تحقیق فولاد های زنگ نزن

مقدمه و معرفی

اهمیت فولاد[1] در تمدن بشری و نقش ویژه آن در صنعت، کشاورزی و زمینه های گوناگون زندگی کنونی بر کسی پوشیده نیست. امروزه بخش اعظمی از تجهیزات بیمارستانی، وسایل، ابزار و دستگاه های پزشکی، دندان پزشکی و آزمایشگاهی های تشخیص طبی با استفاده از انواع آلیاژ های فولادی ساخته می شود. از سوی دیگر برخی از انواع فولاد زنگ[2] نزن هم به عنوان بیو مواد فلزی در پزشکی و دندان پزشکی مصرف می شود. در واقع، از میان انواع فولاد های موجود، آلیاژ فولاد زنگ نزن برای استفاده در کاربرد های پزشکی مناسب تشخیص داده شده است. نوعی از این گروه برای تهیه کاشتنی ها[3] ، وسایل تثبیت شکست داخلی[4] ، پیچ ها و سیم ها[5]   و صفحه شکسته بندی[6]  در پزشکی و ساخت و تهیه سیم های ارتودونسی[7] ، ابزار های معالجه ریشه[8]  دندان مثل سوهان سوزنی و برقو[9] ، کاشتنی دندانی[10] و تاج یا روکش پیش ساخته[11] در دندان پزشکی مصرف می شوند] 22[.

فولاد زنگ نزن همچنین به طور گسترده ای در کاربرد های پزشکی و دندان پزشکی نظیر تولید ابزارها و وسایل دندانی همچون تیغ چاقوی جراحی[12] ، انبر جراحی[13] و گیره های دندان مصنوعی[14]  مصرف می شوند.

فولاد ها در گستره ی وسیعی از ترکیب شیمیایی در دسترس می باشند که هر یک خواص ویژه ای دارند و برای کاربرد خاصی طراحی و تهیه شده اند. یکی از دلایلی که سبب شده تا آلیاژ های فولادی از نظر مصرف تا به این حد عمومیت و گسترش پیدا کنند این است که محدوده ی خواص مکانیکی که فقط با تغییر اندکی در ترکیب شیمیایی پدید می آید، گسترده و وسیع است.

قبل از معرفی فولاد زنگ نزن به دندان پزشکی در دهه 1930 میلادی و مطرح شدن کاربرد های آن، تنها ماده ای که مشخص گردیده بود مقاومت خوردگی کافی دارد، طلا بود. فولاد زنگ نزن استحکام کششی[15] بالایی دارد و به شکل فنر (سیم انعطاف پذیر و کشسان) در وسایل ارتودونسی متحرک[16] بکار می رود. این آلیاژ همچنین در وسایل ثابت[17] برای ساخت نوار[18] ، براکت[19] و سیم آرک[20] معروف است. سیم ارتودونسی از آلیاژی ساخته می شود که با نام فولاد زنگ‌نزن آستنیتی[21] پایدار شده است.آلیاژ دیگری که برای تهیه سیم ارتودونسی بکار می رود، فولاد زنگ نزن آستنیتی پایدار شده[22] است]23[.

اولین فولادی که برای تهیه کاشتنی بدون مورد استفاده قرار گرفت، آلیاژ فولاد 18 درصد کرُم و 8  درصد نیکل (نوع 18-8 و یا در دسته بندی جدید نوع 302) بود که از فولاد وانادیم دار مصرفی برای تهیه صفحه شکسته بندی، قوی‌تر و مقاوم خوردگی آن نیز بیشتر بود ]24[.  فولاد وانادیم دار به مدت طولانی برای کاربرد های کاشتنی مصرف نشد زیرا مقاومت خوردگی آن کافی نبود. پس از آن، فولاد زنگ نزن 18 درصد کرُم و 8 درصد نیکل مولیبدن دار معرفی شد که به منظور اصلاح مقاومت  در برابر خوردگی در آب‌نمک، حاوی مولیبدن بود. این آلیاژ با نام فولاد زنگ نزن 316 شناخته شد. در دهه ی 1950، کربن فولاد زنگ نزن 316 از 08/0 درصد وزنی به حداکثر 03/0 درصد وزنی کاهش یافت تا مقاومت خوردگی بهتری در آب‌نمک حاصل شود. این آلیاژ با نام فولاد زنگ نزن 316 ال معروف شد ]25[.

نوعی از فولاد زنگ‌نزن که ناخالصی بسیار اندکی داشته باشد و سطح نهایی آن نیز رویین باشد برای کاربرد کاشتنی در بدن مناسب است. استحکام تسلیم فولاد زنگ‌نزن آهنگری شده بیشتر از استحکام فولاد زنگ‌نزن ریختگری است اما استحکام خستگی[23] آن کمتر از سایر آلیاژهای مناسب برای کاشتن در بدن است. فولاد زنگ‌نزن انعطاف‌پذیری خوبی دارد و به سهولت ماشین‌کاری می شود و پیشرفت‌های اخیر، خواص آن را بهبود بخشیده است. به دلیل عدم موفقیت طرح‌های اولیه، استفاده از فولاد زنگ‌نزن در دهه‌ی اخیر به طور پیوسته و به صورت جریان عادی فراگیر انجام نگرفته است. فولاد زنگ‌نزن از نظر فرسایش، سازگاری زیستی و عمر خستگی ضعیف‌تر از آلیاژهای جدید و زیست‌سازگاری همچون سوپرالوی‌هاست اما این آلیاژ هنوز هم برای بیماران پیر‌تر که تحرک آنها محدودتر و طول عمر آن ها کوتاه‌تر است به ویژه هنگامی که هزینه‌های اقتصادی عامل مهمی محسوب می شود مورد توجه است ]22 و 27[. در جدول 3-1 مقایسه‌ای بین ترکیب شیمیایی فولاد زنگ‌نزن و سایر آلیاژهای مصرفی برای ساخت اجزاء پروتز مفصل ران کامل ارائه شده است و در جدول3-2 نیز خواص مکانیکی فولاد زنگ‌نزن 316 ال و سایر آلیاژهایی که برای ساخت اجزاء پروتز مفصل ران بکار می روند، ارائه گردیده است.

فولاد زنگ‌نزن

فولاد زنگ‌نزن آلیاژی از آهن و چند عنصر آلیاژی است که در برابر خوردگی مقاوم می باشد. این آلیاژ در خلال جنگ جهانی اول و بطور اتفاقی در انگلستان کشف شد. شناسایی آلیاژ مذکور توسط بری یرلی[24] که متالورژیستی از شفیلد بود، صورت گرفت. شمشی از آلیاژ مورد بحث که مرجوع شده بود، به مدت چند ماه در فضای باز محل کار جا مانده بود و متعاقب آن، مشاهده شد که شمش در هوای مرطوب هیچ‌گونه زنگ‌زدگی ژیدا نکرد. برداشت اولیه این بود که عدم خوردگی و زنگ‌زدگی شمش به دلیل وجود مقدار زیادی کرُم در آن بوده است.

ویژگی های آلیاژ و نیز توانایی آن از نظر مقاومت در برابر خوردگی و زنگ‌زدن، شناسایی و مشخص گردید و در سال 1917، ثبت امتیاز انحصاری[25] آن به انجام رسید. اضافه کردن عنصر کرُم به فولاد کربنی، مقاومت خوردگی[26] آلیاژ را از طریق تشکیل یک پوشش سطحی محافظ از اکسید کرُم و کسب مقاومت در برابر خوردگی، ضروری است که حداقل مقدار کرُم در آلیاژ به میزان 11 درصد باشد. فقط تحت چنین شرایطی است که فولاد حاصل با نام فولاد زنگ‌نزن شناخته می شود ]23[.

حدود 90 سال قبل از این، کشف شد که اگر مقدار کرُم موجود در فولاد حداقل برابر 11 درصد باشد، مقاومت در برابر خوردگی و اکسید شدن حاصل می گردد و در سال 1914 بود که فولاد زنگ‌نزن به صورت تجاری عرضه شد. بر حسب تعریف، فولاد زنگ‌نزن به نوعی از آلیاژ آهنی گفته می شود که حداقل حدود 11 درصد کرُم داشته باشد. از اوایل قرن بیستم تا کنون، اصلاحات، توسعه و تجاری کردن فولاد زنگ‌نزن صورت پذیرفته است و هم اینک بیش از صدها نوع فولاد زنگ‌نزن عرضه شده است ]30[.

فولادهای کرُم‌داری که میزان کرُم در آنها حدود 12 تا 30 درصد باشد معمولا با نام فولاد زنگ‌نزن شناخنه می شوند. البته گذشته از عناصر آهن، کربن و کرُم، عناصر دیگری نیز می‌تواند حضور داشته باشد و در نتیجه، گستره‌ی وسیعی از ترکیب شیمیایی و متعاقب آن خواص مکانیکی متنوع در انواع فولاد‌های زنگ‌نزن حاصل می گردد. استحکام تسلیم این آلیاژ می تواند از 211 مگا‌پاسکال(3000 پوند بر اینچ مربع) تا بیش از 1760 مگا‌پاسکال (250000 پوند بر اینچ مربع) تغییر کند. این گروه از فولادها به دلیل رویین شدن[27] ناشی از حضور کرُم، در برابر تغییر‌رنگ و رنگ‌باختگی[28] و خوردگی[29] بسیار مقاومند. اگر لایه‌ی محافظ بر اثر عوامل مکانیکی یا شیمیایی گسیخته گردد یا زدوده شود، محافظت در برابر خوردگی لطمه خواهد دید ]28[.

به طور معمول، فولادهای زنگ‌نزن مصرفی در دندان پزشکی، ریختگی نبوده و به صورت آلیاژ کارشده بکار می‌روند. وسایل و سازه‌هایی که از فولادهای زنگ‌نزن ریختگی کارشده تهیه می‌شوند با اجزاء و وسایلی که از طریق ریخته‌گری آماده می‌گردند متفاوت است و کاربردهای متفاوتی را نیز در بر می‌گیرد. مهمترین کاربرد فولاد زنگ‌نزن کارشده در دندان پزشکی، همانا سیم و سازه‌های ارتودونسی و ابزار معالجه ریشه دندان نظیر مته و برقو است. ابزارها و تجهیزات لابراتوری و کلینیکی نیز از فولاد زنگ‌نزن ساخته می‌شود و سازه‌هایی چون فضا نگهدارنده موقت[30] و یا روکش پیش‌ساخته و دیگر اجزایی که در دهان تعبیه می شود هم از فولاد زنگ‌نزن به شکل کارشده یا از طریق ریخته‌گری تولید می گردد. اگرچه خواص مکانیکی نوع کارشده و ریختگی متفاوت است اما مقاومت خوردگی آلیاژ اساساً به ترکیب شیمیایی آلیاژ و فازهای موجود نهایی وابسته است ]32[.

اگرچه عناصر بسیاری را می توان به منظور اصلاح و بهبود خواص به فولادهای کربنی اضافه کرد اما دو فلز کرُم و نیکل، مهمترین عناصر آلیاژی فولادهای زنگ‌نزن محسوب می‌شوند]23[. فولادهای زنگ‌نزن را می‌توان بر اساس ساختار بلوری و مکانیزم استحکام‌بخشی به گروه‌های مختلفی چون فولاد زنگ‌نزن فریتی، مارتنزیتی، آستنیتی، سختی رسوب‌شده و نیز دوپلکس تقسیم‌بندی کردولی به طور معمول، فولادهای زنگ‌نزن مصرفی در پزشکی براساس ریزساختار به سه نوع فولاد زنگ‌نزن آستنیتی، فریتی و مارتنزیتی دسته‌بندی می شوند.