SE431472B - Korrosionsbestendigt stal - Google Patents

Description

15 20 30 35 82070 07-'9 , vilket mycket ogynnsamt inverkar på regenereringen av skadade, i kontakt med dessa alster varande människovävnader. Dessutom medför t.o.m. ringa pittingkorrosion eller interkristallin korrosion en avsevärd minskning av alstrets mekaniska håll- fasthet, vilket resulterar i att medicinska, inom traumato- login användbara verktyg ofta sönderdelas. Ej heller upp- fyller detta kända stål de krav med hänsyn till de meka- niska egenskaperna, som ställes på stål av detta slag, näm- ligen, att detta stål uppvisar låg brottgräns (högst 80 - 90 kp/mmz) vid en förhållandevis hög tänjbarhet (en brott- töjning av högst 15 - 18 %). Även ett annat korrosionsbeständigt stål av BS-3531-1968-typ är känt (jämför exempelvis British Standards Institution (ESI), 2 Park Street, London, N 1), vilket stål är avsett att användas för liknande ändamål. Detta kända stål inne- håller i viktprocent: högst 0,07 % kol högst 1 % kisel högst 2 % mangan 16,5 - 19,5 % krom 10 - 15 % nickel 2,25- 4 % molybden högst 0,04 % fosfor högst 0,03 % svavel, medan resten utgöres av järn.

Detta kända stål uppvisar - liksom det ovan beskrivna kända stålet - låg korrosionsbeständíghet. Icke heller detta stål uppfyller alla de krav, som ställes på de mekaniska egenskaperna.

De båda kända stålen är stål av austenitisk typ, vilka upp- visar stabil enfasig, austenitisk struktur, varvid struk- turstabiliteten bestämmas först och främst av ett bestämt haltförhållande mellan krom, nickel, molybden och kolf Detta haltförhållande är mycket svårt att konstanthålla.

En ökning av halten av de båda sistnämnda beståndsdelarna :fgiwihäififiiißøkkrdd wwrwzuyz. m... .w w 1':*\,¿»-'<-f: wnflw-:mw--rvww w-V-ww- -- ww- ~ LD 10 15 20 25 30 35 »WW ~~L,--»,.-v-,wf....... i _ _ . 3 s2ß7fin7~9 inverkar omedelbart på stålets struktur, varvid stålet under bestämda betingelser blir tvåfasigt (ferrit och austenit), med alla ogynnsamma påföljder för stålets korrosionsbesüüflig- het och mekaniska egenskaper. Dessutom kan en lokal koncentration av föroreninqsämnen av s.k. indrivningstyp exempelvis kol - på grund av segringsfenomen vid korn- gränser ~ den tillåtna övre gränsen överskridas tiotal gånger, varigenom nämnda tvåfasiga struktur kan bildas. En minskning av den undre kolhaltgränsen 1 och en minskning av den lokala kolkoncentrationen vid korngränser, ger en mycket låg effekt och försämrar avsevärt stålets hållfast- hetsegenskaper. Det enda verkliga sättet att eliminera höga kfialakoncentrationer av föroreningsämnen av indrivninge- typ är finfördelning av stålets gjutna kristallstruktur och följaktligen en tvär minskning av gränsytan mellan kornen under likformig fördelning av "skadliga" förore- ningsämnen över denna yta. Under produktionsmässiga för- hållanden uppnås detta genom mycket invecklad processbe- handling av stålet eller genom att man 1 den smälta metal- len inför speciella modifieringsmedel, vilka bidrar till att bringa den kemiska sammansättningen till en medelsam- mansättning i hela götvolymen genom alstrande av ett stort antal kristallisations- eller stelningskärnor.

Dessutom påverkas dessa kända ståls korrosionsbeständig- het avsevärt av förekomsten av sådana föroreningsämnen som svavel, fosfor, kväve och väte. En hög halt av dessa för- oreningsämnen minskar även stålets korrosionsbeständighet, eftersom föroreningsämnena segrar längs korngränserna, varvid en t.o.m. mycket komplicerad termomekanisk behandling icke ger det önskade resultatet. Förekomsten av de "skadliga" föroreningsämnena 1 lokaliserade områden i koncentrationer, vilka i hög grad överstiger den övre-gränsen, inverkar ofrån- komligen på det färdiga stålets struktur och på de av detta stål framställda alstrens driftmässiga slutegenskaper, var- för de medicinska verktyg, som framställts av detta stål och användes inom traumatologin, icke lämpar sig för praktisk användning på grund av de låga mekaniska och korrosions- 10 15 20 25 30 35 40 8207007-9. skyddande egenskaperna.

Uppfinningstanke Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett sådant korrosionsbeständigt stål, som bibe- håller sin korrosionsbeständighet under lång tid vid arbete i aggressiva biologiska medier och uppvisar alla de önskade optimala mekaniska egenskaper, som erhålles genom termo- mekanisk behandling.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen medelst ett korro- sionsbeständigt stål, som består av kol, kisel, mangan, krom, nickel, molybden, fosfor, svavel och järn, varvid stålet, enligt uppfinningen, dessutom innehåller titan, syre, kväve, väte, lantan och yttrium, medan samtliga grundämnen förekommer i följande halter i viktprocent: 0,06- - 0,08 % kol 0,1 - 0,3 % kisel 0,8 - 1,5 % mangan ”E 16 ~ - 18 % krom« 9 - 11 -% nickel 2 - 3 % molybden 0,5 - 0,8 % titan o,o1s - o,o2 s fcsfor 0,001 - 0,003 % svavel 0,002 ~ 0,003 % syre 0,002 - 0,004 % kväve 0,0005- 0,001 % väte 0,023 4 0,026 % lantan % 0,022 - 0,025 yttrium, medan järn utgör resten Samtliga beståndsdelar och nämnda haltförhållande mellan dessa bidrar till att stålet får de önskade mekaniska och korrosionsskyddande egenskaperna. De valda gränserna av 0,06 - 0,08 viktprocent för kolhalten beror exempelvis på att en fortsatt ökning av kolhalten i det korrosionsbe- ständiga stålet kan leda till att stålet får tvåfasig struk- tur, vilket kan försämra stålets viktiga driftmässiga egen- skaper. Om kolhalten är lägre än 0,06 viktprocent, får slâlot icke de önskade hâllfasthetsegenskaperna, när detaljer inn-www*- 15 _20 25 30 35 82Û2fÜÜ7-9 av varierande profil framställes av stålet.

Om kiselhalten är lägre är 0,1 viktprocent, kan man icke hållbart binda ett överskottssyre, som avges i form av oxider med låg hållfasthet vid korngränserna, vilka oxider sönderdelas lätt vid värmebehandlingen. När kiselhalten är högre än 0,3 viktprocent, minskas stålets seghet.

Om manganhalten är lägre än 0,8 viktprocent, får de färdiga alstren icke de önskade mekaniska egenskaperna. Då mangan- halten blir högre än 1,5 viktprocent, ökas stålets be- nägenhet för spñäbrott samtidigt som mangansulfidbildning i form av grövre inneslutningar intensifieras, varjämte stålets benägenhet för pittingkorrosion (spänningskorrosion) och interkristallin korrosion ökas.

Den undre gränsen av 9 viktprocent för nickelhalten bidrar till att det färdiga materialet får enfasig struktur vid för- _ utbestämda kromhalter. En sådan nickelhalt säkerställer, å andra sidan, att de färdiga alstren av varierande profil får de önskade mekaniska egenskaperna. Ifall nickelhalten i stålet blir högre än 11 viktprocent, blir stålet benäget för an- löpningssprödhet, varjämte stålets svetsbarhet försämras i vissa fall.

Om molybdenhalten är lägre än 2 viktprocent, försämras såväl stålets korrosionsbeständighet i aggressiva biologiska medier som det färdiga materialets mekaniska egenskaper (efter genom- förande av hela värmebehandlingsförloppet). Då molybdenhalten blir högre än 3 viktprocent, ökas risken att ferritstruktur bildas med efterföljande utveckling (intensifiering) av interkristallin korrosion.

Nämnda gränser av 16 - 18 viktprocent för kromhalten bidrar t-.ui att statt fat atttenitlsk struktur och följaktligen de önskade optimala driftegenskaperna. Om dessa gränser för kromhalten underskridas-respektive överskrides, minskas märk- bart sannolikheten för att stålet får den önskade enfasiga “was- : svffisf-:nfàffwnsïïf gp f-ssyfïr; sïæïfrví°=°'m^~»s«i tft. , ' * w,=._._f§:-*r--;= e Af: 10 15 20 25 30 35 8207007-9 , strukturen och de förutbestämda hållfasthetsegenskaperna.

Om titanhalten är lägre än 0,5 viktprocent, får stålet ferritstruktur i vissa fall samtidigt-som interkristallin korrosion förorsakas. Om titanhalten blir högre än 0,8 viktprocent, kan ferrit delvis omvandlas till en spröd sigma-fas samtidigt som stålets hâllfasthetsegenskaper för- sämras. I Om fosforhalten är lägre än 0,015 viktprocent, försprödas korngränserna avsevärt. Då fosforhalten blir högre än 0,02 viktprocent, utfälles (avges) fosfider vid korngränserna, vilka fosfider försvårar den termomekaniska behandlingen.

När svavelhalten är lägre än 0,001 viktprocent, bildas man- gansulfider icke vid korngränserna, varför pittingkorrosion undvikas. Om svavelhalten blir högre än 0,003 viktprocent, förorsakas intensiv interkristallin korrosion och spännings- korrosion. .

Om kvävehalten i stålet är minst 0,002 viktprocent, bildas titannitrider i stålet, vilka bidrar till att stålet får finkornig struktur. Om kvävehalten blir högre än 0,004 vikt- procent, får stålet en hög känslighet för åldring av vari- erande slag.

Den undre gränsen av 0,002 viktprocent för syrehalten säker- ställer att stålet desoxideras intensivt samtidigt som korn- gränserna renas i tillfredsställande grad från oxidinne- slutningar. Om syrehalten blir högre än 0,003 viktprocent, minskar stålets korrosionsbeständighet.

Om vätehalten i stålet utgör 0,0005 - 0,001 viktprocent, uppvisar stålet en låg känslighet för s.k. vätesprickbild- ning, varför ett minimalt antal mikroporer bildas, vilka mikroporer fortsättningsvis utgör en av orsakerna till att spänningskorrosion uppstår. En ökning av vätehalten i stålet medger en märkbar försämring av stålets korrosions- skyddande och hållfasthetsmässiga egenskaper. 10 20 25 30 35 ...st-N :sm-w » ... _ Det enligt föreliggande uppfinning föreslagna stålet inne- håller ytterligare lantan i en mängd av 0,023 - 0,026 vikt- procent, vilket förhindrar filmsulfidbildning, minskar anisotropin 1 stålets mekaniska egenskaper och begränsar dess benägenhet att blir sprött vid värmebehandling till följd av att lantan binder skadliga föroreningsämnen (exempelvis svavel, syre, fosfor och andra grundämnen) till kemiska föreningar.

Dessutom innehåller stålet yttrium i en mängd av 0,022 - 0,025 viktprocent, varvid yttriums funktion liknar lantans ovan beskrivna funktion.

Det korrosionsbeständiga stålet enligt uppfinningen upp- visar högre mekaniska och korrosionsskyddande egenskaper jämfört med de kända stålen av detta slag. Det kalldefor- merade stålets brottgräns är exempelvis 25 % högre än de kända stålens brottgräns och utgör 100 - 110 kp/mmz, var- vid stålets flytgräns (sträckgräns) ökar med 35 %. Det .enligt uppfinningen föreslagna stålets korrosionsbeständighet efter termomekanisk behandling är 1,5 gånger högre än de kända stålens. Ett av detta stål framställt medicinskt verk- tyg, som är avsett att användas inom kirurgi och traumato- logi, bibehåller sin korrosionsbeständighet under en tid av 3 - 5 âr. Det korrosionsbeständiga stålet enligt uppfin- ningen uppvisar tämligen hög bioförenlighet.

Föredragen utföringsform av uppfinningen Det korrosionsbeständiga stålet enligt uppfinningen är, teknologiskt sett, enkelt att framställa och framställes företrädesvis på följande sätt. stålet framställes i elektronstråleugnar av vakuumtyp eller ljusbågugnar. Som utgångsmaterial användes svavel-, fosfor- och syrefria material (exempelvis järn, nickel, molybden, titan, 1antan,yttrium) och ferrolegeringar (exempelvis ferrokrom). ferrokisel, ferromangan, 10 15 20 30 82Û7ÜÜ?~9 För att kunna framställa en elektrod, som är avsedd för efterföljande smältning, användes konventionella s.k. pul- vermetallurgiska förfaranden, som är baserade på att pulver av rena metaller sammanpressas och sintras i vakuum.

När stålet framställes i elektronstrålevakuumugnar, in- föres elektroden och de kompakta ferrolegeringarna (satsen) i ugnens beskickningsanordning, varefter man tätt tillsluter ugnens arbetskammare och beskickningsanordning och alstrar torr. Man inkopplar därefter elektronstrålekanonen och fokuserar elektronstrålen vid den ovanför en kokill placerade elektrodens ände. Elek- troaan bringas att smälta tills ett smalt metallbad med ett ett så lågt tryck som 5-10-5 djup av 50 - 100 mm åstadkommits i kokillen.

En del av den smälta metallen förflyttas därefter nedåt medelst en utdragningsanordning in i den kallare zonen, varvid denna metall bringas att stelna; Samtidigt konstant- hålles det ursprungliga låga trycket i arbetskammaren. Under dessa betingelser inmatas elektroden kontinuerligt i den I under elektronstrålen liggande zonen och bringas att smälta.

Allteftersom kokillen fylles med den smälta metallen, utdras periodvis (satsvis) metallens stelnade del i och för fram- ställning av ett cylindriskt göt.

Uppfinningen beskrivas närmare nedan medelst följande exem- pel.

Exempel 1 Man framställer ett korrosionsbeständigt stål, som 1 vikt- procent innehåller följande grundämnen: wmzmuflavz 10 15 20 25 30 '35 . 9 s2o7on7~9 0,06 % kol 0,1 Q mangan 0,8 % kisel 16,1 % krom 9 % nickel 0,5 % titan 2,15 % molybden 0,001 % svavel 0,015 % fosfor 0,002 % kväve 0,002 % syre 0,0005 % väte 0,023 % lantan 0,024 % yttrium, medan järn utgör resten (se tabell I).

Stålet framställes i en elektronstrålevakuumugn med en effekt av 250 kW. Som utgångsmaterial användes svavel-, fosfor- och syrefria pulverformiga armcostål, nickel, molybden, titan, lantan och yttrium, vilka i förväg varm- sammanpressas och vakuumsintras. Som ferrolegeringar använ- des konventionella material exempelvis ferrokrom, ferro- kisel, ferromangan som är fria från svavel och fosfor. En metallkeramisk elektrod och ferrolegeringarna placeras i elektronstråleugnens beskickningsanordning, varefter man tätt tillsluter ugnens beskickningsanordning och arbetsrum och åstadkommer ett så lågt tryck som 5-10-5 torr. Man startar därefter elektronstrâlekanonen, fokuserar elektron- strålen på den ovanför kokillen placerade elektrodens ände och bringar en del av materialet att smälta i och för åstad- kommande av ett smält metallbad i kokillen. Ett 200 mm långt göt framställes i en kokill med en diameter av 100 mm. Göt- ets stelnade del utdrages medelst en speciell anordning, under det att den smälta metallnivån i kokillen konstant- hålles automatiskt. Det färdiga götet utdras ur kokillen efter götets kylning i ugnen under en tid av 2 timmar.

Exempel 2, 3 (stålets sammansättning anges i tabell 1) Stålet framställes på samma sätt som beskrives i exempel 1._ "__-_ __.._-..__. ...i 8207007-9 IO I tabell 2 redovisas det enligt uppfinningen föreslagna stålets (exempel 1 - 3) och det kända stålets (BS-3531- 1968, exempel 4) mekaniska egenskaper efter snabbsamman- pressning, härdning vid en temperatur av 1100 - 1150°C^i vatten, samt deformation vid 2000 under hoptryckning med ungefär ao z een siering vid soo°c under en tia ev 1oo timmar. I samma tabell anges resultaten av korrosions- prov (en s.k. pittingbildningspotential i en lösning av o,s z Neci vid 2o°c>.

Såsom det framgår av tabell 2, uppvisar stålet enligt upp- finningen efter deformationsbehandlingen vid 20°C och vid en total hoptryckningsgrad av ca 30 % avsevärt högre meka- niska egenskaper än det kända stålet efter samma behand- ling. Brottgränsen hos stålet enligt uppfinningen är nästan 30 % högre än det kända stålets brottgräns, medan dess flytgräns är 50 % högre. Det föreslagna stålets tänjbarhet är alltså avsevärt högre än det kända stålets tänjbarhet.

Det föreslagna stålets mekaniska egenskaper efter åld- ringen visar sig vara ännu högre. Pittingbildningspotentialen, som karakteriserar materialets korrosionsbeständighet i ett bestämt aggressivt medium, är för det föreslagna stålet med ungefär 30 % högre än det kända stålets nämnda potential, varvid det föreslagna stålets nämnda potential i en 0,8 %-ig lösning av natriumklorid utgör 1,48 V, medan denna potential för det kända stålet är högst I V.

Industriell användbarhet Det korrosionsbeständiga stålet enligt föreliggande uppfin- ning kan användas för framställning av speciella medicinska verktyg, som är användbara inom kirurgi och traumatologi. »ahwlw e» --..<.-.-.,«~ _ 10 15 20 25 30 35 Tabell I Exempel: Sammansättning, 8207007-9 1 0,06 0,1 2 0,07 0,026 3 0,08 0,3 Exem- Sammansättninq, pel 1 0,001 0,015 2 0,003 0,017 3 0,007 0,02 0,024 0,026 Mo 0,5 2,15 0,47 2,5 0,8 2,85 Y Fe o,ooos 0,023 0,024 71,322: o,o2s 69,057? o,o22 65,387 Tabell II De föreslagna och kända stålens egenskaper Ex. Termomekaniska behandlings- förhållanden 1 1 Deformation vid 2o°c, 30 % hoptryckning, Detsamma plus åldring vid 600°C under en tid av 100 tim. 2 Deformation via 2o°c, so % hoptryckning Detsamma plus åldring vid 600°C under en tid av 100 tim.

Mekaniska egenskaper BIOtt- kontraktioq töjningl 11 11 10 15 20 ef, -J 8207007~9. 1 Exempel 2 3 ¿ 3 veformation via 2o°c 11a 110 az s } 30 % hoptryckning Detsamma plus åld- 120 110 46 12 ring vid 600°C under en tid av 100 tim.

Det kända Deformation vid 2o°c 87,9 70,3 12 stålet av hoptryckning med 30 % BS 3531- 1968-typ _ Hårdhet Slagseghet . Pittingbildningspotential HV kpm/cm2 i en 0,8 %-ig lösning av Nacl vid 2o°c, V 324 , 1,48 347 6,7 1,3 315 7,9 1,49 350 6,9 1,33 327 , 1,48 346 , 1,31 0,98

Claims (3)

10 20 IS 252070017"- Patentkrav Korrosionsbeständigt stål bestående av kol, kisel, mangan, nickel, molybden, krom, fosfor, svavel och järn, k ä n - n e t e c k n a t av att det ytterligare innehåller titan, syre, kväve, väte, lantan och yttrium, varvid samtliga grundämnen förekommer i följande halter i viktprocent: 0,06 0,1 0,8 16 9 2 0,5 0,015 0,001 0,002 0,002 0,0005 0,023 0,022 0,08 0,3

1. ,5 -18 -11 3 0,8 0,02 0,003 0,003 0,004 0,001 0,026 0,025 kol kisel mangan krom nickel molybden titan fosfor svavel syre kväve väte lantan yttrium, medan järn utgör resten. 8207007-9 , Sammandrag Uppfinningen avser ett korrosionsbeständigt stål. Stâlet består av kol, kisel, mangan, nickel, kron, molybden, fosfor, svavel, järn, titan, syre, kväve, väte, lantan och yttrium, varvid samtliga grundämnen ingår i följande halter i viktprocent: 0,06 - 0,08 % kol 0,1 - 0,3 % kisel 0,8 - 1,5 % mangan 16 - 18 % krom 9 - 11 % nickel

2. - 3 % molybden 0,5 - 0,8 % titan 0,015 - 0,02 æ fosfor 0,001 - 0,003 % svavel 0,002 - 0,003 % syre 0,002 - 0,004 % kväve 0,0005 - 0,001 % väte 0,02

3. - 0,026 % lantan 0,022 - 0,025 % yttrium, medan järn utgör resten.