PL214534B1 - Method of manufacturing nickel-free austenitic stainless steels with nanostructure - Google Patents
Method of manufacturing nickel-free austenitic stainless steels with nanostructureInfo
- Publication number
- PL214534B1 PL214534B1 PL387724A PL38772409A PL214534B1 PL 214534 B1 PL214534 B1 PL 214534B1 PL 387724 A PL387724 A PL 387724A PL 38772409 A PL38772409 A PL 38772409A PL 214534 B1 PL214534 B1 PL 214534B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- weight
- stainless steels
- nanostructure
- austenitic stainless
- nickel
- Prior art date
Links
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 title claims description 19
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 20
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 15
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 15
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 13
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 9
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 2
- 239000013589 supplement Substances 0.000 claims description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 16
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 16
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 15
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 2
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910010380 TiNi Inorganic materials 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007815 allergy Effects 0.000 description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 2
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 2
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001199 N alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- VEQPNABPJHWNSG-UHFFFAOYSA-N Nickel(2+) Chemical compound [Ni+2] VEQPNABPJHWNSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000002009 allergenic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 1
- 230000003833 cell viability Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 chlorine ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 description 1
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013080 microcrystalline material Substances 0.000 description 1
- 229910001453 nickel ion Inorganic materials 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Description
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą, mających zastosowanie do produkcji implantów.The subject of the invention is a method of producing nickel-free austenitic stainless steels with nanostructure, applicable to the production of implants.
Stale nierdzewne są niezwykle ważnymi materiałami zarówno ze względów ekonomicznych jak i technologicznych. Do dnia dzisiejszego istnieje ponad 200 różnych stopów, które należą do rodziny stali nierdzewnych. Ostatnimi czasy zainteresowanie tymi materiałami przeniosło się na zastosowania w medycynie. Jednakże aplikacje takie wiążą się z opracowaniem stali nierdzewnych charakteryzujących się możliwie najwyższą odpornością korozyjną oraz tak dobranym składem chemicznym, by jak najmniejszą jego część stanowiły pierwiastki powodujące alergie, raka i wywołujące inne niepożądane objawy (np. nikiel). Bezniklowe austenityczne stale nierdzewne są jednymi z obiecujących materiałów spełniających te surowe kryteria.Stainless steels are extremely important materials both for economic and technological reasons. To date, there are over 200 different alloys that belong to the family of stainless steels. Recently, the interest in these materials has shifted to medical applications. However, such applications are associated with the development of stainless steels with the highest possible corrosion resistance and a chemical composition selected in such a way that the least part of it are elements causing allergies, cancer and other undesirable symptoms (e.g. nickel). Nickel-free austenitic stainless steels are among the promising materials that meet these stringent criteria.
Produkowane obecnie implanty wykonane ze stali nierdzewnej 316L, mimo stosunkowo wysokiej odporności korozyjnej, korodują w środowisku tkankowym, uwalniając do organizmu jony niklu, który przyczynia się do powstawania alergii i nowotworów. Nikiel, będący pierwiastkiem austenitotwórczym, należy zatem zastąpić innym pierwiastkiem o podobnych właściwościach. Jednym z nich jest azot, który stabilizuje austenit, a także przyczynia się do zwiększenia odporności korozyjnej stali. Dotychczas stosowane bezniklowe stale nierdzewne poprzez duże umocnienie i niskie przewodnictwo cieplne są trudne w precyzyjnej obróbce mechanicznej.The currently produced implants made of 316L stainless steel, despite their relatively high corrosion resistance, corrode in the tissue environment, releasing nickel ions into the body, which contributes to the development of allergies and cancer. Nickel, which is an austenite-forming element, should therefore be replaced by another element with similar properties. One of them is nitrogen, which stabilizes the austenite and also contributes to increasing the corrosion resistance of steel. The so far used nickel-free stainless steels, due to their high strengthening and low thermal conductivity, are difficult in precise machining.
Nanotechnologia wykorzystuje dwa sposoby generowania obiektów w skali nanometrycznej. Pierwszym z nich jest modelowanie nanostruktur z kolejno dodawanych atomów lub cząsteczek - są to tzw. metody nanowytwarzania „z dołu do góry” drugi to redukcja rozmiarów jednostek struktury do wielkości nanometrycznej - metody „z góry na dół”. W przypadku syntezy materiałów do zastosowań technicznych częściej wykorzystuje się drugi model nanowytwarzania. Do tej grupy zaliczany jest proces mechanicznej syntezy (ang. mechanical alloying), który został omówiony w: Jurczyk M., Mechaniczna synteza. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 2003. Proces ten polega na generowaniu dużej liczby defektów struktury krystalicznej w materiałach mikrokrystalicznych, czego konsekwencją jest znaczne odkształcenie plastyczne materiału i utrata stabilności jego struktury. W efekcie dochodzi do silnego rozdrobnienia mikrostruktury i mechanicznie indukowanej reakcji pomiędzy wyjściowymi składnikami stopu (proszkami wysokiej czystości), co może prowadzić do zmiany składu chemicznego materiału. Duże odchylenie od stanu równowagi rzędu 30 kJ/mol, które ma miejsce podczas procesu MA, pozwala na wytworzenie materiałów niekonwencjonalnych, takich jak silnie przesycone roztwory stałe, stopy amorficzne, stopy metali znacznie różniących się temperaturami topnienia czy też fazy metastabilne. Produkty mechanicznej syntezy są niemożliwe do otrzymania sposobami tradycyjnymi, dla których różnica energii względem stanu równowagi jest niewielka. Mechaniczna synteza jest procesem przebiegającym w wysokoenergetycznych młynach, w których mielone są składniki wyjściowe stopu mające postać proszków o dużej czystości. Zmianę zarówno składu chemicznego jak i mikrostruktury warunkują równolegle przebiegające procesy kruszenia i stapiania.Nanotechnology uses two ways to generate objects on a nanometric scale. The first one is modeling nanostructures from successively added atoms or molecules - these are the so-called bottom-up nanofabrication methods the second is the reduction of structure units to nanometric sizes - top-down methods. In the case of the synthesis of materials for technical applications, the second nano-fabrication model is more often used. This group includes the process of mechanical alloying, which was discussed in: Jurczyk M., Mechanical synthesis. Publishing house of the Poznań University of Technology. Poznań 2003. This process consists in generating a large number of defects in the crystal structure in microcrystalline materials, which results in significant plastic deformation of the material and loss of its structure stability. As a result, there is a strong fragmentation of the microstructure and a mechanically induced reaction between the starting components of the alloy (high purity powders), which may lead to a change in the chemical composition of the material. A large deviation from the equilibrium state of the order of 30 kJ / mol, which takes place during the MA process, allows the production of unconventional materials, such as highly supersaturated solid solutions, amorphous alloys, metal alloys with significantly different melting points or metastable phases. The products of mechanical synthesis are impossible to obtain by traditional methods for which the difference in energy from the equilibrium state is small. Mechanical synthesis is a process taking place in high-energy mills, in which the starting components of the alloy are ground in the form of high purity powders. The change in both the chemical composition and the microstructure is conditioned by the parallel crushing and melting processes.
Właściwości fizykochemiczne materiału otrzymanego przez zastosowanie mechanicznej syntezy zależą jednocześnie od warunków i parametrów procesu, które są ze sobą skorelowane. Czynniki te decydują o składzie fazowym materiału, przebiegu amorfizacji, wielkości ziarna oraz kinetyce procesu. Głównymi parametrami są energia mielenia, czas oraz temperatura. Do warunków mechanicznej syntezy, rozumianych jako czynniki narzucone przez technologię lub infrastrukturę, zalicza się typ młynka, temperaturę i atmosferę syntezy. Generalnie nie można rozpatrywać wpływu wyszczególnionych czynników oddzielnie, ponieważ są one względem siebie relatywne i uwarunkowane często wspólnymi zależnościami.The physicochemical properties of the material obtained by the application of mechanical synthesis simultaneously depend on the conditions and parameters of the process, which are correlated with each other. These factors determine the phase composition of the material, the course of amorphization, grain size and the kinetics of the process. The main parameters are grinding energy, time and temperature. The conditions for mechanical synthesis, understood as factors imposed by technology or infrastructure, include the type of grinder, temperature and synthesis atmosphere. Generally, the impact of the listed factors cannot be considered separately, because they are relative to each other and often conditioned by common dependencies.
Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą, polegający na tym, że proszki metali: chromu w ilości 20-28% wag., manganu w ilości 18-25% wag., molibdenu w ilości 0,5-2% wag. i żelaza jako dopełnienie do 100% wag., poddaje się procesowi mechanicznej syntezy w komorze wypełnionej mielnikami, przy drganiu mielników o częstotliwości 800 drgań/min i stosunku masy mielników do masy proszku 10:1. do uzyskania wielkości ziaren rzędu 20-30 μm, w atmosferze argonu przy kontrolowanej zawartości tlenu i wody na poziomie < 1 ppm, w czasie 48 godzin, następnie otrzymany materiał poddaje się wyżarzaniu w temperaturzeThe essence of the invention is a method of producing nickel-free austenitic stainless steels with nanostructure, consisting in the fact that metal powders: chromium in the amount of 20-28% by weight, manganese in the amount of 18-25% by weight, molybdenum in the amount of 0.5-2% by weight . and iron as a supplement to 100% by weight, is subjected to the process of mechanical synthesis in a chamber filled with grinding media, with grinding grinding media vibrating at a frequency of 800 vibrations / min and the grinding media mass to powder mass ratio of 10: 1. to obtain a grain size of 20-30 μm, in an argon atmosphere with a controlled oxygen and water content of <1 ppm, for 48 hours, then the obtained material is subjected to annealing at the temperature
600-800°C, korzystnie 750°C, w czasie 30 min. i dalej azotowaniu gazowemu w temperaturze 11001350°C, korzystnie 1210°C, przez 24 godziny pod ciśnieniem 140 kPa.600-800 ° C, preferably 750 ° C, for 30 min. followed by gas nitriding at 1100-1350 ° C, preferably 1210 ° C, for 24 hours at a pressure of 140 kPa.
PL 214 534 B1PL 214 534 B1
Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:Due to the application of the method according to the invention, the following technical and operational effects were obtained:
- możliwość zastosowania do produkcji implantów wymagających precyzyjnej obróbki mechanicznej i przeznaczonych do kontaktu z krwią (np. stenty), poddawanych dużym obciążeniom cyklicznym i integrujących się ze strukturą kości (np. endoprotezy stawu biodrowego),- the possibility of using for the production of implants requiring precise mechanical processing and intended to come into contact with blood (e.g. stents), subjected to high cyclic loads and integrating with the bone structure (e.g. hip joint prosthesis),
- wyeliminowanie alergizującego niklu i zastąpienia go azotem,- elimination of allergenic nickel and replacing it with nitrogen,
- zastosowanie taniej i skutecznej metody - mechanicznej syntezy,- the use of a cheap and effective method - mechanical synthesis,
- uzyskanie materiałów o parametrach przewyższających ich konwencjonalne odpowiedniki, w odniesieniu do bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą co pozwala na rozwiązanie problemu skomplikowanej i kosztownej obróbki mechanicznej, wymaganej w przypadku konwencjonalnych austenitycznych stali bezniklowych.- obtaining materials with parameters exceeding their conventional counterparts, in relation to nickel-free austenitic stainless steels with nano-structure, which allows to solve the problem of complicated and expensive machining, required for conventional austenitic nickel-free steels.
Wynalazek został zilustrowany na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia dyfraktogramy rentgenowskie nanokrystalicznego stopu Fe54Cr24Mn21Mo1N na poszczególnych etapach procesu: a) mieszanina proszków wyjściowych, b) po 48 godzinach mechanicznej syntezy, c) po obróbce cieplnej 750°C/0,5h, d) po azotowaniu w temp. 1210°C/24h, fig. 2 przedstawia mikrotwardość otrzymanej stali nierdzewnej w porównaniu do mikrotwardości stali nierdzewnej A240, czystego tytanu, mikrokrystalicznego stopu TiNi i stali nierdzewnej 316L, zaś fig. 3 przedstawia obrazy AFM komórek wyhodowanych na powierzchni stali Fe54Cr24Mn21Mo1N sterylizowanej w autoklawie po 1 (a), 7 (b) i 14 dniach (c), natomiast tabela przedstawia wyniki badań korozyjnych w płynie Ringera, w temperaturze 37°C.The invention is illustrated in the drawings, where Fig. 1 shows the X-ray diffraction patterns of the nanocrystalline Fe54Cr24Mn21Mo1N alloy at individual stages of the process: a) mixture of starting powders, b) after 48 hours of mechanical synthesis, c) after heat treatment 750 ° C / 0.5h, d) after nitriding at 1210 ° C / 24h, Fig. 2 shows the microhardness of the obtained stainless steel in comparison to the microhardness of A240 stainless steel, pure titanium, microcrystalline TiNi alloy and 316L stainless steel, while Fig. 3 shows AFM images of cells grown on the surface of the steel Fe54Cr24Mn21Mo1N sterilized in an autoclave after 1 (a), 7 (b) and 14 days (c), while the table shows the results of corrosion tests in Ringer's fluid at 37 ° C.
Wynalazek ilustruje poniższy przykład.The following example illustrates the invention.
Proces mechanicznej syntezy prowadzano w młynku typu SPEX 8000 Mixer Mill. Komorę do badań mechanicznej syntezy wykonano ze stali nierdzewnej, której ścianki wewnętrzne utwardzono. Warunki procesu mechanicznej syntezy: reaktor wykonany ze stali łożyskowej ŁH 15 - twardość około 63 HRC, mielniki - średnica 10 mm, masa 3,8 g, stal łożyskowa, twardość około 63 HRC, temperatura pracy młynka kontrolowana poniżej 30°C.The mechanical synthesis process was carried out in a SPEX 8000 Mixer Mill. The chamber for mechanical synthesis tests is made of stainless steel with hardened internal walls. Mechanical synthesis process conditions: reactor made of ŁH 15 bearing steel - hardness approx. 63 HRC, grinding media - diameter 10 mm, weight 3.8 g, bearing steel, hardness approx. 63 HRC, controlled operating temperature below 30 ° C.
Materiałami wyjściowymi do wyprodukowania stopów były proszki metali w ilości: chromuThe starting materials for the production of alloys were metal powders in the amount of: chromium
24% wag., molibdenu 1% wag., manganu 21% wag., i żelaza do 100% wag. Ze względu na łatwość utleniania się pierwiastków, proces mechanicznej syntezy prowadzono w atmosferze argonu przy kontrolowanej zawartości tlenu i wody na poziomie < 1 ppm. Proces mielenia w młynie zachodził w wyniku wprawiania komory wypełnionej mielnikami i mielonym materiałem w drgający ruch o częstotliwości 800 drgań/min. Stosunek masy mielników do masy proszku wynosił 10:1. Otrzymany materiał poddano wyżarzaniu w temperaturze 750°C, w atmosferze ochronnej argonu, w czasie 0,5 godz. celem rekrystalizacji. Otrzymany materiał krystalizował w układzie regularnym przestrzennie centrowanym (a=2,867 A), a następnie materiał poddano azotowaniu w temperaturze 1210°C, w atmosferze gazowej azotu, w czasie 24 godzin. Otrzymany materiał krystalizował w układzie regularnym przestrzennie centrowanym (a=3,653 A) (fig. 1).24 wt.%, Molybdenum 1 wt.%, Manganese 21 wt.%, And iron to 100 wt.%. Due to the easy oxidation of the elements, the mechanical synthesis process was carried out in an argon atmosphere with a controlled oxygen and water content of <1 ppm. The grinding process in the mill took place as a result of setting the chamber filled with grinding media and ground material into a vibrating motion with a frequency of 800 vibrations / min. The ratio of the grinding media mass to the powder mass was 10: 1. The obtained material was annealed at the temperature of 750 ° C, in a protective atmosphere of argon, for 0.5 hours. the purpose of recrystallization. The material obtained was crystallized in a cubic, spatially centered system (α = 2.867 A), and the material was then subjected to nitriding at 1210 ° C, under nitrogen gas, for 24 hours. The obtained material crystallized in a spatially centered cubic pattern (α = 3.653 A) (Fig. 1).
Otrzymano stal, która w porównaniu z komercyjną austenityczną stalą A240 (195 HV0.2) charakteryzuje ponad dwukrotnie większą mikrotwardość. Także porównując z czystym tytanem (266 HV0.2), stopem TiNi (279 HV0.2) i szeroko stosowaną w medycynie stalą 316L (248 HV0.2), można zauważyć znaczną różnicę w mikrotwardości, na korzyść nanokrystalicznej austenitycznej bezniklowej stali nierdzewnej (520 HV0.2).The obtained steel was more than twice as hard as the commercial austenitic A240 (195 HV0.2) steel. Also comparing with pure titanium (266 HV0.2), TiNi alloy (279 HV0.2) and widely used in medicine 316L steel (248 HV0.2), you can notice a significant difference in microhardness, in favor of nanocrystalline austenitic nickel-free stainless steel (520 HV0.2).
Badano stopy typu Fe-Cr-Mn-Mo-N o różnej zawartości wagowej tych pierwiastków. Do identyfikacji faz wykorzystano metodę rentgenograficzną w połączeniu z mikroskopią sił atomowych i skaningową mikroskopią elektronową wraz z analizą EDX. Właściwości mechaniczne, takie jak mikrotwardość czy moduł Young'a, wyznaczono metodami Vickers'a oraz nanoindentera. Parametry odporności korozyjnej, jak gęstość prądu korozyjnego Ikor, potencjał korozyjny Ekor czy szybkość korozji, określono metodami potencjodynamicznymi. Badania biozgodności przeprowadzono w warunkach statycznych (hodowla komórek na powierzchni badanych materiałów) i dynamicznych (względna zdolność przeżycia komórek).Fe-Cr-Mn-Mo-N alloys with different weight content of these elements were tested. The X-ray method combined with atomic force microscopy and scanning electron microscopy with EDX analysis were used to identify the phases. Mechanical properties, such as microhardness and Young's modulus, were determined by the Vickers and nanoindenter methods. Corrosion resistance parameters, such as Ikor corrosion current density, Ekor corrosion potential or corrosion rate, were determined by potentiodynamic methods. The biocompatibility studies were carried out under static (cell culture on the surface of the tested materials) and dynamic conditions (relative cell viability).
Właściwości otrzymane dla bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą porównano z właściwościami stosowanej w medycynie, mikrokrystalicznej austenitycznej stali nierdzewnej 316L. Wyniki przedstawiono na fig. 2.The properties obtained for nickel-free austenitic nano-structured stainless steels were compared with those of the medical grade 316L microcrystalline austenitic stainless steel. The results are shown in Fig. 2.
Badano również biozgodności w warunkach statycznych, co polegało na namnażaniu komórek na powierzchni materiału. Na fig. 3 przedstawiono zdjęcia z mikroskopu sił atomowych (AFM) powierzchni materiału próbki Fe54Cr24Mn21Mo1N na różnych etapach badania: po 1,7 i 14 dniach inkubacji. Pierwsze zdjęcie przedstawia powierzchnię materiału po 1 dniu inkubacji (fig. 3a), widać na nimBiocompatibility was also tested under static conditions, which was based on the multiplication of cells on the surface of the material. Fig. 3 shows pictures from an atomic force microscope (AFM) of the surface of the Fe54Cr24Mn21Mo1N sample material at different stages of the study: after 1.7 and 14 days of incubation. The first picture shows the surface of the material after 1 day of incubation (Fig. 3a), seen on it
PL 214 534 B1 komórki w postaci jasnych wypustek. Po 7 dniach inkubacji widać coraz większy obszar zajęty przez komórki (fig. 3b), który to obszar powiększył się jeszcze bardziej po 14 dniach inkubacji (fig. 3c).Cells in the form of bright spikes. After 7 days of incubation, an increasingly larger area is occupied by the cells (Fig. 3b), which area increased even more after 14 days of incubation (Fig. 3c).
W miarę upływu czasu liczba komórek zwiększa się i pokrywa coraz większą powierzchnię. Dwa główne czynniki mogą sprzyjać wzrostowi komórek na powierzchni: adsorbcja białek i uwalnianie jonów metali z powierzchni.As time goes by, the number of cells increases and covers more and more areas. Two main factors may favor cell growth on the surface: protein adsorption and the release of metal ions from the surface.
Badania korozyjne wykonano za pomocą metody potencjodynamicznej. Krzywe potencjodynamiczne zmierzono w płynie Ringera o składzie: chlorek sodu (9,00 g/l), chlorek potasu (0,42 g/l), chlorek wapnia (0,48 g/l) i kwaśny węglan sodu (0,20 g/l).Corrosion tests were performed using the potentiodynamic method. Potentiodynamic curves were measured in Ringer's fluid composed of: sodium chloride (9.00 g / l), potassium chloride (0.42 g / l), calcium chloride (0.48 g / l) and sodium bicarbonate (0.20 g / l).
Wyniki badań korozyjnych otrzymanej stali (Fe54Cr24Mn21Mo1N) oraz stali odniesienia (316L) przedstawiono w Tabeli 1.The results of corrosion tests of the obtained steel (Fe54Cr24Mn21Mo1N) and reference steel (316L) are presented in Table 1.
Stal o składzie Fe54Cr24Mn21Mo1N charakteryzuje się gęstością prądu korozyjnego niższą o rząd wielkości niż w stali 316L. Obniżenie gęstości prądu korozyjnego przekłada się na większą odporność korozyjną w groźnym dla stali nierdzewnych środowisku jonów chloru.The steel of Fe54Cr24Mn21Mo1N composition is characterized by a corrosion current density lower by an order of magnitude than in 316L steel. Reducing the corrosion current density translates into greater corrosion resistance in the environment of chlorine ions, which is dangerous for stainless steels.
Opór polaryzacyjny Rp, obliczony z krzywych potencjodynamicznych, osiągał najwyższą war32 tość (3,7x103 Ohm/cm2) dla składu Fe54Cr24Mn21Mo1N. Ogólną zasadą jest, że większe wartości Rp 22 przekładają się na lepszą ochronę korozyjną. Porównując ze stalą 316L (Rp = 5,8x102 Ohm/cm2), opór polaryzacyjny otrzymanej bezniklowej stali nierdzewnej z nanostrukturą, o składzie Fe54Cr24Mn21Mo1N, jest ponad sześciokrotnie większy. Obliczona wartość szybkości korozji dla stali Fe54Cr24Mn21Mo1N (0,073 mm/rok) pokazuje, że szybkość korozji w płynie Ringera spadła czterokrotnie, w porównaniu ze stalą 316L.The polarization resistance Rp, calculated from the potentiodynamic curves, reached the highest value (3.7x10 3 Ohm / cm 2 ) for the Fe54Cr24Mn21Mo1N composition. As a general rule, higher Rp 22 values translate into better corrosion protection. Compared to 316L steel (Rp = 5.8x10 2 Ohm / cm 2 ), the polarization resistance of the obtained nickel-free nanostructured stainless steel with the composition Fe54Cr24Mn21Mo1N is more than six times greater. The calculated value of the corrosion rate for the Fe54Cr24Mn21Mo1N steel (0.073 mm / year) shows that the corrosion rate in the Ringer's fluid decreased four times compared to the 316L steel.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL387724A PL214534B1 (en) | 2009-04-06 | 2009-04-06 | Method of manufacturing nickel-free austenitic stainless steels with nanostructure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL387724A PL214534B1 (en) | 2009-04-06 | 2009-04-06 | Method of manufacturing nickel-free austenitic stainless steels with nanostructure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL387724A1 PL387724A1 (en) | 2010-10-11 |
| PL214534B1 true PL214534B1 (en) | 2013-08-30 |
Family
ID=43013828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL387724A PL214534B1 (en) | 2009-04-06 | 2009-04-06 | Method of manufacturing nickel-free austenitic stainless steels with nanostructure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL214534B1 (en) |
-
2009
- 2009-04-06 PL PL387724A patent/PL214534B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL387724A1 (en) | 2010-10-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yuan et al. | Biomedical porous shape memory alloys for hard-tissue replacement materials | |
| Hu et al. | A novel TiZrNb medium entropy alloy (MEA) with appropriate elastic modulus for biocompatible materials | |
| Biesiekierski et al. | Investigations into Ti–(Nb, Ta)–Fe alloys for biomedical applications | |
| Marattukalam et al. | Microstructure and corrosion behavior of laser processed NiTi alloy | |
| Cemin et al. | Superior in vitro biocompatibility in NbTaTiVZr (O) high-entropy metallic glass coatings for biomedical applications | |
| Li et al. | Biodegradable Mg–Zn–Ca–Sr bulk metallic glasses with enhanced corrosion performance for biomedical applications | |
| Raducanu et al. | Mechanical and corrosion resistance of a new nanostructured Ti–Zr–Ta–Nb alloy | |
| Kuzminova et al. | The effect of the parameters of the powder bed fusion process on the microstructure and mechanical properties of CrFeCoNi medium-entropy alloys | |
| Brailovski et al. | Bulk and porous metastable beta Ti–Nb–Zr (Ta) alloys for biomedical applications | |
| Salvo et al. | Study on the microstructural evolution of Ti-Nb based alloy obtained by high-energy ball milling | |
| Datta et al. | Structure and thermal stability of biodegradable Mg–Zn–Ca based amorphous alloys synthesized by mechanical alloying | |
| Zhang et al. | Degradable porous Fe-35wt.% Mn produced via powder sintering from NH4HCO3 porogen | |
| Aydog et al. | Superelasticity and compression behavior of porous TiNi alloys produced using Mg spacers | |
| Khanlari et al. | Mechanical and microstructural characteristics of as-sintered and solutionized porous 60NiTi | |
| Correa et al. | On the mechanical biocompatibility of Ti-15Zr-based alloys for potential use as load-bearing implants | |
| Jiang et al. | Effect of hydroxyapatite coating on nickel release of the porous NiTi shape memory alloy fabricated by SHS method | |
| Bagha et al. | Effect of high energy ball milling on the properties of biodegradable nanostructured Fe-35 wt.% Mn alloy | |
| Chen et al. | Microstructures and mechanical properties of Mn modified, Ti-Nb-based alloys | |
| Mutlu et al. | Influence of fluoride content of artificial saliva on metal release from 17-4 PH stainless steel foam for dental implant applications | |
| Zhang et al. | Preparation, microstructures, mechanical properties, and cytocompatibility of TiMn alloys for biomedical applications | |
| Chen et al. | Laser printed amorphous magnesium alloy: microstructure, mechanical properties and degradation behavior | |
| Marchenko et al. | Structure, biocompatibility and corrosion resistance of the ceramic-metal surface of porous nitinol | |
| Salahinejad et al. | Microstructure and wear behavior of a porous nanocrystalline nickel-free austenitic stainless steel developed by powder metallurgy | |
| Teixeira et al. | The effects of niobium on the bioactivity of Ni-Ti-Al-Nb shape memory alloys | |
| Hagihara et al. | Unusual dynamic precipitation softening induced by dislocation glide in biomedical beta-titanium alloys |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Decisions on the lapse of the protection rights |
Effective date: 20140406 |