Коррозионно-стойкая экономнолегированная сталь со структурой азотистого мартенсита для медицинских инструментов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам коррозионно-стойких экономнолегированных сталей со структурой азотистого мартенсита, предназначенных для изготовления медицинского инструмента. Сталь содержит углерод, хром, марганец, кремний, азот, железо и неизбежные примеси 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. Эквивалент ферритообразования Е_ф=%Cr+2%Si-0,75%Mn-27(%C+%N)≤6, а суммарное содержание углерода и азота составляет 0,35-0,40. Обеспечиваются более высокие характеристики твердости и коррозионной стойкости, приводящие к повышению долговечности медицинских хирургических инструментов. 2 табл.

 

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:

а) Эквивалент ферритообразования Е_ф≤6;

где Е_ф=%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.

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 Cr₂₃C₆ 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).

Для оценки стойкости к питтинговой коррозии снимали анодные поляризационные кривые в растворе 3,5% NaCl. По этим кривым определяли потенциал питтингообразования Е_ПО.

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 ЕПО, 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.

Сталь коррозионно-стойкая экономнолегированная со структурой азотистого мартенсита для медицинских инструментов, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 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 соблюдении следующих условий:
Е_ф≤6,
С+N=0,35-0,40,
где Е_ф=%Cr+2%Si-0,75%Mn-27(%C+%N).