КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ СО СТРУКТУРОЙ АЗОТИСТОГО МАРТЕНСИТА ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ
CORROSION RESISTANT ECONOMICALLY ALLOYED STEEL WITH STRUCTURE OF NITROUS MARTENSITE FOR MEDICAL TOOLS

Изобретение относится к области металлургии сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для изготовления медицинского инструмента.
Известна сталь мартенситного класса 02Х13А(0,07) для медицинского инструмента, содержащая 0,02% углерода, 0,07% азота, 12,8% хрома, до 0,5% марганца, железо и неизбежные примеси - остальное [1]. Из-за низкого содержания аустенитообразующих элементов - углерода и азота - при закалке от 1050°С в стали образуется до 38% δ-феррита, который при отпуске в интервале температур 200-500°С распадается с выделением карбидов хрома, снижающих твердость и коррозионную стойкость.
Известна сталь 03Х13А(0,14), содержащая 0,03% углерода, 0,14% азота, 12,6% хрома и до 0,5% марганца, железо и неизбежные примеси - остальное [1], которая из-за низкого содержания углерода имеет низкую твердость HRC=40-43 [1].
Наиболее близкой к изобретению по назначению, составу и потребительским свойствам является сталь 30Х13, предназначенная для изготовления медицинского хирургического инструмента. Сталь 30Х13, содержащая 0,26-0,35% углерода, 12,0-14,0% хрома, до 0,8% марганца, до 0,8% кремния, железо и неизбежные примеси - остальное [2], принята нами за прототип.
Основным недостатком этой стали является недостаточная твердость (HRC≤50 [2]) и коррозионная стойкость для ряда медицинских хирургических инструментов при кратковременном контакте с человеческим организмом в ходе операций, а также в процессе стерилизационной обработки инструментов.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение коррозионно-стойкой экономнолегированной стали со структурой азотистого мартенсита для медицинских инструментов, имеющей более высокие уровни твердости и коррозионной стойкости.
Для достижения технического результата в сталь, содержащую углерод, хром, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси введен азот, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,2-0,3
хром
13-15
марганец
0,2-0,5
кремний
0,1-0,45
азот
0,08-0,15
железо и неизбежные примеси
остальное.
При этом должны выполняться следующие условия:
ф
а) Эквивалент ферритообразования Е≤6;
ф
где Е=%Cr+2% Si-0,75% Mn-27(%C+%N) [3].
б) C+N=0,35-0,40.
Выполнение условия (а) обеспечивает предотвращение образования δ-феррита и продуктов его распада в структуре стали, снижающих твердость.
Выполнение условия (б) необходимо для достижения высокой твердости стали, обеспечиваемой за счет упрочнения мартенсита.
23
6
Введение 0,08-0,15% азота в сталь, содержащую 13-15% Cr и 0,2-0,3% С увеличивает коррозионную стойкость стали согласно формуле индекса питтингостойкости: PRE=%Cr+20%N [4] и повышает твердость стали. При содержании азота менее 0,08% его влияние на коррозионную стойкость и упрочнение становится незначительным. Верхний предел содержания азота (0,15%) определяется его растворимостью в расплаве стали с 13-15% Cr. При наличии в предлагаемой стали 0,08-0,15% N возможно после закалки от 1050°С и отпуска при 450-500°С в течение 2 часов дополнительно повысить твердость стали за счет выделения карбонитридов хрома, которые по сравнению с карбидами CrC в аналогичной стали без азота более дисперсны и равномерно распределены по объему зерен [5].
Введение в сталь 13-15% хрома необходимо для обеспечения повышенного сопротивления питгинговой коррозии (PRE=14,6÷18,0) и растворимости 0,15% N. При содержании хрома менее 13% коррозионная стойкость стали недостаточна и невозможно получение при выплавке стали 0,15% N. При содержании хрома более 15% для данного химического состава затруднительно получение стали без δ-феррита, отрицательно влияющего на механические свойства.
Наличие в стали, содержащей 13-15% Cr и 0,08-0,85% N, 0,2-0,3%C необходимо для повышения твердости HRC>50. При содержании углерода менее 0,2% сталь имеет твердость HRC<50, а при концентрации углерода более 0,3% снижается коррозионная стойкость.
Предлагаемую сталь выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 40 кг. При температуре 1100-900°С металл ковали на прутки сечением 15×15 мм и длиной 500 мм. Прутки закаливали от 1050°С в масло, подвергали обработке холодом при температуре минус 70°С в течение 1 часа с последующим отпуском при 160°С.
Твердость по шкале HRC определяли с помощью автоматизированной системы «METALTEST-Pro» (Германия).
ПО
Для оценки стойкости к питтинговой коррозии снимали анодные поляризационные кривые в растворе 3,5% NaCl. По этим кривым определяли потенциал питтингообразования Е.
Результаты химического анализа предлагаемой стали и прототипа, а также результаты испытаний приведены в табл.1 и 2.
Таблица 1
Химический состав стали
Сталь
№ плавки
Содержание элементов, мас.%
Соотношение
С
N
Cr
Mn
Si
S
P
Fe
а
б
Прототип
0,33
-
12,6
0,35
0,24
0,006
0,010
остальное
-
-
Предла-гаемая
1
0,20
0,15
13,0
0,50
0,45
0,005
0,006
остальное
4,08
0,35
2
0,25
0,11
14,9
0,33
0,28
0,006
0,014
остальное
5,49
0,36
3
0,30
0,08
15,0
0,20
0,10
0,005
0,006
остальное
4,79
0,38
Таблица 2
Механические свойства и коррозионная стойкость стали
Сталь
№ плавки
Обработка
Твердость HRC
Коррозионная стойкость
Индекс питтингостойкости (PRE)
Потенциал питтингообразования Е<sub>ПО</sub>, В (н.в.э.)*
Прототип
-
Закалка от 1050°С в масло + отпуск при 160°С
48-50
12,6
0,31
Предлагае-мая
1
Закалка от 1050°С в масло + обработка холодом при минус 70°С + отпуск при 160°С
52-54
18,0
0,53
2
Закалка от 1050°С в масло + обработка холодом при минус 70°С + отпуск при 160°С
55-56
17,1
0,50
3
Закалка от 1050°С в масло + обработка холодом при минус 70°С + отпуск при 160°С
52-54
16,6
0,47
* в 3,5% NaCl
Как следует из таблиц 1 и 2, сталь предложенного состава (№1-3) обладает более высокими характеристиками твердости и коррозионной стойкости по сравнению со сталью, принятой нами за прототип. Более высокие характеристики твердости и коррозионной стойкости обеспечивают долговечность материала медицинских хирургических инструментов.
Литература
1. А.В.Макаров, Л.Г.Коршунов, В.М.Счастливцев, Н.Л.Черненко, Ю.И.Филиппов. Структура, трибологичеекие и механические свойства азотсодержащих высокохромистых сталей с мартенситной основой // ФММ, 2003, т.96, №3. С.101-112.
2. В.Г.Сорокин, М.А.Гервасьев. Стали и сплавы. Марочник. М.: ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ, 2001. - 608 с.
3. М.И.Гольдштейн, С.В.Грачев, Ю.Г.Векслер. Специальные стали. М.: МИСиС, 1999. - 269 с.
4. Berns Hans. Martensitic high-nitrogen steels // Steel research, 1992, vol.63, №8. P.343-347.
5. В.М.Блинов, О.А.Банных, М.В.Костина, И.А.Афанасьев, С.Я.Бецофен, М.С.Ходыев. Влияние термической обработки на структуру и свойства азотсодержащей аустенито-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ // Металлы, 2004, №6. С.73-84.