Классификация металлических материалов

Потребительные свойства металлических изделий медицинского назначения определяются химическим составом материалов, из которых они изготовлены. Поэтому чаще всего металлические материалы классифицируют по химическому составу (см. рис. 17.1).

Классификация всех металлических материалов по химическому составу основных элементов подразумевает их деление на черные и цветные. Такое деление условно и удобно для краткого наименования отрасли промышленности (черная металлургия, цветная металлургия) или классов в классификаторе ОКП.

Знание состава материала, из которого изготовлено изделие, позволяет предположить его основные свойства и даже стоимость. Например, изделия из черных металлов обладают твердостью, прочностью и термостойкостью; в то время как изделия из цветных металлов легче, пластичнее и, в ряде случаев, стойки к воздействию влаги и кислорода воздуха.

Кроме того, материалы классифицируют помимо химического состава по таким показателям, как технология производства, содержание примесей, назначение и т.п. На рис. 17.2 приведена классификация сталей по этим признакам.

Разберем более подробно состав, потребительные свойства и назначения тех металлов и сплавов, которые чаще всего используются для изготовления изделий медицинского назначения.

2) Черные металлы и сплавы. Потребительские свойства и применение в медицине.

Потребительные свойства и применение в медицине

Металлы (от греч. metallon - шахта, копи) - простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными металлическими свойствами - высокими электрической проводимостью и теплопроводностью, блеском и пластичностью.

К металлам, как правило, относят как собственно металлы, так и их сплавы.

Сплавы - макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов), с характерными металлическими свойствами.

Основным сырьем для получения металлов и их сплавов является руда.

Руда - природное минеральное сырье с таким содержанием металлов и полезных минералов, которое обеспечивает экономическую целесообразность их извлечения.

Кроме того, при производстве металлов и сплавов используют флюсы (для удаления пустой породы и различных вредных примесей) и топливо (для обеспечения необходимой температуры плавления и восстановления железа из его оксидов).

Называют сплавы исходя из названия химического элемента, входящего в них в наибольшем количестве (пример: сплавы железа, сплавы алюминия и т.п.). Элементы, вводимые в сплавы для улучшения их свойств, называются легирующими, а сам процесс - легированием.

Рис. 17.3. Виды железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава

Группу черных металлов представляют железо или железоуглеродистые сплавы (сплав железа с углеродом в различных соотношениях), которые в зависимости от содержания углерода носят названия - чугуны и стали (см. рис. 17.3). В ОКП эти товары представлены в 08 0000 5-м классе Чугун, ферросплавы, лигатуры и стали, а прокат из них в 090000 7-м классе Прокат черных металлов.

Потребительные свойства железоуглеродистых сплавов существенно изменяются в зависимости от содержания в них углерода и легирующих добавок. Например, с увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается пластичность (см. рис. 17.4). Это происходит потому, что с ростом содержания углерода образуется больше цементита (Fe₃C, Fe₂C) и меньше феррита (твердый раствор углерода в низкотемпературной модификации α-Fe).

17.2.1. Чугуны

используют как для изготовления чугунных отливок (литейный чугун), так и в качестве сырья для изготовления стали (передельный чугун).

Потребительные свойства литейного чугуна в значительной степени зависят от состояния углерода в металлической матрице. В зависимости

от этого чугуны подразделяют на белый, половинчатый и серый.

Белым называют чугун, в котором при комнатной температуре весь углерод находится в связанном состоянии, в основном в виде карбидов железа - цементита. При быстром охлаждении образуется сплав Fe-C. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. Цементит обладает хрупкостью и высокой твердостью (НВ = 170- 220), поэтому белый чугун используют в основном для производства твердой и износостойкой стали.

Серым называют чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита (модификация углерода, кристаллизующаяся в гексагональной слоистой структуре), а в связанном состоянии (в форме цементита) содержится не более 0,8% углерода. Из-за большого количества графита, входящего в состав такого чугуна, его излом имеет серый цвет.

В половинчатом чугуне часть углерода находится в форме графита, но при этом не менее 2% углерода присутствует в форме цементита.

Марка чугуна состоит из букв и цифр, например:

где СЧ - серый чугун; 12 - предел прочности при растяжении в кг/мм² (в данном случае 12 кг/мм²); 28 - предел прочности при изгибе в кг/мм² (в данном случае 28 кг/мм²).

Чугуны - общее название группы сплавов на основе железа, содержащих более 2% углерода, а также кремний (0,3-5%), марганец (до 1%) и вредные примеси - серу (до 0,12%), фосфор (до 0,2%). Иногда чугун содержит легирующие добавки (Al, Cr, Ni и др.).

Этот сплав был известен еще до нашей эры и являлся наиболее распространенным литейным сплавом с XIII-XIV вв. Сейчас чугун

Чугун самый дешевый металлический материал. Он обладает хорошими литейными и антифрикционными свойствами, износостойкостью, способностью гасить вибрацию, а легированный - также жаростойкостью и коррозионной стойкостью. По прочности некоторые марки чугуна конкурируют со многими качественными конструкционными сталями, однако заметно уступают им в пластичности и устойчивости к резким ударным нагрузкам (хрупкие). Поскольку чугун отличается высокими литейными свойствами, но низкой пластичностью, изделия из него получают методом литья с последующей обработкой резаньем и их не подвергают обработке давлением. Около 80-90% чугуна идет на переработку в сталь, а остальной чугун используется для изготовления литых изделий и деталей.

Применяют в медицине чугун с содержанием углерода 2,6-2,9% марок СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36 и СЧ 28-40 для изготовления массивных оснований к медицинскому оборудованию (операционных и перевязочных столов, зубоврачебных кресел) и крестовин стоек различных приборов.

17.2.2. Стали

Стали - общее название группы сплавов на основе железа, содержащих до 2% углерода, а также Si, Mn и вредные примеси S и P.

Потребительные свойства сталей определяются их химическим составом, состоянием углерода и железа в металлической матрице, количеством и составом примесей, способом получения, процессами разливки и дальнейшей переработки слитков - формования и последующей прокатки.

Уменьшение содержания углерода и введение различных легирующих добавок позволяет получить легированные стали с высокой твердостью, износостойкостью и достаточными прочностью, ударной вязкостью, тепло- и коррозионно-стойкостью по сравнению с обычными углеродистыми сталями.

Кроме химического состава, на качество сталей оказывает влияние технология ее получения. Например, наименьшее число примесей содержится в электролитической стали, т.е. полученной выплавкой в электрических печах.

От условий плавки, розлива и последующей переработки слитков зависят как механические свойства сталей, так и их устойчивость к коррозии. Например, мартенситные стали (пересыщенный

твердый раствор углерода в α-Fe) обладают высокой прочностью и достаточной коррозионно-стойкостью, аустенитные (твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации γ-Fe) - высокой ударной вязкостью, а ферритные (твердый раствор углерода в низкотемпературной модификации α-Fe) - низкой твердостью и относительно низкой прочностью.

Названия, состав и назначение основных видов сталей, используемых для изделий медицинского назначения, приведены в ГОСТ 30208- 94 (ИСО 7153-1-88)/ГОСТ Р 50328.1-92 (ИСО 7153-1-88) Инструменты хирургические. Металлические материалы. Часть 1. Нержавеющие стали.

По химическому составу стали, в зависимости от содержания углерода и легирующих добавок, принято классифицировать на углеродистые и легированные (см. рис. 17.3).

Исходя из содержания примесей, различают стали обыкновенного качества (рядовые), качественные, высококачественные и особо высококачественные.