Понятие о термической обработке

Инструменты, перечисленные в табл. 1, изготовлены из инстру­ментальных углеродистых сталей. Они имеют значительно боль­шую твердость и прочность по сравнению с теми же характери­стиками в так называемой сырой стали, поставляемой чаще всего в виде проката — прутков круглого, шестигранного или квадрат­ного профиля (сечения). Повышение твердости и прочности стали в изделиях связано с термической обработкой, заключающейся в нагреве стали до определенной температуры и охлаждении с оп­ределенной скоростью. Но это только внешняя сторона процесса. При нагреве стали и охлаждения в ней происходят структурные изменения, в результате которых сильно меняются ее механиче­ские свойства. Эти структурные превращения детально изучены для всех составов сталей, что позволяет получать нужные их свойства. Термическая обработка и ее режимы основаны на дан­ных металловедения.

Железо, являющееся основой стали, имеет две модификации: α и γ. Альфа-железо — обычно магнитное, хорошо известное всем железо, существующее при нормальной температуре. Гамма-же­лезо — немагнитная модификация, в которую альфа-железо пере­ходит при температуре 768°С. Углерод в стали находится в виде соединения Fe₃O, называемого цементитом. Он придает стали твердость и хрупкость. Однако растворимость углерода (цемен­тита) в альфа-железе ограничена и составляет всего 0,006%, тогда как в гамма-железе цементит растворяется более чем на 0,6%, т. е. в 100 раз больше. Раствор углерода в альфа-железе называют ферритом. При нормальной температуре он пред­ставляет собой почти чистое мягкое железо. Состояние раствора углерода в гамма-железе, называемое аустенитом, при охлаж­дении ниже температуры превращения γ-фазы в α-фазу зависит от скорости охлаждения. При медленном охлаждении формируют­ся пластинки цементита, которые выпадают из раствора и одно­родный аустенит превращается в смесь феррита и цементита. При быстром охлаждении (более 150—200 °С в секунду) успевает за­вершиться только переход гамма-железа в альфа-железо и угле­род остается в виде твердого раствора в альфа-железе. Такая структура получила название мартенсита. Это структура твердой, прочной, однородной стали. Она получается быстрым охлаж­дением, т.е. закалкой.

Медленное охлаждение, при котором заканчивается выделение цементита из твердого раствора, в результате чего структура ста­ли состоит из смеси цементита с ферритом и сталь становится мягкой, называется отжигом. Охлаждение при закалке обычно осуществляется в воде или минеральном масле, а при отжиге— вместе с печью. Процесс охлаждения стали на воздухе называет­ся нормализацией. Твердость и прочность стали после нор­мализации выше, чем после отжига.

Нержавеющие стали. Углеродистые стали склонны к коррозии (ржавлению), поэтому медицинские изделия из них покрывают слоем никеля или хрома, используя гальванический способ. В по­следние годы подавляющее большинство медицинских инструмен­тов изготовляют из легированных, нержавеющих сталей.

Нержавеющие стали выпускают двух классов: закаливаемые, или стали мартенситового класса, и незакаливаемые, или стали аустенитового класса. Стали, принимающие закалку, — хромистые (среднее содержание хрома 13%) марок 20Х13, 30Х13 и 40Х13. В обозначении марки первая цифра означает среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента, а последние две циф­ры — содержание хрома в процентах. Чтобы изделия из этих ма­рок стали не корродировали, необходимо соблюдение двух усло­вий: изделие должно быть закалено и хорошо отполировано. При закалке получают однородную структуру стали, причем твердость ей придают карбиды хрома, наряду с цементитом стали. Области применения этих сталей приведены в табл. 2.

Таблица 2. Применение в медицинской технике нержавеющих сталей

В производстве медицинских инструментов применяют и другие легированные стали: сталь 9Х18 (0,9% углерода и 18% хрома) — Для изготовления режущих инструментов в нейрохирургии и оф­тальмологии; сталь ЭИ-515 (помимо 1% углерода и 13% хрома содержит 1,6% молибдена) — для изготовления скальпелей, сталь ХВ4 (4% вольфрама) —для изготовления зубных боров. Эти ста­ли — закаливаемые, причем помимо карбида железа, твердость инструментов здесь обеспечивается за счет карбидов хрома и вольфрама.

Нержавеющие стали аустенитового класса — хромоникелевые стали, которые содержат 18% хрома и 9—10% никеля, а иногда титан (1%). Никель способствует тому, что сталь при нормаль­ной температуре .имеет структуру аустенита (однородную), что и делает сталь нержавеющей. Для производства медицинских из­делий применяют марки сталей с содержанием углерода 0,08— 0,2%: 08Х18Н9, 12Х18Н10 и 17Х18Н10Т. Из хромоникелевых ста­лей изготовляют камеры стерилизаторов, корпуса дезинфекцион­ных кипятильников, зубные коронки и ряд других изделий, полу­чаемых методом штамповки и вытяжки. Эти стали хорошо полиру­ются. Листами из этой стали облицовывают панели операционных столов и т. п. Наиболее широкое применение нашла сталь марки 12Х18Н9Т.

Для производства некоторых видов медицинских игл, а также чувствительных элементов приборов начали применять сплав, об­ладающий абсолютной коррозионной устойчивостью, высокой проч­ностью и износостойкостью, марки 36НХТЮ. Он содержит 36% никеля, 11,5—13% хрома, около 3% титана, по 1% алюминия и марганца; железа в сплаве меньше половины, поэтому он относит­ся к категории прецезионных сплавов (ГОСТ 10994—74).

Твердые сплавы. В последние годы ряд медицинских инструмен­тов изготовляют с применением твердых сплавов. Твердость их далеко превосходит твердость любых инструментальных сталей и близка к твердости алмаза. Твердые сплавы применяют для из­готовления зубных боров и режущих инструментов. Чаще всего применяют сплав марки ВК6, содержащий 6% вольфрама и ко­бальт, который связывает карбиды вольфрама.

Чугуны — сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2%. Для медицинского оборудования применяют чугуны с содержанием углерода 2,6—2,9%.

Для отливок оснований стволов, кресел, крестовин, стоек и т.п. применяют серые чугуны марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и СЧ28—40. Первая двузначная цифра в наименовании означает предел прочности при растяжении (кгс/мм²), а вторая—при из­гибе. Прочность чугуна зависит в основном от содержания крем­ния. Чугун в 5 раз дешевле бронзы, что очень важно. Вследствие невысокой стоимости, хороших литейных качеств, дающих возмож­ность отливать детали самой сложной формы и высокой износо­устойчивости, чугун находит широкое применение при изготовлении изделий медицинской техники. Однако детали из чугуна (ры­чаги, рукоятки) плохо переносят ударные нагрузки, поэтому для их изготовления применяют так называемый ковкий чугун, имеющий значительное сопротивление на разрыв (до 37 кгс/мм²).

Цветные металлы

Наибольшее распространение в изготовлении медицинских инст­рументов и оборудования получили сплавы меди. Некоторое при­менение имеют сплавы алюминия, магния, никеля и хрома.

Чистая медь имеет ряд ценных свойств, благодаря которым она применяется в медицинских изделиях. Медь обладает высокой пластичностью, легко штампуется, вытягивается, паяется, имеет высокую тепло- и электропроводность, обладает малой окисляемостью. Вследствие этого медь применяют в электроприборах, для облицовки термостатов с водяной рубашкой, арматуры водо- и парораспределения и т. д. Для инструментов, имеющих непосред­ственный контакт с тканями организма, используют медь с нике­левым покрытием из-за токсичности продукта ее коррозии—гид­роокиси меди. Марка меди М1, содержащая 99,9% меди, применя­ется для изготовления гибких медицинских инструментов (гибкие зонды и ложки).

Весьма широко используются сплавы меди с цинком — латуни. Для изготовления медицинских изделий применяют две марки ла­туни: Л62 и ЛС59-1.

Латунь Л62 содержит около 62% меди (остальное цинк), весьма пластична в холодном состоянии и применяется для изготовления стерилизаторов, бужей, дилататоров, катетеров, зондов, ватодержателей. Она плохо обрабатывается на металлорежущих станках.

Латунь ЛС59-1 содержит в среднем 59% меди и 1% свинца (ос­тальное цинк) и по своим механическим свойствам значительно отличается от марки Л62. Она не так вязка, вследствие чего хо­рошо обрабатывается на металлорежущих станках и поэтому применяется главным образом для деталей, изготовляемых реза­нием (точением). В частности, из латуни ЛС59-1 изготовляют ар­матуру шприцев, канюли игл и трокаров и др.

Для предохранения от коррозии детали, изготовленные из лату­ни, должны иметь антикоррозионное покрытие. Очень высокую устойчивость против коррозии имеет сплав меди с цинком (18— 22%), никелем и кобальтом (никель + кобальт 13,5—16,5%), на­зываемый нейзильбером и относящийся к специальным латуням. Из нейзильбера изготовляют детали и инструменты, которые должны обладать особо высокой устойчивостью против коррозии (трахеотомические трубки, канюли, глазные ложки, зонды Воячека и пр.).

В последние годы для производства медицинских изделий широ­кое применение находят алюминий и его сплавы. Как извест­но, чистый алюминий имеет плотность, почти в 3 раза меньшую, чем железо, и низкую температуру плавления — почти вдвое меньшую, чем у чугуна (657 °С). Алюминий очень пластичен. Чи­стый алюминий вследствие его малой прочности применяют срав­нительно редко; он служит основой алюминиевых конструкцион­ных сплавов. Широкое применение получил дюралюминий (твер­дый алюминий).

Дюралюминий представляет собой сплав алюминия с медью, марганцем, магнием, кремнием и железом. Предел прочности дюралюминия в 4 раза выше, чем алюминия. Алюминий обла­дает высокой антикоррозионной устойчивостью, так как покрыва­ется тонким слоем окиси, предохраняющей его от дальнейшей коррозии. Однако алюминий нестоек по отношению к щелочным рас­творам и быстро разрушается, вследствие чего он не может быть применен для медицинских изделий, подвергающихся мойке и дезинфекции в растворах, содержащих щелочи и гидрокарбонат нат­рия. Дюралюминий еще менее устойчив против коррозии, однако используется для изготовления деталей медицинского оборудова­ния. Для увеличения устойчивости алюминия и дюралюминия против коррозии применяют анодирование. Анодированный алю­миний хорошо выдерживает даже дезинфекцию кипячением. Алюминий и его сплавы никелируют и хромируют.

Для изготовления медицинской аппаратуры применяют еще один ценный сплав алюминия—силумин, который представляет со­бой сплав алюминия с кремнием. Сплав очень хорошо льется и ис­пользуется главным образом для изготовления деталей сложной формы, но небольшой массы.

Для изготовления медицинских изделий применяют также бла­городные металлы—серебро и платину. Серебро использу­ют для изготовления отдельных видов офтальмологических инст­рументов, из платины делают некоторые иглы.

Следует упомянуть также тантал и виталиум, которые на­ходят все более широкое применение в изготовлении медицинских изделий. Тантал с небольшой примесью ниобия широко использу­ют как шовный материал в виде скобок для сшивающих аппара­тов. Тантал совершенно нейтрален по отношению к тканям орга­низма. Из виталиума изготовляют гвозди для внутрикостного штифтования. Следует отметить, что в последние годы вместо тантала и виталиума нашел применение специальный прецезионный сплав 40КХНМ, обладающий исключительно высокой проч­ностью (σ_В до 270 кгс/мм²). Проволока из этого сплава диаметром 1 мм может выдержать нагрузку до 200 кгс. Сплав состоит из ко­бальта (40%), хрома (20%), никеля (16%), молибдена (7%), марганца (2%) и железа (15%).

Титан и титановые сплавы находят все более широкое применение для изготовления медицинских инструментов и прибо­ров вследствие исключительно высокой коррозионной стойкости, в том числе в биосредах.

Титан — легкий (плотность 4,5 г/см³) тугоплавкий металл с точ­кой плавления около 1665°С. Вредными примесями для него яв­ляются кислород, азот и углерод. Чистый титан получить весьма трудно. Технический титан выпускают двух марок: ВТ1-00 (99,53% титана) и ВТ1-0 (99,42% титана). Последнюю марку применяют для изготовления некоторых инструментов (зеркала для детской хирургии, глазные инструменты). Титан амагнитен, поэтому, несмотря на дороговизну, его применение оправданно при изготовлении амагнитных инструментов для микрохирургии. Недостатком» является невысокая прочность титана (σ_В=40—55 кгс/мм²). Поэтому чаще применяют сплав титана с алюминием ОТ-4, содержащий 4,25% алюминия и 2,4% марганца, который имеет предел прочности σ_В≈90 кгс/мм².

Сплав ВТ5-1, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова и имеющий σ_В до 95 кгс/мм², применяют для наборов инструментов, предназначенных для соединения костей. Еще более прочные сплавы титана (ВТ14), имеющие предел прочности более 100 кгс/мм², т. е. обладающие прочностью стали, содержащие алюминий (5%), мо­либден (3%) и ванадий (1%), используют для изготовления зажимных инструментов для микрохирургии.

Инструменты из титана и его сплавов не нуждаются в покры­тиях, однако блестящую поверхность титановым инструментам придать трудно и они оксидируются, покрываясь тонкой оксидной пленкой, чаще золотисто-зеленого цвета.