PL214534B1 - Sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą - Google Patents

Sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą

Info

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
Application number
PL387724A
Other languages
English (en)
Other versions
PL387724A1 (pl
Inventor
Mieczyslaw Jurczyk
Maciej Tuliński
Original Assignee
Politechnika Poznanska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Poznanska filed Critical Politechnika Poznanska
Priority to PL387724A priority Critical patent/PL214534B1/pl
Publication of PL387724A1 publication Critical patent/PL387724A1/pl
Publication of PL214534B1 publication Critical patent/PL214534B1/pl

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą, mających zastosowanie do produkcji implantów.
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.
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.
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.
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.
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 temperaturze
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.
PL 214 534 B1
Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:
- 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),
- wyeliminowanie alergizującego niklu i zastąpienia go azotem,
- zastosowanie taniej i skutecznej metody - mechanicznej syntezy,
- 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.
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.
Wynalazek ilustruje poniższy przykład.
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.
Materiałami wyjściowymi do wyprodukowania stopów były proszki metali w ilości: chromu
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).
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).
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).
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.
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 nim
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).
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.
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).
Wyniki badań korozyjnych otrzymanej stali (Fe54Cr24Mn21Mo1N) oraz stali odniesienia (316L) przedstawiono w Tabeli 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.
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.

Claims (1)

  1. Sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą, znamienny 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 temperaturze 600-800°C, korzystnie 750°C, w czasie 30 min. i dalej azotowaniu gazowemu w temperaturze 1100-1350°C, korzystnie 1210°C, przez 24 godziny pod ciśnieniem 140 kPa.
PL387724A 2009-04-06 2009-04-06 Sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą PL214534B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL387724A PL214534B1 (pl) 2009-04-06 2009-04-06 Sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL387724A PL214534B1 (pl) 2009-04-06 2009-04-06 Sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL387724A1 PL387724A1 (pl) 2010-10-11
PL214534B1 true PL214534B1 (pl) 2013-08-30

Family

ID=43013828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL387724A PL214534B1 (pl) 2009-04-06 2009-04-06 Sposób wytwarzania bezniklowych austenitycznych stali nierdzewnych z nanostrukturą

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL214534B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL387724A1 (pl) 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