Stale austenityczne

Struktura i własności

• Ściśle ustalone składy chemiczne (tablica) zapewniające im paramagnetyczną strukturę austenityczną

• W celu uzyskania dobrej odporności na korozję wżerową w środowisku płynów i tkanek:

• 3,3% mas.Mo + %mas.Cr 26

• Odporność na korozję międzykrystaliczną stanowi podstawowe kryterium odbiorowe stali na implanty

• Taśmy, blachy, pręty, profile specjalne, o umocnieniu zmiennym od stanu przesyconego zimnowalcowanego (Rm 450-1850 MPa)

• Igły śródszpikowe, płytki kostne, śruby i nakrętki, groty i druty kostne, rzadziej endoprotezy lub ich elementy

• Własności mechaniczne dobierane w zależności od rodzaju wyrobu

• O strukturze stali kwasoodpornych

decyduje stężenie chromu i niklu

• Równoważniki chromu i niklu:

CrE=%Cr+1,4%Mo+0,5%Nb+1,5%Si+2%Ti

NiE=%Ni+30%C+0,5%Mn+30%N

• Do określenia struktury stali o bardziej

złożonym składzie – wykres Schaefflera

• Wykres równowagi Fe-Cr-Ni: po nagrzaniu

do 1050 C pojawia się ferryt , potem

wzrasta, a powyżej 1250 C przyjmuje

postać iglastą w miejsce ziarnistej

• Fe-Cr-Mo: oprócz mieszaniny faz i w

austenicie mogą pojawić się fazy

międzymetaliczne

• Struktura stali austenitycznych po

przesyceniu: poligonalne ziarna austenitu z

wykształconymi bliźniakami i ew.

węglikami, azotkami i węglikoazotkami

• Pożądana ponadrównowagowa zawartość

pierwiastków austenitotwórczych

Rola pierwiastków stopowych

• Chrom: zmienia potencjał elektrochemiczny

stali –0,6 V na +0,2 V, skokowo przy

13%Cr. Przyczyny: zmiana wartościowości

Fe 2+ na Fe 3+. . Pasywność, szybkość

korozji 100-krotnie mniejsza. Wytworzenie

warstw tlenkowych z kompleksami Cr 3+,

CrO 4-

• Nikiel: dodatek austenitotwórczy o

nieograniczonej rozpuszczalności w żelazie .

Wzrost odporności na korozję naprężeniową.

• Molibden: oddziałuje na kształt krzywej

polaryzacji anodowej. Zmniejsza gęstość prądu

pasywacji. Odporność na korozję wżerową.

• Oddziaływanie pierwiastków stopowych – ich

wpływ na kształt krzywych polaryzacji

• Ograniczenia poziomu wtrąceń

niemetalicznych, wielkości ziaren oraz

obecności faz ferromagnetycznych.

• Własności mechaniczne kształtowane przez

procesy umocnienia.

• Skład tak dobrany, aby nawet po 80%

zgniocie (maksymalne umocnienie) nie

zaszła przemiana martenzytyczna

• Kryteria oceny własności mechanicznych

Procesy wydzieleniowe i

odporność korozyjna• Rozpuszczalność węgla w austenicie do 0,04%. Nadmiar

w węglikach M23C6. Po nagrzaniu pow. 1100 C węgliki rozpuszczają się w austenicie. Po oziębieniu w wodzie uzyska się strukturę jednorodnego austenitu bez węglików, przesyconą, plastyczną.

• Poniżej 400 C nie zachodzi wydzielanie węglików z powodu powolnej dyfuzji węgla. Pow. 500 C nadmiar węgla wydziela się w postaci węglików M23C6, głównie w postaci siatki na granicach ziaren. Przyczyna: szybkość dyfuzji węgla większa od dyfuzji chromu. Skutek: korozja międzykrystaliczna wywołana zubożeniem osnowy w pobliżu powierzchni ziaren.

• Długie wygrzewanie stali w wysokich

temperaturach osłabia skłonność do korozji

międzykrystalicznej

• Skłonność stali ujawniana za pomocą testu

Straussa

• Wykres czas-temperatura-przemiana CTP:

możliwość zapoczątkowania

niekorzystnych procesów wydzieleniowych

w strukturze austenitu w zbyt niskich

temperaturach i przy długich czasach

ujednoradniania w trakcie przesycania.

• Wydzielanie faz M23C6, a następnie faz ,

, zachodzi w obszarze 600-900 c

• Fazy międzymetaliczne i międzywęzłowe w

różnym stopniu podwyższają własności

wytrzymałościowe oraz zmniejszają

plastyczne stali Cr-Ni-Mo

• Najsilniej wpływają dyspersyjne

wydzielenia M23C6, także stężenie azotu w

stalach, następnie na umocnienie wpływa

międzymetaliczna faza

• Wydzielone fazy w różnym stopniu

obniżają trwałość warstwy pasywnej (w

szczególności w obecności chlorków),

natomiast nie wpływają na repasywację

miejsc aktywnych.

• Największą skłonność do korozji

naprężeniowej mają stale przesycone

Stopy na osnowie kobaltu

• Większa biotolerancja od stali Cr-Ni-Mo

• Większa odporność na korozję wżerową i

szczelinową

• Większa zdolność do repasywacji w

płynach ustrojowych

• Materiały nietoksyczne

• Stopy odlewnicze i przerabiane plastycznie

• Głównie na endoprotezy stawowe

• Skład chemiczny determinuje techniki

wytwarzania, a ta z kolei wiąże się ze

strukturą i zespołem własności

mechanicznych

• Przykłady stopów handlowych (tablica)

• Stopy o stężeniach i zabiegach technologicznych

pozwalających uzyskać własności dostosowanych do

potrzeb kinematycznych poszczególnych biomechanizmów

z uwzględnieniem zróżnicowań anatomicznych i techniki

operacyjnej

• Zastosowanie (głównie przerabianych plastycznie): płytki,

wkręty kostne, groty, druty, elementy kształtowe do

zespoleń dociskowych kości

Skład

• Cr 18-30%, Mo 2,5-9%, Ni 15-37%

• Stopy przerobione plastycznie: dodatkowo

3-8,8% lub 14-16%W.

• C 0,05-0,35%, Fe do 3%.

• Stopy CoNiCrMoWFe: Fe 5-15,8%, Mn do

2%, Si do 1%, Ti 0,5-2,5%

• CoCrMo: Ti do 1%

• Kobalt: porównywalny do niklu. Znaczna

skłonność do pasywacji. Nie jest plastyczny, stąd

małe rozpowszechnienie w technice.

• Cr i Mo zwiększają odporność na kwaśne

środowiska, odporność na korozję wżerową i

szczelinową

• Większa odporność na korozję naprężeniową i

zmęczeniową w obecności chlorków

Stopy odlewnicze

• Struktura niejednorodnego austenitu ze znaczną segregacją chemiczną.

• Drobnodyspersyjne wydzielenia węglików M23C6

• Segregacja Cr w granicach 19-35%, Mo 4-6%

• Porowatość 0,3%

• Większa odporność korozyjna od stali austenitycznych

• Mała ciągliwość i wytrzymałość zmęczeniowa (stąd przesycanie)

• W trakcie przesycania w 1165 C zachodzi częściowa

przemiana pierwotnych węglików M23C6 na M6C.

• W 1210 C rozpuszczanie węglików początkowo jest

szybkie, później wolniejsze. Po 1 h węgliki M23C6

rozpuszczają się całkowicie, M6C – częściowo, całkowicie

po 64 h.

• W 1230 C wszystkie rodzaje węglików rozpuszcza się po

15 min.

• W 1250-1270 C obserwuje się nadtapianie węglików

• Nagrzewanie do 100 C/min nie wpływa na

kinetykę przemian węglików, powyżej 200

C/min hamuje przemianę węglika M6C,

której początek zachodzi w 1250 C, na

brzegach próbek węgliki M23C6 zamieniają

się w międzymetaliczną fazę

• Przemiana węglika M23C6 na M6C jest

spowodowana większa stabilnością tego

ostatniego w 1165-1230 C.

• W 1230 C powstaje eutektyka M6C – grafit

wskutek roztapiania się węglików w stopie

• Przemiana przebiega podobnie, jak w stopach Co-

Cr-Mo i Fe-Mo-C. Tworzą się

międzydendrytyczne obszary z większym

stężeniem Cr i C

• Powstawanie fazy w osnowie stopów Co-

Cr-Mo nagrzewanych z szybkościami pow.

200 C/’min jest istotne, gdyż faza ta

wywiera niekorzystny wpływ na własności

mechaniczne.

• Optymalny zakres przesycania dla

uzyskania jednofazowej struktury

austenitycznej: 1210-1240 C

• Wydzielanie węglików jest możliwe w

wniosku reakcji eutektycznej lub prostego

wydzielania

• Zarodkowanie odbywa się na granicach

międzyfazowych

• Przemiana węglików:

• M3C2 lub M7C3 M23C6 M6C

• Węgliki M7C3 powstają w stopach, w

których stosunek Me:C ma małą wartość

(Me – Cr, Co).

• Przemiana:

• 23 Cr7C3 7 Cr23C6 + 27 C

• 6 C + 23 Cr Cr23C6

• Węgliki M23C6 umacniają strukturę stopu

• Obecność węglika M23C6 ułatwia tworzenie fazy

• W stanie lanym węgliki te wydzielają się na

granicach ziaren i obszarach

międzydendrytycznych

• Pierwotne wydzielenia mają duże rozmiary i sa

nieregularne

• Drobne wydzielenia węglika mają kształt płytek w

osnowie

• Wyżarzanie homogenizujące powoduje

rozpuszczenie i ponowne wydzielenie węglików

dyspersyjnych

• Węgliki Me3Me3C i Me4Me2C są

stabilniejsze w wysokich temperaturach,

przede wszystkim gdy zawierają W i Ti,

wywierają też wpływ na odkształcalność w

podwyższonych temperaturach

Obróbka cieplna

• Wyżarzanie ujednoradniające w 1170 C;

rozpuszczają się węgliki

międzydendrytyczne, austenit staje się

bardziej jednorodny

• Przesycanie z temp. 1240 C w wodzie;

jednorodna i jednofazowa struktura

austenitu o większej wytrzymałości i

ciągliwości niż w stanie lanym

Stopy przerabiane plastycznie

• W stosunku od odlewniczych: ograniczone stężenie C, Si, Cr, Mn, zwiększone stężenie Ni z 2,5 do 33-37%, dodatek Ti

• Bardziej podatne do odkształcenia plastycznego

• Struktura jednofazowa austenitu

• Większa odporność na erozję, kawitację, zmęczenie korozyjne, korozję napreżeniową

• Podczas odkształcania plastycznego poniżej

650 C zachodzi przemiana martenzytyczna

• Odkształcanie stopów Co-Ni-Cr-Mo pow.

650 C umacnia austenit bez zmiany

struktury. Sterując temperaturą

odkształcania i stopniem gniotu można

kształtować umocnienie stopu

Zabiegi technologiczne

• Przesycanie 1050 C

• Odkształcanie plastyczne na zimno poniżej 650 C

(największe umocnienie)

• Odkształcenie plastyczne na gorąco (pow. 650 C);

pośrednie umocnienie

• Stopy przerabiane plastycznie: dwukrotnie

większa wytrzymałość zmęczeniowa, większa

odporność na korozję szczelinową i wżerową