دانلود 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[.

اطلاعات موجود نشان می دهد که در آغاز، فولاد 302 ، 304، نوعی فولاد 18-8 مولیبدن دار و فولاد 316، مورد استفاده قرار گرفت.

اما اغلب اوقات مشکلاتی به دلیل عملکرد غیر قابل قبول این آلیاژ به ویژه از نظر حساس شدن اجزاء ساخته شده از فولاد زنگ نزن 316 پدید آمد.

از نیمه دهه ی میلادی، بهبود و اصلاحی در قابلیت اطمینان فولادهای زنگ‌نزن برای استفاده در تعویض مفصل ران کامل حاصل شد.

این بهبود کیفی از طریق کنترل دقیق‌تر ترکیب شیمیایی و ریز‌ساختار فولاد بدست آمد.

مقدار گوگرد فولاد زنگ‌نزن مصرفی در وسایل ارتوپدی به شدت کاهش داده شد.

به این ترتیب که از طریق تولید فولاد با فرآیند ذوب تحت خلاء، مقدار گوگرد از 01/0 درصد در سال 1975 به 002/0 درصد در سال 1990 رسید.

پس از اصلاحات انجام شده، فولاد زنگ‌نزن 316 ال مهمترین فولاد توصیه شده برای کاربرد‌های پزشکی بود که اصلی‌ترین عدم مزیت آن، تمایل این آلیاژ به خوردگی شیاری محسوب می شود.

این آلیاژ تحت شرایط خوردگی شیاری از استحکام خستگی پایینی برخوردار است و همین امر کاربرد آن را برای تهیه کاشتنی تعویض مفصل ران فقط برای بیماران پیرتر، سبک وزن و افرادی که تحرک کمتری دارند محدود می سازد.

البته اصلاحاتی نیز در این آلیاژ ها به کمک نیتروژن و منگنز صورت گرفته است ]26[.

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.

جدول 3-3 دسته بندی کلی انواع فولادهای زنگ‌نزن ]30[.

3-2-1 فولاد زنگ‌نزن فریتی فولاد زنگ‌نزن فریتی به دلیل داشتن ساختاری مرکب از فریت به این نام خوانده می‌شود و از آنجا که ساختار آن فریتی و خارج از منطقه‌ی پایداری آستنیت است، قابلیت سخت‌گردانی با عملیات حرارتی را ندارد.

این گروه از فولادهای زنگ‌نزن، قابلیت عملیات کشش عمیق و مقاومت خوردگی خوبی دارند و به ویژه در برابر خوردگی تنشی مقاومند ]34[.

فولادهای زنگ‌نزن فریتی در استاندارد AISI(موسسه آهن و فولاد آمریکا) با سری 400 مشخص شده است.

فولاد فریتی مقاومت خوردگی خوبی ارئه می‌کند در حالی که قیمت و هزینه آن پایین‌تر است.

از آنجا که با تغییر درجه حرارت در حالت جامد، دگرگونی فازی پدید نمی‌آید، این نوع از فولادها را نمی‌توان به منظور سخت کردن تحت عملیات حرارتی قرار داد.

فولادهای فریتی کاربرد قابل توجهی در پزشکی و دندان پزشکی ندارد و برای ساخت اجزاءِ تجهیزاتی که تا حدودی مقاومت در برابر تغییر رنگ آنها مورد نظر است مصرف می شوند ]22 ، 28 و 32[.

کاربرد اصلی این گروه در تهیه و ساخت اجزاءِ وسایلی چون ظرف و نگهدارنده‌های صنایع غذایی و شیمیایی است ]34[.

در جدول 3- 5 ترکیب شیمیایی انواع فولادهای زنگ‌نزن فریتی ارائه شده است ]9[.

3-2-2 فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی در دمای بالا ساختار آستنیتی دارد که می تواند با اجرای عملیات حرارتی مناسب همچون سرد‌کردن سریع تا دمای اتاق، به مارتنزیت تبدیل شود.

این نوع فولادها معمولا 11 تا 18 درصد کرُم دارند.

حد پایینی مقدار کرُم به منظور حصول مقاومت خوردگی کافی تعیین شده و حد بالایی آن به منظور امکان تبدیل کامل ساختار فولاد به آستنیت در دمای بالا، مشخص شده است.

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی مغناطیسی است و در محیط معمولی مقاوم به خوردگی است ]30[.

فولادهای زنگ‌نزن مارتنزیتی نیز در استاندارد AISI با سری 400 مشخص گردیده‌اند و مشابه فولادهای کربنی قابلیت عملیات حرارتی سخت‌گردانی دارند.

این فولادها به دلیل داشتن تلفیقی از سختی، استحکام و مقاومت خوردگی برای کاربردهایی چون تیغ و چاقوی با کیفیت بالا مطلوب و مورد پسند می‌باشد و برای تهیه‌ی ابزارهای جراحی و برش مورد استفاده قرار می‌گیرند ]31[.

مقاومت خوردگی این نوع فولادها از دیگر انواع فولادهای زنگ‌نزن کمتر است و پس از انجام عملیات حرارتی سخت‌گردانی کاهش می‌یابد.

در هرحال، این گروه از فولادها به دلیل داشتن سختی زیاد برای تولید ابزارهای جراحی مصرف می‌شوند ]34[ و تا حدودی نیز برای تهیه‌ی سازه‌ها و اجزاء ارتودونسی بکار می روند ]32[.

انجمن آزمون و مواد آمریکا ویژگی‌های فولادهای مصرفی برای تهیه ابزارهای جراحی در استاندارد F899-95 مشخص نموده و تصریح می کند که یکی از چهار نوع فولاد زنگ‌نزن، فولاد مارتنزیتی است.

در استاندارد مذکور شرایط تولید، ضروریات عمومی، خواص مکانیکی نظیر سختی و ترکیب شیمیایی لازم تعیین گردیده است ]35[.

در جدول 3- 6 ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ‌نزن مصرفی برای تهیه ابزار جراحی ارائه شده است.

جدول 3-6 ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ‌نزن مارتنزیتی مصرفی برای ابزار جراحی ]35[.

3-2-3 فولاد زنگ‌نزن آستنیتی افزودن نیکل به فولاد باعث جلوگیری از دگرگونی فاز آستنیت به مارتنزیت طی سریع سرمایش آلیاژ می گردد، به گونه‌ای که آستنیت پس از سرد شدن سریع در دمای اتاق پایدار می‌ماند.

از طرفی سرد کردن آرام آلیاژ امکان تبدیل آستنیت به فریت و سمانتیت را فراهم می سازد اما از آنجا که این پدیده یک فرآیند کنترل نفوذی است، با سرد کردن سریع نظیر سریع‌سرمایش از آن جلوگیری می‌شود و فازهای فریت و سمانتیت تشکیل نمی گردد ]23[.

باید توجه داشت که نیکل عنصر پایدار کننده آستنیت است و ناحیه پایدار فاز آستنیت در نمودار فاز تعادلی را افزایش می دهد، در حالی که تقریباً فاز فریت را در آلیاژهای آهن- کربن- کرُم حذف می‌کند.

اگر مقدار کربن به کمتر از 03/0 درصد برسد، کاربید تشکیل نمی‌شود و ساختار فولاد در دمای اتاق نیز کاملاً آستنیتی خواهد بود ]31[.

فولادهای آستنیتی مقاوم‌ترین فولادهای زنگ‌نزن در برابر خوردگی می‌باشند.

در استاندارد موسسه آهن و فولاد آمریکا، فولادهای با شماره 302 و304 از معروف‌ترین آلیاژهای این گروه محسوب می شوند که به نام فولاد زنگ‌نزن 18-8 شناخته شده‌اند.

فولادهای نوع302 و 304 دارای 18 درصد کرُم و 8 درصد نیکل و به ترتیب 15/0 درصد و 08/0 درصد کربن بوده و برای اجرای درمان ردیف کردن دندان‌ها یا ارتودونسی و تهیه سیم‌های ارتودونسی مصرف فراوان دارند.

نوع 316 از گروه فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی با حداکثر 03/0 درصد کربن نیز برای تهیه کاشتنی‌های بدن در پزشکی کاربرد دارد ]22 ، 28 ،30 ،32[.

فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی متداولترین نوع فولادهای مصرفی برای تهیه کاشتنی‌های بدن بوده و به ویژه نوع 316 و 316 ال بدین منظور بکار می رود.

فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی از طریق عملیات حرارتی قابلیت سخت‌گردانی ندارند اما می‌توان آنها را با کارسرد سخت نمود.

وجود مولیبدن در انواع 316 و 317 مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای را افزایش می‌دهد.

مشخص شده است که پایین‌تر بودن در نوع 316 مقاومت خوردگی را در محلول کلراید(مثل محلول سدیم کلراید یا سرم فیولوژی) در بدن افزایش می‌دهد.

بنابراین انجن مواد و آزمون آمریکا نوع 316 ال را به جای 316 برای ساخت کاشتنی‌ها توصیه می‌نماید.

استاندارد و دستورالعمل‌های فولادهای زنگ‌نزن مصرفی در تهیه کاشتنی‌های بدن بسیار سخت‌گیرانه‌تر و محکم‌تر از استاندارد فولادهایی است که در صنایع یا تجهیزات بکار می رود ]34[.

در جدول 3-7 ترکیب شیمیایی دو نوع فولاد 316 و 316 ال با هم مقایسه شده است.

جدول 3-7 ترکیب شیمیایی فولاد زنگ‌نزن 316 (گروه یک) و 316 ال (گروه دو) ]24 ، 36[.

جذابیت فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی در این است که این گروه از فولادها قابلیت شکل‌پذیری زیادی دارند و می توان آنها را برای اهداف متنوع و گستره‌ای شکل داد ]23[.

فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی انعطاف‌پذیری بالا، قابلیت شکل‌پذیری زیاد و مقاومت خرودگی عالی دارند ]31[.

علاوه بر این، فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی خاصیت مغناطیسی ندارند ]31 و 34[ ولی متأسفانه وجود مقدار زیادی کرُم و نیکل در آلیاژ سبب گران شدن آلیاژ می‌شود ]31[.

در جدول 3-8 نیز ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی مصرفی برای تهیه‌ی میله و سیم مورد استفاده در ساخت تجهیزات و ابزار جراحی ارئه شده است.

بر اساس استاندارد و دستورالعمل انجمن مواد و آزمون آمریکا، ساختار مطلوب فولاد 316 ال یک ساختار تک‌فاز آستنیتی با شبکه مکعبی با سطوح مرکزدار است.

هیچگونه فریت آزاد یا فاز کاربیدی در ساختار نباید وجود داشته باشد.

البته فولاد باید عاری از آخال‌هایی مثل ترکیبات گوگردی باشد.

آخال می تواند از طریق عملیات فولادسازی غیر تمیز وارد شود و در این صورت فولاد مستعد خوردگی حفره‌ای در فصل مشترک فلز- آخال است.

در تأمین فولاد 316 ال، اساس کار تولید فولاد تمیز است ]33 ، 36 و 37[.

3-3 کاربرد فولادهای زنگ نزن در پزشکی و دندانپزشکی انواع فولادهای آلیاژی طی سال‌ها برای ساخت و تهیه‌ی تجهیزات، وسایل و ابزار پزشکی مصرف شده است اما استفاده از برخی از انواع فولادها به عنوان ماده‌ی زیستی-پزشکی و یا به صورت سازه‌های از قبل تهیه شده و یا در شکل وسایل و اجزاء درمانی بدن اهمیت دارد [22] ساده‌ترین کاشتنی ها انواع مختلف سیم فلزی است که می‌تواند برای بستن تکه‌های استخوان شکسته مورد استفاده قرار گیرد.

از جمله دیگر وسایل ساده می‌توان به پیچ اشاره کرد که می‌تواند به تنهایی یا همراه با صفحه شکسته‌بندی ‌استفاده شود.

پیچ‌ها معمولاً خودپیچ می‌باشند تا تثبیت بهتری در استخوان فراهم آید.

انواع مختلفی از صفحات نگهداری ناحیه شکست در اندازه‌های مختلف وجود دارد (شکل3-9).

از آنجایی که نیروهای ایجاد شده توسط عضلات بسیار زیاد است صفحات باید قوی و مستحکم باشند.

این مطلب به ویژه درباره‌ی صفحات مخصوص استخوان ران و درشت‌نی صدق می‌کند.

نکته‌ی مهم دیگر، تثبیت کافی صفحه به استخوان با پیچ است [24، 43، تا 45].

وسایل داخل استخوان برای تثبیت استخوان‌های شکسته‌شده‌ی طویل از طریق جاگذاری آن‌ها در داخل حفره یا محفظه داخل استخوانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

گاهی از اوقات نیز یک پایدارکننده همراه آن‌ها به کار می‌رود.

این کاشتنی باید ته حدودی خاصیت ارتجاعی داشته باشد به طوری که بتواند نیروی کشسان داخل حفره استخوان را متحمل شود و بدون هیچ‌گونه چرخش، ناحیه شکست را کاملاً محکم و تثبیت نماید [45].

میخ داخل استخوانی معمولاً برای تثبیت شکستگی گردن استخوان ران و اتصال دادن شکستگی استخوان داخل برآمدگی بالای بند استخوان ران به کار می‌رود.

فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی و به ویژه فولاد زنگ‌نزن 316 ال طی سال‌های سال، انتخاب مناسبی برای انواع وسایل شکسته‌بندی و ارتوپدی و اجزاء مختلف مربوطه بوده است [38].

شکل 3-1 نمونه‌ای از میخ مخصوص تثبیت شکستگی سر استخوان ران شکسته شده ]38[.

فولاد زنگ‌نزن در دندان پزشکی نیز کاربرد وسیعی دارد.

فولاد آستنیتی 8-18 با ساختار پایدار شده برای کاشتنی‌های دندانی انتخاب مناسبی است.

آلیاژ به صورت کار شده و با استحکام زیاد و انعطاف‌پذیری مناسب مصرف می‌شود.

مهم‌ترین و معمولی‌ترین وسایل و ابزاری که برای معالجه ریشه‌ی دندان و خالی کردن کانال ریشه به کار می رود عبارت است از ؛سوهان سوزنی و مته یا برقو که از جنس فولاد زنگ‌نزن ساخته می‌شوند [28].

خواص خمشی این ابزارها اهمیت زیادی دارد.

مواد سازنده تحت آزمون خمش قرار می‌گیرند و نمودارهای گشتاور خمشی بر حسب زاویه خمش برای انها به دست می‌آید ته نمایانگر رفتار خمشی آن‌ها باشد.

مته یا برقوها برای باز کردن و خالی کردن کانال ریشه دندان به کار می‌رود و عملیات اجرایی با نازک‌ترین برقو آغاز می‌شود.

سپس از اندازه‌های بزرگتر استفاده می‌گردد تا کانال به طور کامل باز و خالی شود.

نکته مهم این است که با افزایش اندازه برقوهای فولاد زنگ‌نزن باید سفتی خمشی آنها نیز بالاتر رود.

افزایش سفتی باید به طور یکنواخت در برقوهای متوالی وجود داشته باشد تا تفاوت محسوسی مابین کار دو برقو ظاهر نشود [28 و 32].

تاج یا روکش پیش ساخته از جنس فولاد زنگ‌نزن در سال 1950 به دندانپزشکی معرفی شد و برای ترمیم همیشگی دندان‌های دائمی (غیر شیری) توصیه شده است.

این تاج‌ها به ویژه برای کودکانی که از پوسیدگی‌های وسیع رنج می‌برند و یا هنگامی که تاج دندان از بین رفته است، استفاده می‌شود.

فولاد زنگ‌نزن مصرفی برای تهیه تاج پیش ساخته‌ دارای 19-17 درصد کرم، 13-9 درصد نیکل، 12/0-08/0 درصد کربن و 6/0-4/0 درصد تیتانیم است.

شکل زیر تصویری از یک تاج فولاد زنگ‌نزن را نشان می‌دهد.

تاج پیش ساخته در اندازه‌های متفاوت تهیه می‌شود تا متناسب با وضعیت دندان در ترمیم‌های کلینیکی مورد استفاده قرار گیرد [32 و 39].

شکل 3-2 تاج دندانی یا روکش از جنس فولاد زنگ‌نزن که برای کاربرد ترمیمی در دندان پزشکی بکار می‌رود ]39[.

یکی از تخصص‌های دندان پزشکی، علم دریف کردن دندان‌ها یا ارتودونسی است.

ارتودونسی کلینیکی طی عملیات اصلاحی که معمولاً طولانی مدت سات به معالجه بیمارانی می پردازد که جفت شدن یا ردیق بودن دندان‌های آن‌ها به طور صحیح انجام نمی‌شود.

بیمارانی که به صورت طبیعی از اکلوژن صحیح برخوردار نیستند و یا در اثر سانحه به معالجه ارتودونسی نیاز دارند نیز امکان بهبود را از این طریق خواهند داشت.

اجرای کلینیکی ادتودونسی معمولاً با استفاده از سازه‌های دندانی که در دهان نصب می شود صورت می‌گیرد.

برای تهیه‌ی سازه‌های مورد نیاز از مواد مختلف و به ویژه از سیم‌های ارتودونسی استفاده می‌شود.

سیم‌های ارتودونسی در طرح‌ها و فرم‌های مختلفی شکل داده می‌شود تا نیروهای لازم را به دندان‌ها اعمال کند و آن‌ها را به مسیر و محل‌های مناسب‌تر جابه‌جا نماید.

سیم‌های ارتودونسی از طریق نورد تهیه می‌شوند و در وضعیت نزدیک به شکل نهایی در اختیار دندان پزشک قرار می‌گیرند.

هنگام کاربرد، سیم‌های فولاد زنگ‌نزن ارتودونسی به سهولت با ابزار و انبرک دستی مخصوص ارتودونسی شکل مورد نظر را می‌پذیرند.

وقتی یک سازه ارتودونسی با شکل دادن سیم‌ها ساخته می شود ضروری است که به مدت یک دقیقه در دمای 450 درجه سانتیگراد تنش‌گیری شود تا اثر کار سرد انجام شده بر روی آن از بین برود.

سیم‌های مصرف شده باید مقاومت خوردگی مناسب، پایداری در محیط دهان و زیست‌سازگاری از خود نشان دهند.

از آنجا که از گرم کردن فولاد زنگ‌نزن آستنیتی کرم-نیکل‌دار تا دمای بالا به منظور جلوگیری از رسوب کاربیدها در مرز اجتناب می‌شود برای اتصال سیم‌های ارتودونسی از تکنیک‌های لحیم‌کاری در دمای پایین استفاده می‌گردد.

به همین جهت لحیم‌کاری با طلا یا آلیاژهای آن متداول نیست و از لحیم‌های نقره که آلیاژهایی از نقره، مس و روی است و جهت کاهش نقطه ذوب به آن عناصری چون قلع و ایندیم افزوده می‌شود، استفاده می‌گردد [28 و 32].

فولادهای زنگ‌نزن به طور بسیار گسترده در ساخت و تهیه وسایل و ابزار مصرفی در پزشکی مصرف می شود.

جدول 3-9 کاربرد چند نوع فولاد زنگ‌نزن در وسایل برشی مثل چاقوی جراحی، مته و امثال آن‌ها را نشان می‌دهد.

جدول 3-10 نیز چند نوع فولاد زنگ‌نزن را که برای ساخت و تهیه ابزار و وسایل غیر برشی به کار می‌روند ذکر کرده و موارد استفاده‌ی آن‌ها را مشخص نموده است [35].

جدول 3-9 مثال‌هایی از کاربرد فولادهای زنگ‌نزن مصرفی برای وسایل جراحی برشی ]35[.

جدول 3-10 مثال‌هایی از کاربد فولادهای زنگ‌نزن مصرفی برای وسایل جراحی غیر برشی ]35[.

آلیاژهای پایه کبالت 4-1 مقدمه و معرفی آلیاژهای کبالت و نیکل در صنعت برای حقاظت در برابر خوردگی و مقاومت در دمای بالا و استفاده از مزیت نقطه ذوب بالا و استحکام بالای این گونه آلیاژها، به کار می‌روند.

کبالت فلزی است که دگروارگی (آلوتروپی) دارد.

این فلز در بالای 417 درجه سانتیگراد دارای ساختار مکعبی با سطوح مرکزدار است و در کمتر از آن دما، ساختار بلورین منشور شش‌گوشی فشرده دارد.

آلیاژهای خاصی از کبالت از ویژگی مقاومت به سایش برخوردارند و به دلیل مقاومت در برابر مایعات بدن موجود زنده برای تولید وسیله و اجزاء اندام مصنوعی به کار می‌روند [40].

آلیاژهای پایه کبالت مصرفی در پزشکی معمولاً به آلیاژهای کبالت-کرم شهرت دارند و به طور کلی به دو نوع متفاوت تقسیم می‌شوند.

نوع اول؛ آلیاژ کبالت-کرم-مولیبدن است که معمولاً برای ریخته‌گری و تهیه محصول مورد نظر استفاده می‌شود و نوع دوم؛ آلیاژ کبالت- نیکل- کرم- مولیبدن است که معمولاً به شکل کارشده است و از طریق آهنگری گرم تهیه می‌شود.

آلیاژ کبالت – کرم- مولیبدن قابل ریخته‌گری طی چندین دهه در دندان پزشکی مصرف شده و برای ساخت مفصل مصنوعی نیز به کار رفته است.

آْلیاژ کبالت- نیکل- کرم- مولیبدن کار شده، محصول جدیدتری است که برای تهیه بدنه‌ی اصلی اندام های مصنوعی مثل اتصال مفصل ران یا زانو که تحت بارگذاری سنگین قرار می‌گیرد، مصرف می‌شود [41].

انجمن آزمون و مواد آمریکا آلیاژهای پایه کبالت را به چهار گروه تقسیم کرده است؛ آلیاژ کبالت- کرم- مولیبدن ریختگی (F76) آلیاژ کبالت- کرم- تنگستن- نیکل کار شده (F90) آلیاژ کبالت- نیکل- کرم- مولیبدن کار شده (F562) آلیاژ کبالت- نیکل- کرم- مولیبدن- تنگستن- آهن کار شده (F563) در حال حاضر، فقط دو نوع از چهار نوع آلیاژ پایه کبالت به طور گسترده در تهیه و ساخت کاشتنی‌های بدن مصرف می شوند.

این دو نوع عبارت است از؛ آلیاژهای کبالت- کرم- مولیبدن قابل ریخته‌گری آلیاژ کبالت- نیکل- کرم- مولیبدن کار شده [42 و 43].

آلیاژهای تجارتی کبالت- کرم با نام‌های استیلایت، وایتالیم و وینرتیا شهرت دارند و از نظر ترکیب شیمیایی تا حدودی با یکدیگر تفاوت دارند.

آلیاژها را می‌توان از طریق فرایند ریخته‌گری یا ترکیب شیمیایی تا حدودی با یکدیگر تفاوت دارند.

آلیاژها را می‌توان از طریق فرایند ریخته‌گری یا کار مکانیکی به محصول نهایی مورد نظر تبدیل نمود [44].

آلیاژهای کبالت- کرم که در دندان پزشکی به عنوان کاشتنی دندانی به کار می‌روند اغلب به شکل ریختگی یا در حالت ریختگی و نرم شده (آنیل شده) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این امر امکان ساخت و تهیه طرح‌های کاشتنی دندانی متداول مثل قاب زیر ضریع استخوان را ممکن می‌سازد [45].

آلیاژهای پایه کبالت که حاوی مقدار نیکل و کرم باشند برای ساخت قاب دندان مصنوعی تکه‌ای و پایه دندان مصنوعی کامل، کاشتنی دندانی، پل دندانی و تاج یا روکش مناسب تشخیص داده شده‌اند.

از سوی دیگر، سیم‌های کبالت- کرم- نیکل که از نظر ظاهر و خواص مکانیکی خیلی شبیه سیم‌های فولاد زنگ‌نزن می‌باشند و در ارتودونسی مورد استفاده قرار می‌گیرند با آلیاژهای ریختگی که برای دندان مصنوعی تکه‌ای متحرک به کار می‌روند شباهت دارند ولی به شکل کار شده در آمده‌اند [47 و 48].

از آلیاژهای پایه کبالت کار شده گذشته از کاربرد به صورت سیم ارتودونسی، در دندان پزشکی معالجه ریشه نیز به شکل سوهان سوزنی استفاده می‌شود [47-49].

4-2 خواص و ویژگی‌ها ترکیب شیمیایی ترکیب شیمیایی آلیاژهای پایه کبالت با هم کاملاً تفاوت دارد [41].

کبالت، عنصر اصلی (پایه) سازنده آلیاژ است و کرم نیر عنصر آلیاژی است.

فلزاتی چون مولیبدن، نیکل، تنگستن، منگنز و مقداری هم کربن بر اساس نوع آلیاژ در ترکیب وجود دارند [42 و 45].

استاندارد F75-92 انجمن آزمون و مواد امریکا تصریح می‌کند که مقدار کرم در آلیاژ کبالت- کرم- مولیبدن مصرفی برای کاشتنی جراحی باید حداقل 27 و حداکثر 30 درصد باشد و مقدار مولیبدن موجود نیز حداقل 5 و حداکثر7 درصد است.

حداکثر مقدار نیکل، آهن، کربن، سیلیسیم و منگنز نیز به ترتیب 1، 75/0، 35/0، 1 و 1 درصد تعیین شده است.

برای هر یک از عناصر موجود در آلیاژ هم رواداری در نظر گرفته شده و به همین دلیل مقدار هر عنصر می‌تواند تا حد مجاز تعیین شده، بیشتر از مقدار حداکثر مشخص شده و نیز به مقدار مجاز، کمتر از حداقل تعیین شده در استاندارد باشد [50].

استاندارد F799-96 انجمن مواد و آزمون امریکا، مقدار کرم لازم در ترکیب آلیاژ کبالت- کرم- مولیبدن آهنگری شده را که برای کاشتنی جراحی مصرف می‌شود از حداقل 26 تا حداکثر 30 درصد تعیین کرده است/ مقدار مولیبدن موجود حداقل 5 و حداکثر 7 درصد است.

محدوده‌ی مجاز سایر عناصر مشابه آلیاژ کبالت- کرم- مولیبدن ریختگی است و فقط نیتروژن هم در این آلیاژ می‌تواند حداکثر تا 25/0 درصد وجود داشته باشد [51].

یک مقایسه ساده نشان که ترکیب شیمیایی دو آلیاژ ریختگی و کار شده (F799,F75) بسیار شبیه است ولی فرایند تولید آن‌ها متفاوت است.

استاندارد F90 انجمن آزمون و مواد امریکا، مقدار کرم موجود در آلیاژ کبالت- کرم- تنگستن- نیکل کار شده را حداقل 19 درصد و حداکثر 21 درصد، مقدار تنگستن مجاز را حداقل 14 و حداکثر 16 درصد و مقدار نیکل لازم را حداقل 9 و حداکثر 11 درصد تعیین کرده است در حالی که آلیاژ کبالت- نیکل- کرم- مولیبدن با استاندارد F562 که در حال حاضر بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، تنگستن ندارد و مقدار نیکل آن از 33 تا 37 درصد است.

مقدار مولیبدن این آلیاژ به 9 تا 5/10 درصد افزایش یافته که بیشترین مقدار در بین آلیاژهای پایه کبالت است و حداکثر 1 درصد تیتانیم نیز دارد [41، 43، 52].

در جدول 4-1 ترکیب شیمیایی دو آلیاژ ریختگی متداول برای ترمیم دندانی به عنوان نمونه ارائه شده است.

در جدول 4-2 نیز ترکیب شیمیایی نمونه‌هایی از آلیاژهای کار شده‌ی مصرفی در پزشکی ملاحظه می‌شود.

شایان ذکر است که آلیاژهای کار شده معمولاً حاوی مقدار زیادی نیکل (9 تا37 درصد) هستند در حالی که بر حسب نوع می‌توانند دارای تنگستن یا بدون آن تهیه شوند.

کرم به عنوان عنصر اصلی آلیاژی در تمام آلیاژهای مذکور حضور دارد [54].

بر اساس دستورالعمل شماره 14 انجمن دندانی امریکا و موسسه ملی استاندارد امریکا دو نوع آلیاژ ریختگی مشتمل بر آلیاژ کبالت- کرم- مولیبدن (آلیاژ پایه کبالت) و آلیاژ نیکل- کرم- مولیبدن (آلیاژی پایه نیکل) برای ساخت اجزاء دندان مصنوعی تکه‌ای متحرک به کار می‌روند.

مجموع کل مقدار کبالت، کرم و نیکل در این در نوع آلیاژ نباید کمتر از 85 درصد وزنی و یا مقدار کرم نباید کمتر از 20 درصد وزنی باشد.

سه عنصر اصلی دو آلیاژ مصرفی در دندان پزشکی، کبالت، کرم، و نیکل است که معمولاً در آلیاژهای تجارتی مجموع آن‌ها بیشتر از 90 درصد وزنی است.اگر چه حضور عناصر اصلی آلیاژی تعیین کننده خواص فیزیکی است اما عناصر آلیاژی فرعی مثل کربن، مولیبدن، بریلیم، تنگستن و آلومینیوم نیز خواص فیزیکی را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

کرم عامل ایجاد مقاومت در برابر تغییر رنگ و تأمین مقاومت خوردگی و زنگ‌نزدن است.

اگر مقدار کرم بیشتر از 30 درصد باشد، ریخته‌گری آلیاژ دشوار خواهد بود.

با وجود مقدار کرم در آلیاژ، یک فاز ترد تشکیل می‌شود که موسوم به فاز زیگما () است.

بنابراین آلیاژ ریختگی دندانی معمولاً نباید بیشتر از 28 و یا حداکثر 29 درصد وزنی کرم داشته باشد به طور کلی، کبالت و نیکل، تا درصد خاصی، عناصر قابل تعویض محسوب می‌شوند.

جدول 4-1 ترکیب شیمیایی (درصد وزنی) دو نمونه آلیاژ ریختگی مصرفی برای ترمیم دندانی ]53[.

جدول 4-2 ترکیب شیمیایی (درصد وزنی) نمونه‌هایی از آلیاژ پایه کبالت کار شده مصرفی در پزشکی موثرترین راه افزایش سختی آلیاژهای پایه کبالت ریختگی، بالا بردن مقدار کربن موجود است.

اگر کربن به مقدار 2/0 درصد وزنی تغییر کند، خواص آلیاژ چنان تغییر می‌کند که آن را نمی‌توان در دندان پزشکی به کار برد.

برای مثال، اگر کربن به مقدار 2/0 درصد بیشتر از حد مجاز در آلیاژ موجود باشد، آلیاژ خیلی سخت و ترد خواهد شد و برای ساخت اجزاء دندانی مناسب نیست.

برعکس، اگر مقدار کربن به میزان 2/0 درصد وزنی از حد پایین مجاز در آلیاژ کمتر گردد، استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی چنان کاهش می‌یابد که باز هم آلیاژ غیر قابل استفاده می گردد.

اغلب عناصر موجود در آلیاژ مثل کرم، سلیسیم، مولیبدن و کبالت با کربن واکنش می‌کنند و کاربید تشکیل می‌دهند.

در جدول 4-3 نام تجارتی برخی از آلیاژهای پایه کبالت مورد استفاده در پزشکی و تولیدکنندگان آن‌ها آمده است.

بسیاری از آلیاژهای مذکور با نام تجارتی مربوطه به خوبی شهرت یافته‌اند.