Индукционное оксидирование остеофиксаторов
Исследование принципиальной возможности применения технологии индукционного газотермического оксидирования при создании функциональных металлооксидных покрытий на остеофиксаторах из нержавеющей стали. Технологические условия газотермической обработки.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.07.2018 |
| Размер файла | 179,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФГБОУ ВПО «Саратовский ГТУ имени Гагарина Ю.А.»
Индукционное оксидирование остеофиксаторов
Родионов И.В., Калганова С.Г.
Аннотация
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МК-1799.2011.8. Исследована принципиальная возможность применения технологии индукционного газотермического оксидирования при создании функциональных металлооксидных покрытий на остеофиксаторах из нержавеющей стали. Получены покрытия при использовании различных реакционных окислительных сред - воздуха и перегретого водяного пара. Установлены технологические условия газотермической обработки, позволяющие создать металлооксидные покрытия с комплексом свойств, обеспечивающих медико-техническую эффективность применения стальных остеофиксаторов.
Annotation
Investigated the principal possibility of application technology induction gas-thermal oxidation to develop functional metaloxide coatings on osteoclamps of stainless steel. Obtained coatings by using a different reaction of oxidizing environments - air and superheated steam. Installed technological conditions of gas-thermal processing, to create a metaloxide coatings with a complex of properties, providing medical and technical efficiency of steel osteoclamps.
Возможность получения и практического использования металлооксидных покрытий на стальных остеофиксаторах, функционирующих в костных структурах, является весьма актуальной, т.к. создаваемые на поверхности изделий металлооксидные слои способны обеспечить повышенный уровень адаптации к ним окружающих биоструктур. Поэтому исследование и разработка металлооксидных покрытий с новыми свойствами и качествами биосовместимости позволит расширить спектр областей применения технологии газотермического оксидирования и повысить качество современных медицинских имплантатов типа чрескостных остеофиксаторов из нержавеющей хромоникелевой стали.
Опытные образцы представляли винтовые стержни для чрескостного остеосинтеза, выполненные из биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72) .
Подготовка поверхности образцов перед газотермической обработкой проходила в несколько этапов, включающих пескоструйную обработку корундовым абразивом для получения исходной микрошероховатости, ультразвуковое обезжиривание (УЗО) в моющем растворе, промывку и сушку.
Газотермическая обработка проводилась с использованием двух способов: воздушно-термического и паротермического оксидирования.
Воздушно-термическое оксидирование осуществлялось в лабораторной цилиндрической электропечи индукционного нагрева со свободным доступом воздуха в ее рабочий объем при частоте тока на индукторе 100 кГц, напряжении 35 В и мощности индукционного нагрева 150 Вт (рис.1). Данная индукционная электропечь включает основной блок питания (ОБП), генераторный блок (ГБ) и вспомогательный блок (ВБ). ОБП обеспечивает функционирование ГБ, питающего индуктор переменным током с частотой 100 кГц, оптимальной для технического решения индукционного нагревательного устройства и обеспечивающей наибольшую скорость нагрева стальных изделий. Драйвер ГБ питается стабилизированным напряжением 15 В от ОБП, выходной силовой каскад - регулируемым постоянным напряжением 100-300 В от ОБП, с помощью которого изменяется выходная мощность. ВБ обеспечивает напряжение 12 В для питания вентиляторов принудительного охлаждения ГБ и индуктора.
Рис. 1. Схема устройства индукционного нагрева опытных образцов
При воздушно-термическом оксидировании остеофиксаторов применялись температуры индукционной обработки 400 и 5000С с продолжительностью 0,5 ч при каждой температуре. Образование покрытия происходило за счет взаимодействия металлической основы с кислородом воздуха при определенной температуре в печи. В результате такого реакционного взаимодействия на обрабатываемой поверхности формировались металлооксидные соединения, которые придавали ей комплекс повышенных физико-химических и механических свойств отличных от свойств основного металла.
Паротермическое оксидирование проводилось в камерной электропечи экспериментальной нагревательной установки при температуре 5500С и выдержке 2 ч в атмосфере перегретого водяного пара. Паровая реакционная среда подавалась в камеру печи установки под давлением 1,2-1,3 атм, которое поддерживалось на протяжении всей продолжительности оксидирования. Получение термооксидных покрытий происходило в условиях взаимодействия стальной поверхности остеофиксаторов с реакционными компонентами парогазовой среды, в результате чего формировались поверхностные металлооксидные системы определенной толщины и структуры.
Путем профилометрических и оптико-микроскопических исследований установлено, что в результате оксидирования создается морфологически развитое шероховатое покрытие с гетерогенной поверхностной структурой, имеющей многочисленные микронеровности, включая открытые поры, углубления и частицы различного размера. Такая структура оксидированной поверхности способна обеспечить эффективное взаимодействие ортопедических изделий с костной тканью (рис. 2).
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис. 2. Морфология газотермических оксидных покрытий на стали 12Х18Н9Т при различных способах оксидирования: а - воздушно-термическое оксидирование при t=4000С, ф=0,5 ч; б - воздушно-термическое оксидирование при t=5000С, ф=0,5 ч; в - паротермическое оксидирование при t=5500С, ф=2 ч (х300)
Так, величина суммарной открытой пористости у воздушно-термических оксидных покрытий при индукционном нагреве достигала 34%, у паротермических покрытий - 39% при довольно высокой степени шероховатости поверхности (табл.).
индукционный газотермический оксидирование сталь
Таблица. Характеристики газотермических оксидных покрытий чрескостных остеофиксаторов
|
Способ термооксидирования |
Режим обработки стали 12Х18Н9Т |
Характеристики покрытий |
|||||||||||||
|
рсреды, атм |
t, 0С |
ф, ч |
частота тока, кГц |
напряжение на индукторе, В |
мощность индукц. нагрева, Вт |
фазовый состав |
толщина, мкм |
адгезия, МПа |
микротвердость, ГПа |
пористость, % |
Шероховатость, мкм |
||||
|
Rа |
Rmax |
Sm |
|||||||||||||
|
Индукционное воздушно-термическое |
норм. |
400-500 |
0,5 |
100 |
35 |
150 |
Fe, Fe2O3, FeNi, Ti2O3 |
25-40 |
23-26 |
4,8-5,5 |
29-34 |
1,1-1,4 |
5,6-5,8 |
~8 |
|
|
Паротермическое |
1,2-1,3 |
550 |
2 |
- |
- |
- |
Fe3O4, FeNi, Ti3O5 |
55 |
25 |
5,2-5,4 |
35-39 |
1,2-1,3 |
5,4-5,9 |
10-14 |
Экспериментальными исследованиями доказано, что покрытия, получаемые в воздушной окислительной среде печи индукционного нагрева при t>5000С, ф>0,5 ч, частоте тока на индукторе 100 кГц, напряжении 35 В и мощности индукционного нагрева 150 Вт, а также покрытия, формируемые в среде перегретого водяного пара при t>5500С с ф>2 ч, не обладают физико-химическими и механическими характеристиками, обеспечивающими требуемые медико-технические показатели поверхности чрескостных остеофиксаторов.
Стальные остеофиксаторы с воздушно-термическими оксидными покрытиями, полученными в условиях индукционного нагрева при режимах t=400, 5000С с ф=0,5 ч, и с паротермическими оксидными покрытиями, созданными при t=5500С с ф=2 ч, были опробованы в условиях эксперимента in vivo, результаты которого показали высокий уровень биосовместимости применяемых покрытий и их способность к интеграционному взаимодействию с костной тканью.
На данном основании можно полагать, что металлооксидные слои, созданные атмосферным окислением нержавеющей хромоникелевой стали в условиях индукционного нагрева при 400 и 5000С, частоте тока на индукторе 100 кГц, напряжении 35 В и мощности индукционного нагрева 150 Вт, а также паротермическим оксидированием при 5500С будут благоприятствовать адаптации биоструктур организма к имплантируемым чрескостным остеофиксаторам, обеспечивая их высокую приживляемость и функциональную надежность.
Выводы
1. Результатами выполненных исследований доказана принципиальная возможность применения чрескостных фиксаторов из нержавеющей стали 12Х18Н9Т с металлооксидными покрытиями, полученными способом воздушно-термического индукционного оксидирования при температурах нагрева электропечи t = 400 и 5000С, продолжительности ф=0,5 ч, частоте тока 100 кГц, напряжении на индукторе 35 В, мощности индукционного нагрева 150 Вт, а также созданные способом паротермического оксидирования при режимах t = 5500С с ф=2 ч.
2. Стальные остеофиксаторы с пористыми и морфологически гетерогенными газотермическими оксидными покрытиями показали повышенную эффективность применения за счет обеспечения высокого уровня биосовместимости и способности интеграционного взаимодействия с костной тканью.
Литература
1. Родионов И.В. Получение оксидных биосовместимых покрытий на чрескостных титановых имплантатах методом паротермического оксидирования // Перспективные материалы. №5, 2009. С. 35-44.
2. Родионов И.В. Металлооксидные покрытия с остеокондуктивными свойствами на остеофиксаторах из нержавеющей стали 12Х18Н9Т / Материали за VII Международна научна практична конференция «Научният потенциал на света - 2011». София, България: Изд-во «Бял ГРАД-БГ» ООД. Т.6. С. 49-55.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
- Исследование процесса движения частиц в газоплазменном потоке при газотермическом нанесении покрытий
Характеристика основных закономерностей процесса газотермического нанесения покрытий. Устройство плазматрон. Преимущества технологии газотермического нанесения покрытий. Моделирование воздействия концентрированного потока энергии на поверхность.
контрольная работа [3,2 M], добавлен 16.06.2013 История открытия нержавеющей стали. Описание легирующих элементов, придающих стали необходимые физико-механические свойства и коррозионную стойкость. Типы нержавеющей стали. Физические свойства, способы изготовления и применение различных марок стали.
реферат [893,5 K], добавлен 23.05.2012История возникновения и развития технологии напыления, ее современные методы, преимущества, недостатки. Классификация процессов газотермического напыления покрытий. Основные виды установок напыления. Схема универсальной установки газопламенного напыления.
курсовая работа [309,1 K], добавлен 17.10.2013Выбор и обоснование футеровки сталеразливочного ковша. Выбор дутьевых продувочных устройств. Расчет основных параметров обработки стали: раскисление и легирование; процесс десульфурации стали в ковше. Технологические особенности внепечной обработки стали.
курсовая работа [423,1 K], добавлен 21.04.2011Обзор режимов закалки и отпуска деталей штампового инструмента горячего деформирования. Выбор стали для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в горячем состоянии. Характеристика микроструктуры и свойств штампов после термической обработки.
контрольная работа [22,5 K], добавлен 18.05.2015Условия пассивности стали в нейтральных и щелочных средах. Механизм защитного действия бетона, существующие виды антикоррозионных покрытий. Механизм, этапы технологии приготовления и нанесения порошковых покрытий и ее технико-экономический эффект.
диссертация [517,7 K], добавлен 31.12.2015Особенности технологии выплавки стали. Разработка способов получения стали из чугуна. Кислородно-конвертерный процесс выплавки стали. Технологические операции кислородно-конверторной плавки. Производство стали в мартеновских и электрических печах.
лекция [605,2 K], добавлен 06.12.2008Характеристика стали 60С2А, химический состав и механические свойства. Структурные превращения в стали при термической обработке. Выбор оборудования для обработки детали. Разработка технологии термообработки и маршрутной технологии изготовления пружины.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 05.12.2014Классификация и маркировка стали. Характеристика способов производства стали. Основы технологии выплавки стали в мартеновских, дуговых и индукционных печах. Универсальный агрегат "Conarc". Отечественные агрегаты ковш-печь для внепечной обработки стали.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 11.08.2012Понятие и особенности применения защитных покрытий, порядок и правила их нанесения. Технологические режимы окраски поверхностей разными лакокрасочными материалами. Ингибиторы коррозии и специфика их применения в неорганической технологии, эффективность.
контрольная работа [19,5 K], добавлен 28.04.2011Изучение наиболее эффективных методов термического напыления: плазменного, газопламенного и детонационного, а также плазменной наплавки для восстановления изношенных деталей. Особенности формирования покрытий при сверхзвуковом газопламенном напылении.
реферат [1,4 M], добавлен 13.12.2017Описание электропечи и установки внепечной обработки. Определение производительности участка. Изучение технологии выплавки и разливки шарикоподшипниковой стали. Подготовка печи к плавке. Расчет металлошихты, расхода ферросплавов для легирования стали.
курсовая работа [760,3 K], добавлен 21.03.2013Характеристика заданной марки стали и выбор сталеплавильного агрегата. Выплавка стали в кислородном конвертере. Материальный и тепловой баланс конвертерной операции. Внепечная обработка стали. Расчет раскисления и дегазации стали при вакуумной обработке.
учебное пособие [536,2 K], добавлен 01.11.2012Применение наплавки для повышения износостойкости трущихся поверхностей в машиностроительном производстве. Технологические процессы лазерной обработки металлов. Технология нанесения покрытий лазерным оплавлением предварительно нанесенного порошка.
реферат [682,4 K], добавлен 22.02.2017Поверхностное упрочнение твердых сплавов. Упрочнение нанесением износостойких покрытий. Методика нанесения износостойких покрытий на прецизионный твердосплавный инструмент. Оптимизация технологии формирования покрытий на сверлах из твердого сплава.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 08.10.2012Физико-химические свойства никеля. Технологические особенности процесса никелирования. Выбор толщины покрытия. Приготовление и корректировка электролитов. Определение продолжительности обработки деталей. Расход химикатов на выполнение годовой программы.
курсовая работа [467,8 K], добавлен 13.10.2017Комбинированные способы внепечной обработки стали, используемые технологические приемы и оценка их практической эффективности. Агрегаты, используемые в процессе внепечной обработки стали: электродуговой подогрев, ковш-печь, установки с вакуумированием.
реферат [431,0 K], добавлен 28.04.2014Анализ существующих технологических процессов алмазно-абразивной обработки напылённых покрытий и технической минералокерамики. Физико-механические свойства керамических материалов. Влияние технологических факторов на процесс обработки напылённой керамики.
дипломная работа [4,0 M], добавлен 28.08.2011Сущность и преимущества золь-гель-технологии синтеза порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Технологические свойства, структура и фазовый состав полученных порошков и напыленных из них покрытий, перспективы их применения.
статья [172,1 K], добавлен 05.08.2013Общая характеристика и сущность вакуумного напыления. Реактивный метод нанесения покрытий конденсацией с ионной бомбардировкой (метод КИБ). Обзор гальванического метода нанесения покрытий. Изнашивание при трении по стали и по полированной стали.
курсовая работа [993,4 K], добавлен 08.12.2012
