Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác SAE4161 dùng để sản xuất dụng cụ y tế

Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác SAE4161 dùng để sản xuất dụng cụ y tế

Bộ công THƯƠNG

TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM Viện Luyện kim Đen

Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen

Chủ nhiệm đề tài: KS PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG

6827

27/4/2008

Tháng 12/2007

1.1.2 Ph©n lo¹i thÐp kÕt cÊu chÕ t¹o m¸y……….5

1.2 ¶nh h−ëng cña c¸c nguyªn tè hîp kim lªn tÝnh chÊt cña thÐp………… 6

1.3 Lùa chän m¸c thÐp lµm dông cô phÉu thuËt……… 11

2 Néi dung vµ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu……… 13

2.1 Néi dung nghiªn cøu……… 13

Mở đầu

Trong vũng 10 năm trở lại đõy, nền kinh tế Việt Nam khụng ngừng phỏt triển Thu nhập bỡnh quõn theo đầu người ngày một tăng Người dõn cú điều kiện chăm lo đến sức khỏe của mỡnh hơn Điều kiện chăm súc y tế được cải thiện hơn Mạng lưới cỏc bệnh viện phỏt triển ở tất cả cỏc huyện thị trong cả nước Đồng thời cỏc cơ sở khỏm chữa bệnh tư nhõn cũng xuất hiện ở hầu khắp cỏc thành phố, thị xó Do đó nhu cầu về dụng cụ y tế, đặc biệt là dụng cụ phẫu thuật tăng lên

Trong công nghiệp chế tạo dụng cụ phẫu thuật thép vẫn là vật liệu chủ yếu Thép có nhiều tính năng ưu việt như ; có độ cứng cao, độ chịu mài mòn tốt, dễ gia công cơ khí, đáp ứng được đòi hỏi khắt khe về dụng cụ y tế ở Việt Nam đã có nhà máy chuyên sản xuất dụng cụ y tế, nguyên liệu dùng để sản xuất phần lớn là nhập ngoại, nhưng cũng chỉ thỏa mãn một phần nhu cầu, phần lớn dụng cụ y tế đều phải nhập từ nước ngoài Để tăng nội lực sản xuất trong nước, đáp ứng một phần nhu cầu của xã hội, Viện luyện kim đen đăng ký và được Bộ công thương giao đề tài

“Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác SAE4161 dùng để sản xuất dụng cụ y tế”

Hướng của đề tài là sử dụng tối đa những kết quả nghiên cứu và sản xuất đã áp dụng thành công ở những nước phát triển để xác lập được quy trình công nghệ thích hợp sản xuất được mác thép đã chọn Mác thép sản xuất theo quy trình đã chọn phải có các thông số về thành phần hóa học, tính chất cơ lý, kim tương… tương đương với vật liệu của nước ngoài từ mác thép sản xuất chế tạo thành dụng cụ phẫu thuật tại Công ty cổ phần MEINFA, đạt Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành

Nội dung của báo cáo đề tài gồm các phần chính sau: - Tổng quan chung

- Nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu - Kết quả đạt được

- Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo - Phụ lục

Trong quá trình thực hiện nhóm đề tài nhận được sự chỉ đạo sát sao của Vụ Khoa học và Công nghệ, Bộ Công thương và sự cộng tác hiệu quả của công ty Cổ phần MEINFA, khoa ngoại bệnh viện huyện Thường Tớn, công ty cơ khí 79, các cán bộ của Viện Luyện Kim Đen Nhân dịp này chúng tôi cũng xin cám ơn các qu ý cơ quan và các cá nhân đã giúp chúng tôi hoàn thành đề tài được giao

1 tổng quan 1.1 Tổng quan chung về thép kết cấu hợp kim

1.1.1 Giới thiệu chung

Thép kết cấu chế tạo máy là các loại thép được dùng làm chi tiết máy, trong đó có rất nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, đòi hỏi có cơ tính tổng hợp cao cả về độ bền, độ dẻo, độ dai… Ngoài ra thép chế tạo máy cũng là loại thép đa dạng về cơ tính với những yêu cầu nhiều khi khác hẳn nhau: từ cần mềm, dẻo để dập sâu cho đến cứng, đàn hồi như lò xo, nhíp; từ độ bền thông thường cho tới độ bền cao như trục truyền, bánh răng v.v…; từ yêu cầu độ cứng, tính chống mài mòn thông thường cho đến loại cần độ cứng, tính chống mài mòn cao

Những nguyên tố hợp kim đưa vào thép chế tạo máy có tác dụng chủ yếu làm

tăng độ thấm tôi để đạt được cơ tính cao, đồng nhất trên tiết diện Hợp kim hoá thép

chế tạo máy cũng phải đạt được yêu cầu là không làm tăng quá nhiều giá thành sản phẩm vì lượng thép được sử dụng khá lớn Giải pháp hợp lý là dùng các nguyên tố hợp kim với hàm lượng không cao và rẻ tiền Nhìn chung các loại thép chế tạo máy được hợp kim hoá thường là hợp kim thấp, số mác thép hợp kim hoá trung bình đến 5-6% chiếm tỷ lệ không cao Các nguyên tố hợp kim thường dùng là Mn, Si là các nguyên tố hợp kim rẻ tiền, dễ kiếm Ngoài ra còn hay dùng nguyên tố Cr vì có tác dụng tốt và giá thành không quá cao Niken tuy khá đắt nhưng có tác dụng rất tốt đến độ thấm tôi khi được dùng kèm với Cr và bảo đảm có độ dai cao nên được dùng cho các chi tiết với yêu cầu cao về cơ tính và độ tin cậy khi làm việc Người ta còn dùng Bo, N với lượng nhỏ (vi lượng) có tác dụng tốt đến cơ tính Molipđen thường được dùng với lượng không lớn (0,20-0,50%, nhiều khi nhỏ hơn) để tăng độ thấm tôi và tránh được dòn ram II

Khi dùng thép chế tạo máy là thép hợp kim cần theo các nguyên tắc sau:

• Chỉ dùng cho các chi tiết có đường kính, chiều dày lớn hơn 20 mm để bảo đảm tôi thấu, loại đường kính nhỏ hơn chỉ cần dùng thép cácbon vì đã bảo đảm tôi thấu

• Để bảo đảm tôi thấu và cơ tính đồng nhất, chi tiết có tiết diện càng lớn phải dùng thép hợp kim có thành phần hợp kim hoá càng cao

1.1.2 Phân loại thép hợp kim chế tạo máy

Căn cứ vào cơ tính và công dụng, người ta chia thép kết cấu chế tạo máy thành ba nhóm:

a, Thép có hàm lượng cácbon thấp, C≤ 0,25% hay thép thấm C

ở trạng thái ủ thép này có độ dẻo, độ dai cao song độ bền thấp Vì vậy chúng rất dễ dập nguội Nhìn chung các thép có hàm lượng C thấp có tính dập nguội khác nhau

Trong công nghệ chế tạo máy thường gặp các chi tiết dập nguội, nói chung các thép có hàm lượng C thấp đều thoả mãn tính công nghệ này Đặc điểm chung nữa của nhóm thép này là có tính gia công rất kém, tuy mềm song phoi quá dẻo, khó gẫy vụn, quấn lấy dao và bề mặt không nhẵn bóng

b, Thép có hàm lượng C trung bình, 0,30-0,50 %, hay thép hoá tốt (tôi + ram

cao)

Nhóm thép này so với nhóm thép trên ở trạng thái ủ có độ bền, độ cứng cao hơn; còn độ dẻo, độ dai tuy có giảm đi nhưng vẫn tốt Do đó các mác thép này vẫn đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của chi tiết máy chịu tải Tuy nhiên để đạt được độ bền đặc biệt là giới hạn chảy cao hơn mà vẫn bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai các thép này được qua nhiệt luyện hoá tốt (tôi + ram cao), chính vì thế nhóm thép này được gọi là thép hoá tốt

Thép hoá tốt tức là tôi và ram cao ở nhiệt độ ngay dưới A1, để bảo đảm có tính dai cao hơn, tức là có độ gia công dẻo tốt hơn Hoá tốt thép ta nhận được cấu trúc hạt mịn hơn Các tính chất cơ học: Độ dẫn nhiệt và dẫn điện của thép hoá tốt giảm dần theo chiều tăng của các thành phần hợp kim hoá trong thép Tất cả các mác thép hoá tốt đều rất thuận lợi cho việc hàn dưới áp lực

Các thép chế tạo máy hoá tốt được chia làm nhiều nhóm: - Thép không hợp kim hoá (thép cácbon);

- Thép hợp kim hoá có các nhóm: thép Mn-Si, thép Cr, thép Cr-Mo-V, thép Cr-Mo, thép Cr-Ni-Mo, thép Cr-Mn

Trong trường hợp vừa chịu tải trọng tĩnh và va đập cao vừa cần chống mài mòn ở bề mặt làm việc, sau khi nhiệt luyện hoá tốt thép được sử lý qua tôi bề mặt để có tính chống mài mòn tương đối cao

So với nhóm thép trên nhóm thép này có tính dập nguội kém hơn Tính hàn của nhóm thép này thấp do lượng C đã vượt quá 0,25% Về tính gia công cắt gọt, nói chung thép này có ưu việt hơn Tuy cứng hơn song phoi thép dễ gãy làm cho cắt gọt được dễ dàng hơn Ngay ở trạng thái hoá tốt có độ cứng cao vào khoảng 250-265 HB tuy hơi khó cắt song lại tạo nên bề mặt bóng, nhẵn hơn rất thích hợp cho gia công tinh

Trong khuôn khổ của đề tài, chúng tôi chỉ chú trọng tới loại thép kết cấu hợp kim có hàm lượng các bon tương đối cao, đặc biệt là hệ thép Cr-Mo

Cho thêm Mo vào thép Crôm làm cho thép nhỏ hạt, tăng độ thấm tôi, nâng cao độ bền và khắc phục khuynh hướng giòn ram và lớn lên của hạt khi nung nóng Mo có ảnh hưởng đặc biệt đến việc nâng cao tính chất của thép ở nhiệt độ cao

Thép được dùng sau tôi và ram (đôi khi thường hóa và ram) để làm các chi tiết quan trọng và cỡ lớn như các loại trục, các chi tiết của tuabin (rôto, trục, đĩa) cũng như các chi tiết kẹp chặt làm việc ở nhiệt độ cao Do có độ bền và tính hàn tốt, thép Cr-Mo được sử dụng rộng rãi để làm các chi tiết kết cấu hàn quan trọng

c, Thép có hàm lượng C tương đối cao, 0,55-0,65%, hay thép đàn hồi

Nhóm thép này ở trạng thái ủ đã khá cứng, bền; còn độ dẻo, độ dai tương đối thấp, không thích hợp với các chi tiết máy nói chung Tính chất nổi bật của nhóm thép này là có giới hạn đàn hồi cao nhất sau khi nhiệt luyện tôi + ram trung bình đạt độ cứng trong khoảng HRC 35-45 hay HB 350-450 Vì vậy công dụng chủ yếu của thép này là làm lò xo, nhíp cũng như các chi tiết có tính đàn hồi cao

Vì có độ bền đặc biệt là tính đàn hồi cao nên nhóm thép này rất khó dập nguội và thường chỉ được gia công nóng Tính hàn của thép này kém Tính gia công cắt gọt không cao

1.2 ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên tính chất của thép

1.2.1 ảnh hưởng của Cacbon

Cacbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, kìm hãm sự chuyển biến Mactenxit và do đó làm tăng độ ổn định của pha Austenit Do có khả năng tạo thành Cácbit có độ cứng cao nên cacbon là nguyên tố tăng bền rất tốt Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cacbon giảm do có sự thay đổi cấu hình của cacbit Nếu có các nguyên tố tạo cacbit mạnh trong hợp kim thì cacbon chủ yếu tập trung ở những vị trí hình thành cacbit, do đó khi tăng hàm lượng C sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cacbit, dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn và làm thay đổi tính chất của hợp kim Cacbon làm giảm tính dẻo, giảm khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim Vì vậy hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa cacbon ở lượng tương đối ít, đặc biệt là đối với những loại thép làm việc trong môi trường xâm thực mạnh (các bon thường ≤ 0,03%)

1.2.2 ảnh hưởng của Crôm

Crôm là nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chống gỉ của thép không gỉ Để bảo đảm tính chống gỉ trong môi trường xâm thực yếu và trong không khí ẩm, hàm lượng Crôm phải ≥12%

Hợp kim FeCr ở trạng thái rắn tạo ra một số dung dịch rắn γ, γ+α và α(xem hình 1) (1) Cr là nguyên tố mở rộng vùng Fe - α, với bất kỳ nồng độ Cr nào cũng có thể tạo ra tổ chức một pha của ferit, là dung dịch rắn giữa Fe- α và Cr

Hình 1 : Giản đồ trạng thái Fe- Cr (1)

ở hàm lượng 1 - 2% Cr hòa tan hoàn toàn trong sắt do bán kính nguyên tử của Cr gần bằng của Fe nên trong mạng tinh thể Fe - α, các nguyên tử Cr nằm trong các nút mạng thay thế các nguyên tử Fe tạo nên dung dịch rắn thay thế có các tính cơ học cao hơn Nguyên tố Cr còn nâng cao tính chống gỉ của thép Đặc biệt khi hàm lượng Cr ≥12%

Khi hàm lượng Cr trong thép tăng lên 2% thì sẽ tạo ra các loại cacbit Crôm

Khi hàm lượng Cr từ 10 ữ 12% trở lên sẽ tạo thành loại cacbit phức tạp Sự hình thành các loại cacbit này phụ thuộc vào hàm lượng crôm và cacbon (hình 2)(2) Nhờ có các loại cacbit này mà thép có độ cứng cao và chịu mài mòn tốt Crôm ảnh hưởng đến chuyển biến γ↔α , ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển biến và điều kiện tiết cacbit từ dung dịch rắn

Hình 2 ảnh hưởng của cacbon và Crôm lên sự tạo thành các bít

Ta đã biết rằng, khi trên bề mặt kim loại và hợp kim tạo được một lớp màng oxít có khả năng ngăn ngừa không cho các ion thấm qua và bám chặt vào kim loại nền Chính lớp màng này đã ngăn cản sự oxy hoá tiếp theo, tạo cho kim loại và hợp kim ở vào trạng thái thụ động Đó là lớp màng thụ động Khả năng chống gỉ của hợp kim phụ thuộc vào tính chất vật ly và hoá học của lớp màng bảo vệ này Trong các nguyên tố hợp kim thì crôm có vai trò quan trọng trong việc làm bền vững lớp màng thụ động, vì nó có ái lực hoá học với oxy cao hơn sắt

1.2.3 ảnh hưởng của Mo

mạng của Mo lớn hơn thụng số mạng của sắt nhiều, do đú cản trở sự hỡnh thành một loạt cỏc dung dịch đặc liờn tục Hợp kim húa thờm molipđen vào thộp cú hàm lượng cỏc bon trung bỡnh làm cho thộp cú cấu trỳc nhỏ hạt, tăng độ thấm tụi, làm tăng độ bền, khắc phục khuynh hướng giũn ram và lớn lờn của hạt khi nung núng Khi hàm lượng molipđen là 3,5 thỡ nú làm cho vựng γ khộp kớn hoàn toàn Độ hũa

với hệ hợp kim Fe-Mo thỡ sự chờnh lệch độ hũa tan ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao nhiều như vậy cho phộp tụi cú kốm theo húa già tiếp theo Do húa già cỏc tinh

bóo hũa làm thay đổi tớnh chất của nú đi rất nhiờu Molipđen là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh Cacbit molipđen có tính ổn định cao, khó hòa tan vào austenit khi nung Molipđen còn làm tăng mạnh độ thấm tôi của thép, cải thiện tính chống ram, do Mo

hiện tượng dòn ram

Trong thép làm dụng cụ y tế, Mo làm tăng độ thấm tôi, tăng độ cứng, tăng tính chống gỉ và tăng tính chống mài mòn Hàm lượng Mo trong thép này nằm trong khoảng 0,25 ữ 0,75

Hình 3 Giản đồ trạng thái Fe – Mo 1.2.4 ảnh hưởng của Si

Silicua Khi tăng hàm lượng Si, độ bền ăn mòn trong axit nitric bị giảm nhiều

1.2.5 ảnh hưởng của Mn

Mn làm tăng độ dai va đập của thép Khi hàm lượng Mn trong thép cao, độ

Photphoric Mn là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng γ Đối với C, Mn cũng tạo

cũng dễ tiết ra từ dung dịch rắn khi ram Mn làm tăng mạnh độ cứng và độ bền của ferit Mn cũng làm tăng mạnh độ cứng của austenit Khi nung để tôi hợp kim chứa C cao thì cacbit mangan dễ hòa tan vào austenit, độ bão hòa Mn trong dung dịch

rắn tăng lên Do đó sự phân hủy austenit khi làm nguội thép Fe- Cr-C chứa 1%Mn xảy ra rất chậm Tốc độ làm nguội khi tôi nhỏ tính thấm tôi cao, nên có thể tôi trong môi trường yếu (như dầu) Ưu điểm của thép chứa Mn là giảm chiều hướng biến dạng và tăng tính thấm tôi

1.3 Lựa chọn mác thép làm dụng cụ phẫu thuật

Những yêu cầu đối với dụng cụ phẫu thuật:

- Không gây ra các yếu tố độc hại cho cơ thể người - Phải bền trong môi trường ăn mòn và xâm thực đặc biệt - Phải bảo đảm tính chất cơ lý:

+ Phải bảo đảm đủ độ cứng và độ bền cơ học để chống được sự cọ sát mài mòn và chịu được lực kéo nén

+ Không bị thay đổi tính chất vật liệu khi khử trùng ở nhiệt độ cao + Có khả năng gia công cơ khí thành các chi tiết có hình dạng khác nhau

Vì vậy các dụng cụ phẫu thuật phải được chế tạo từ một loại vật liệu có độ bền cao, độ cứng cao, độ đàn hồi tốt, có khả năng chịu mài mòn, gia công tạo hình, gia công cơ khí và gia công nhiệt tốt Thép hợp kim Cr trước cùng tích thỏa mãn các yêu cầu trên Thép này có hàm lượng C cao (0,56-0,64%), bảo đảm sau tôi thép có độ cứng và tính chịu mài mòn cao Lượng Cr phải đủ lớn để bảo đảm độ thấm tôi tốt và đủ tạo ra một lượng cacbit để đảm bảo độ cứng và tính chịu mài mòn cao Để nâng cao tính chống gỉ, người ta còn hợp kim hóa thêm Ni, Mo, Cu…Ngoài ra đối với dụng cụ y tế được chế tạo không phải bằng thép không gỉ thì cần tiến hành mạ ni ken để tăng khả năng chống gỉ của dụng cụ Điều quan trọng là thép phải sạch các tạp chất phi kim (S, P nên nhỏ hơn 0,025 để không tạo ra các điểm mềm làm giảm khả năng làm việc của dụng cụ y tế)

Dựa vào điều kiện thực tế và các phân tích nêu trên, chúng tôi lựa chọn mác thép SAE 4161 để làm dụng cụ phẫu thuật Mác thép này có hàm lượng cacbon đủ lớn (0,56- 0,62%), Cr: 0,6-0,9; Mo: 0,15-0,30 bảo đảm thoả mãn các yêu cầu về vật liệu chế tạo dụng cụ phẫu thuật, nhất là đối với dụng cụ dùng để đục xương, dao mổ

Thành phần hoá học và tính chất cơ l ý của thép SAE4161 và các mác thép tương đương được nêu trong bảng 1 và 2.(3)

Bảng1: Thành phần hoá học của thép SAE4161 và các mác thép tương đương

Thành phần hoá học (%) Mác

50CrMo4

ISO 683 118:1996

0,54

0,46-0,40

1,20

0,90-0,30

0.56-0.64

0.35

0.90

0.70-0.35 42CrMo

0.25-GB 3077-88 (Trung Quốc)

0,45

0,30-0,37

1,20

0,90-0,25 50CrMo4 (số hiệu

0,90-0,30

0,15-Bảng 2: Tính chất cơ lý của thép SAE4161

(MPa)

σch (MPa)

δ (%)

Akv (J.cm2)

độ cứng sau ủ (HRs)

2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 2.1 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu, lựa chọn mác thép thích hợp để chế tạo dụng cụ phẫu thuật

- Xác lập quy trình công nghệ chế tạo thép SAE4161 gồm các bước: • Công nghệ nấu luyện

• Công nghệ tinh luyện • Công nghệ rèn

- Sử dụng phương pháp hoá học và quang phổ phát xạ (máy quang phổ ARL 3460, Thuỵ sĩ) để xác định thành phần hoá học Sử dụng các thiết bị thử hiện đại của các cơ sở nghiên cứu để xác định độ cứng (máy đo độ cứng HPO 250 và TK 2M , Liên xô cũ) Để xác định cấu trúc của thép sử dụng kính hiển vi AXIOVERT, Đức

3 kết quả đạt được 3.1 Công nghệ sản xuất thép SAE4161

Thành phần hoá học (%) của thép SAE4161 như sau:

C: 0.56-0.64; Si: 0.15 -0.35: Mn : 0.75 -1.00; Cr : 0.70 – 0.90; Mo: 0.25 -0.35; P ≤0,035 ; S ≤0,04

Tính chất cơ lí tính của thép SAE4161 như sau:

Giới hạn bền: 1100 -1300 MPa, giới hạn chảy : 900MPa (min); độ dãn dài :

3.1.1 Công nghệ nấu luyện

Thép SAE4161 là thép có hàm lượng C tương đối cao (từ 0.56-0.64), việc đưa cácbon vào thép cần đặc biệt chú ý Vì đây là nguyên tố rất dễ cháy hao Có thể sử dụng than grafit để nâng cao hàm lượng các bon, hoặc là sử dụng các loại thép phế có hàm lượng C cao Đề tài đã lựa chọn các nguyên liệu như trong bảng 3, dựa vào hệ số cháy hao thực tế của Viện Luyện kim đen (bảng 4) nhóm đề tài đã tính toán phối liệu mẻ nấu số 1 như trong bảng 5:

Bảng 3: Thành phần các nguyên liệu chính dùng để luyện thép SAE4161

Thành phần hoá học Nguyên liệu

Bảng 4 Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

Quy trình nấu luyện đ−ợc tiến hành nh− sau:

đ−ợc sấy khô), than graphít đ−ợc cho vào hộp sắt và xếp vào giữa lò, sau đó tiếp tục xếp thép phế