Физика / 4.

д.т.н., проф. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет, Россия

Статья подготовлена при поддержке гранта Президента РФ
МК-1799.2011.8.

Экспериментальное исследование основных механических свойств паротермических оксидных покрытий на имплантатах из нержавеющей стали 12Х18Н9Т

В современной хирургической практике лечения переломов костей наибольшее распространение получил метод внешнего чрескостного остеосинтеза [1]. Данный метод реализуется с помощью аппаратов внешней фиксации костных отломков в заданном взаимном положении. Фиксация отломков осуществляется путем введения в них стержневых имплантатов-остеофиксаторов из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, которые свободными концами закрепляются во внешних опорах аппарата, чем обеспечивается необходимая репозиция костных отломков (фрагментов).

С целью повышения прочности закрепления имплантатов-остеофиксаторов в костной ткани на их поверхность наносят пористые биосовместимые покрытия из различных материалов (трикальцийфосфатная керамика, углерод, биостекла, биоинертные металлооксиды и т.д.). При этом считается, что наиболее высокими прочностными характеристиками обладают покрытия на основе нетоксичных металлооксидных соединений, которые могут создаваться на поверхности стальных имплантатов методом паротермического оксидирования [2]. Поэтому целью работы является исследование механических свойств паротермических оксидных покрытий на ортопедических имплантатах из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н9Т.

Методика исследования

Имплантаты представляли стандартные винтовые стержни для остеосинтеза, выполненные из биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72). В качестве образцов-свидетелей использовались прямоугольные пластины толщиной 2 мм и площадью рабочей поверхности, равной 200 мм².

Перед оксидированием поверхность пластинчатых образцов и стержневых имплантатов подвергалась пескоструйной обработке корундовым абразивом для создания исходной микрошероховатости. Затем опытные шероховатые имплантаты и образцы-свидетели проходили дополнительную ультразвуковую очистку в моющем растворе 40 г/л Na₃РО₄ в течение 25-30 мин при частоте ультразвуковых колебаний f=22 кГц и интенсивности W=1,2 Вт/см².

Формирование оксидных покрытий проводилось в камерной электропечи экспериментальной нагревательной установки методом паротермического оксидирования. Процесс оксидирования осуществлялся при различных режимах, включающих температуру нагрева 450 и 550⁰С в атмосфере перегретого водяного пара, а также продолжительность оксидирования 1,5-2 ч при каждой температуре. При этом давление пара в рабочем объеме печи поддерживалось на уровне 1,2-1,3 атм.

К числу исследуемых механических характеристик получаемых покрытий относились толщина, микротвердость и адгезионная прочность.

Толщина паротермических оксидных покрытий определялась с помощью оптической микроскопии на специально приготовленных микрошлифах по стандартной методике. Измерения проводили с использованием микроскопа МИМ-7, имеющего окуляр с размерной микрометрической шкалой, при увеличении 190 крат.

Микротвердость покрытий рассматривалась как эквивалент их прочности и измерялась на специально приготовленных микрошлифах образцов с косым срезом при помощи прибора ПМТ-3 [3, 4].

Образцы закреплялись на рабочем столе прибора и в поверхность каждого образца под нагрузкой 50 г вдавливалась четырехгранная пирамида с квадратным основанием. После этого на исследуемой поверхности образца оставался характерный отпечаток и при увеличении 200 крат измерялись длины диагоналей полученных отпечатков. Характеристикой микротвердости являлось число Н_кв, равное частному от деления нагрузки Р (Н) на квадрат среднего арифметического значения длин обеих диагоналей d (м):

H_кв=18,19·Р/d², МПа.

Адгезионная прочность покрытий исследовалась качественным методом с нанесением на оксидированную поверхность сетки царапин (метод царапания).

Результаты исследования и их анализ

Толщина

Оксидные покрытия, созданные паротермическим оксидированием стали при температуре 450⁰С с продолжительностью 1,5 и 2 ч, приобретали малую толщину при значениях h=10-12 мкм, h=18-20 мкм, соответствующих заданным режимам обработки.

Покрытия стальных образцов, полученные оксидированием при температуре 550⁰С и продолжительности 1,5-2 ч, характеризовались также неодинаковой толщиной, но увеличенными ее значениями, достигающими h=35 мкм при оксидировании с продолжительностью 1,5 ч и h=55 мкм – при окислении в течение 2 ч (рис. 1).

Рис. 1. Микрошлифы стальных образцов, оксидированных при различной температуре и продолжительности паротермической обработки τ=2 ч (х300)

Влияние повышения температуры и продолжительности оксидирования на увеличение толщины покрытия связано с интенсификацией образования и роста металлооксидов за счет усиления окислительных процессов. При этом происходит ускоренное протекание физико-химических реакций на стальной поверхности и активизация ионных подвижностей в покрытии, облегчающих взаимное перемещение встречных диффузионных потоков миграции реагентов и продуктов окисления.

Благодаря такому влиянию режимов паротермического оксидирования происходит более чем двукратное повышение скорости роста образования покрытия при t=550⁰С, τ=2 ч и достижение его толщиной сравнительно высокого значения, равного h=55 мкм, что соответствует условиям эффективного биомеханического взаимодействия оксидированных стальных имплантатов с костными структурами.

Таким образом, результаты эксперимента свидетельствуют, что наибольшее влияние на формирование уровня толщины покрытия оказывает температура паротермического оксидирования.

Микротвердость

Измерение микротвердости оксидных покрытий с установлением числа Н_кв показало сильную зависимость величины данной характеристики прочности от режима паротермического оксидирования. Температура 450⁰С и продолжительность обработки 1,5-2 ч создавали покрытия с величиной микротвердости на уровне 6,2-6,5 ГПа, который существенно снижался у покрытий, полученных при 550⁰С и заданной продолжительности окисления до Н_кв= 5,2-5,4 ГПа. Данное уменьшение значения числа Н_кв обусловлено значительной толщиной и структурной неоднородностью поверхностных металлооксидов, образуемых при повышенной температуре. Указанные характеристики способствуют некоторому уменьшению прочности покрытий и, в частности, величины микротвердости, которая все же находится на высоком уровне, соответствующем требованиям механической совместимости поверхности оксидированных имплантатов с костной тканью и функциональными нагрузками.

Адгезия

Уровень адгезии покрытий определялся с помощью качественной оценки прочности сцепления оксидного слоя с поверхностью стали путем нанесения на него сетки царапин заостренным металлическим стержнем (рис. 2).

Визуальные и оптико-микроскопические наблюдения показали, что разрушение покрытия является локальным и носит местный избирательный характер (рис. 3, 4). После царапания на поверхности металлической основы остается множество микро- и макрочастиц оксидного покрытия, полного его разрушения не происходит. Более того, отсутствуют участки сколов покрытия на границе с царапинами, что указывает на его высокую когезионную прочность. Не наблюдалось также отслаивание металлооксидов вблизи с поверхностью царапания и в местах, где расстояние между царапинами не превышало 1 мм. Кроме этого, на участках покрытий, находящихся между продольными и поперечными линиями царапин, поверхностное строение оксидов не нарушалось, их растрескивания и расслаивания не происходило, что говорит о высокой механической прочности покрытий и силе их сцепления с основным металлом.

Рис. 3. Поверхность покрытия, полученного при t=450^0С, τ=2 ч, в зоне разрушения царапанием: а – область пересечения царапин, б – поверхность царапания

Рис. 4. Поверхность покрытия, полученного при t=550^0С, τ=2 ч, в зоне разрушения царапанием: а – область пересечения царапин, б – поверхность царапания

Это дает основание полагать, что покрытия, сформированные паротермическим оксидированием стальных имплантатов при заданных режимах, обладают высокой адгезионно-когезионной прочностью и механической совместимостью с костными структурами.

Сопоставление и сравнительная оценка оксидных биосовместимых покрытий, полученных в условиях паротермического оксидирования стальных имплантатов, показывают, что при всех принятых режимах обработки создаются оксидные слои с высоким уровнем механических характеристик (табл.).

Таблица

Механические свойства паротермических оксидных покрытий на шероховатых имплантатах из стали 12Х18Н9Т

t, ^0С	τ, ч	Свойства покрытий
		фазовый состав	h, мкм	адгезия (качественная оценка)	Нкв, ГПа
450	1,5	Fe, FeNi, Fe2O3, Ti3O5	10-12	высокий уровень	6,2
	2		18-20		6,5
550	1,5		35		5,2
	2	Fe, Тi3O5	55		5,4

На основании проведенных экспериментальных исследований можно заключить, что паротермические оксидные покрытия имплантатов будут способствовать их высокоэффективному и надежному функционированию в костных структурах, выдерживая значительные механические нагрузки.

Литература

1. Бейдик О.В., Бутовский К.Г., Островский Н.В., Лясников В.Н. Моделирование наружного чрескостного остеосинтеза. – Саратов: Изд-во СГМУ, 2002. – 198 с.

2. Родионов И.В. Газотермическое оксидирование как метод получения биосовместимых покрытий на изделиях медицинского назначения / Сб. трудов XVI Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2010. Т.2. С. 74-76.

3. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости методом вдавливания алмазных наконечников. М.: Изд-во стандартов, 1978. – 56 с.: ил.

4. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. - 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т. 1. Методы испытаний и исследования / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.