находит широкое применение при изготовлении изделий медицинской техники. Однако детали из чугуна (ры­чаги, рукоятки) плохо переносят ударные нагрузки, поэтому для их изготовления применяют так называемый ковкий чугун, имеющий значительное сопротивление на разрыв (до 37 кгс/мм²).

Дата добавления: 2015-04-30