بعد از طی مرحله تولید آهن خام، مرحله تولید فولاد خام شروع می شود. در تولید فولاد خام از چهار روش عمده استفاده میشود که عبارتند از.:

• روش روباز open Hearth Furnace یا زیمنس مارتین.
• روش کوره اکسیژنی Basic Oxygen Furnace یا کنورتور.
• روش کوره قوس الکتریکی EAF:Electric Arc Furnace.
• روش کوره های القایی IF: Induction Furnace.

روش روباز، برای تولید فولاد از آهن خام بدست آمده از کوره بلند یا عمدتاً قراضه استفاده میشود. تولید فولاد به این روش از سایر روشهای قدیمی تر بوده و به علت پایین بودن کارآیی آن،. روز به روز کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. در سال 2011 حدود 1/8 درصد فولاد دنیا به این روش تولید شد. و تا چند سال آینده فولاد به این روش دیگر تولید نخواهد شد.

آشنایی با صنعت فولاد و آهن

در روش کوره اکسیژنی نیز از آهن خام بدست آمده از کوره بلند . با مقداری قراضه و از طریق دمش اکسیژن خالص، فولاد تولید میشود. حدود 47 درصد فولاد دنیا در سال 2011 توسط انواع کنورتورها تولید شده اند.

در روش کوره قوس الکتریکی تولید فولاد با استفاده از قراضه و آهن اسفنجی بدست آمده از طریق احیاء مستقیم. و یا آهن خام حاصل از کوره بلند یا ترکیبی از آنها توسط الکترودهای گرافیتی. و اعمال قوس الکتریکی صورت می گیرد. در سال 2011 حدود 31 درصد فولاد دنیا به این روش تولید شده است.

در روش کوره القایی آهن قراضه و آهن اسفنجی به کمک انرژی الکتریکی به فولاد تبدیل می گردد. حدود 35 درصد فولاد هندوستان در سال 2011 به این روش تولید شد.

یکی از مهمترین فاکتورهای مؤثر در میلگردهای ساختمانی جوشپذیری آنها میباشد. میلگردها به دو صورت جوشپذیر و جوش ناپذیر طبقه بندی میشوند. روش تولید میلگردهای جوش ناپذیر نورد گرم بدون عملیات نهایی میباشد. در این زمینه در زمان تولید میلگردهای آجدار، آج ها با استفاده از آخرین استند نورد. ایجاد میشوند، جایی که دو تا سه دستگاه نورد، نفوذ یکسانی بر روی میلگرد ایجاد میکنند.میلگرد آلیاژی

https://www.foolad-paytakht.ir

در تولید میلگردهای جوش پذیر 3 مرحله اجرایی از جمله نورد گرم. بعد از میکرو آلیاژ کردن، نورد گرم همراه با عملیات حرارتی. و نورد گرم همراه با شکل دهی سرد وجود دارد.

علاوه بر این جوش پذیری میلگردها به ترکیب شیمیایی فولادی. بستگی دارد، معمولاً میزان کربن فولادهای جوش پذیر کمتر از 0.24 درصد وزنی میباشد.

فولاد زنگ نزن – کابرد آن در پزشکی

فولاد زنگ نزن-در ساخت کاشتنی های ارتوپدی، فلزات نقش انکار ناشدنی دارند. در این میان فولادهای زنگ نزن بدلیل تاریخچه مصرف طولانی و در نتیجه رفتار شناخته شده و هم چنین هزینه به نسبت کمتر در مقایسه با دیگر بیومتریال های فلزی و در عین حال زیست سازگاری مناسب در کاربردهای کوتاه مدت،. موقعیت خود را در بین بیومتریالهای فلزی تثبیت کرده اند.

مواد فلزی مورد استفاده در پزشکی

اولین مواد فلزی که بطور موثر در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است.فولاد زنگ نزن است. فولاد زنگ نزن برای کاربردی گسترده ای بدلیل هزینه های پایینتر، دسترسی آسان، خواص مکانیکی عالی، شکل پذیری مناسب،. زیست سازگاری مناسب و استحکام بالا مورد استفاده قرار میگیرد. بیو مواد فلزی در مقایسه با بیو مواد سرامیکی و پلیمری، . خواص قابل توجهی مانند تحمل بیشتر تنش های کششی را دارند که در مورد آلیاژهای آنها،. این کمیت بسیار زیاد خواهد بود.

از موارد مصرف این مواد تحت بارهای زیاد مانند: لگن،زانو،پیچ، کاشت های دندانی خواهد بود. ترکیب آهن و کربن کمتر از حدود 2 درصد را فولاد مینامند. آهن در دمای معمولی مغناطیسی است،. ولی با افزایش دما از 523 درجه به دلیل تغییر جهت نیروی اسپین خاصیت مغناطیسی آهن نیز از بین میرود. به جهت تأثیر مخرب خاصیت مغناطیسی فولادهای فریتی کاشته شدن درون بدن بر روی MRI.،استفاده ی آنها درون بدن بسیار کم است. فولاد پر مصرفترین آلیاژی فلزی مورد استفاده بعنوان بیومتریال است.

آلیاژ آهنی

در علم متالوژی فولاد ضد زنگ، تحت عنوان آلیاژ آهنی با حداقل 10 درصد کروم تعریف میشود. این نام از این جهت قرار داده شده است که فولاد ضد زنگ،. تغییر رنگ نمی یابد و خورده نمیشود. فولادهای زنگ نزن در بسیاری از محیطها، مقاومت بالایی نسبت به خوردگی و اکسید شدن دارند.، با این حال انتخاب نوع صحیح فولاد برای کاربرد خاص از اهمیت زیادی برخوردار است. فراوانی، شکل پذیری، قیمت مناسب،. راحتی کار و استحکام خوب از جمله خصوصیات بارز کاشتنی هایی از جنس فولاد زنگ نزن است.

 https://www.foolad-paytakht.ir

مقاومت در برابر اکسید شدن در هوا در دمای محیط با افزودن حدود 13 درصد کروم و در محیطهای سخت و خورنده حدود 26 درصد میتواند مناسب باشد. در حال حاضر بیش از 150 نوع مختلف فولاد زنگ نزن معرفی شده است. افزودن نیکل باعث پایدار شدن ساختار آستنیتی آهن میشود. در نتیجه فولادی غیر مغناطیسی بدست می آید. که در دماهای کم نیز مقاومت به شکنندگی بالایی دارد. برای دستیابی به استحکام و سختی بیشتر به آن میتوان کربن اضافه نمود.

نکته ی مهم تشکیل لایه ی غیر فعال اکسید کروم است که بر روی سطح فولاد تشکیل شده و آنرا در برابر خوردگی محافظت مینماید. علاوه بر قسمت های اساسی و اصلی تجهیزات بیمارستانی از فولاد ضد زنگ در پیچ ها، میخ ها، سیم ها و صفحات شکسته بندی، سیم ها و گیره های ارتوپدی و کاشتنی های دندانی، استنت قلبی، کاتترها، سوزن ها ، قیچی های جراحی و … استفاده میگردد.

بیشترین استفاده

بیشترین استفاده از فولادهای زنگ نزن، انواع 316 و L 316 است. نوع L316 توسط انجمن تست مواد آمریکا ASTM برای ساخت کاشتنی ها توصیه میشود.

هدف از این تحقیق این است که با مشکلات فولاد ضد زنگ مرود استفاده در کاربردهای پزشکی آشنا شده و در صدد بر طرف نمودن این مشکلات اعم از مقاومت به سایش کم، مقاومت به خوردگی کم در محیط بدن، مدول الاستیک بالا – در حدود 200 گیگا پاسکال – حدود 10 برابر استخوان – تنش ایجاد شده در محل کاشتنی و استخوان Stress Shielding . سمیت عناصر آلیاژی تلاش شود.

روشهای بررسی

جهت یافتن مستندات مرتبط با موضوع پژوهش از مقالات مروری و چاپ شده در سالهای گذشته و حال استفاده گردیده است . در این شناسایی فولاد زنگ نزن مزایا و معایب آن در کاربردهای پزشکی پرداخته شده است.

فولادهای زنگ نزن

فولاد زنگ نزن نام عمومی برای برخی از فولادها است. آلیاژهای حاوی درصد بالای – 11 الی 30 درصد وزنی کروم و مقادیر مختلف نیکل را فولاد زنگ نزن میگویند. فولادهای زنگ نزن بر اساس ترکیب شیمیایی به دو دسته تقسیم شود:. فولادهای کروم دار و فولادهای کروم – نیکل دارد. فولادهای زنگ نزن بر اساس ریز ساختار به چهار بخش تقسیم میشوند:

 https://www.foolad-paytakht.ir

بجز فولادهای داپلکس، هریک از سه گروه دیگر از فولادهای زنگ نزن در کاربردها و دستگاههای پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد. سختی فولاد زنگ نزن، مارتنزیتی 97HRB است که برای ابزارهای دندانپزشکی و جراحی مناسب هستند. فولاد زنگ نزن فریتی برای ابزارهای پزشکی استفاده میشود.

فولاد زنگ نزن آستنیتی در کاربردهای مختلف پزشکی مانند: مواردی که به مقاومت به خوردگی بالا، استحکام متوسط مورد نیاز است.، استفاده میشود. در این کاربردها اغلب به یک ماده نیاز است که به راحتی به شکل های پیچیده در آید. با این حال، فقط فولاد زنگ نزن آستنیتی برای کاشتنی ها استفاده میشود. از این رو، در این بخش به فولاد زنگ نزن مرود استفاده برای کاشتنی های پزشکی، از جمله نوع 316 L و انواع آن اختصاص داده شده است.

مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن در کاربردهای پزشکی

حداقل درصد کروم در فولاد زنگ نزن 11 درصد وزنی است، مقدار مورد نیاز برای جلوگیری از زنگ زدگی در اتمسفر محیط است. لیست ترکیبات فولاد زنگ نزن 316 L و انواع آن ASMT F138 است. فولاد زنگ نزن L 316 بطور گسترده ای در کاربردهای موقت در بدن استفاده میشود. مانند صفحات شکستگی، پیچها، مفصل ران، و هم چنین در کاربردهای دائمی، مانند جایگزینهای کامل استخوان ران استفاده میشوند.

 https://www.foolad-paytakht.ir

همانطور که گفته شد. فولاد ضد زنگ دارای مقادیر مختلف کروم و نیکل است. کروم دارای میل بسیار زیادی برای ترکیب شدن با اکسیژن را دارد، که یک فیلم اکسید غنی از کروم به ضخامت 2 نانو متر روی سطح ایجاد میکند. این لایه سطحی، چسبنده است و باعث جلوگیری از خوردگی در محیطهای حاوی اکسیژن میگردد.

وجود نیکل در آلیاژ باعث افزایش مقاومت به خوردگی و هم چنین باعث بهبود خواص مکانیکی میگردد. نیکل اصلی ترین عنصر آلیاژی است که باعث تشکیل آستنیت در آهن میشود. بطور کلی پایدار کننده آستنیت در فولاد زنگ نزن است. با تشکیل فیلم های اکسیدی محافظ روی سطح آلیاژ، باعث افزایش مقاومت به خوردگی میشود.

با توجه به مطالعات انجام گرفته عنصر نیکل برای بدن انسان بسیار سمی است. اضافه کردن عناصر آلیاژی دیگر میتواند مقاومت به خوردگی، خواص فیزیکی و مکانیکی را افزایش دهد. در فولادهای زنگ نزن بطور معمول در نوع خوردگی اتفاق می افتد: 1- خوردگی حفره ای 2 – خوردگی شیاری

خوردگی حفره ای

خوردگی حفره ای یک نوع خوردگی موضعی است. که به وجود آمده سوراخ و خراش روی سطح ایجاد میشود. دلیل ترمودینامیکی برای خوردگی حفره ای، ایجاد یک منطقه کوچک روی سطح که فاقد لایه اکسید – پسیو شده – است.، آند شده در حالیکه منطقه وسیع دیگر کاتد شده است. در این منطقه که فاقد لایه اکسیدی است.، خوردگی گالولنیک موضعی رخ میدهد. علت ایجاد خوردگی حفره ای در فولادهای زنگ نزن، وجود کربن در آلیاژ است. کروم تمایل زیادی به واکنش با کربن دارد و کاربید کروم cr7-cr3-cr2-cr3-c2-در منطقه غنی از کربن تشکیل دهد.

بطور معمول در مرز دانه تشکیل میشود. رسوب کربن و تشکیل کاربید کروم باعث کاهش کروم در اطراف مرزدانه شده و بنابر این وقتی خراش یا حفره ای روی سطح ایجاد شود. کروم لازم برای تشکیل لایه مقاوم به خوردگی اکسید کروم وجود ندارد. و این منطقه کمبود از کروم شده و باعث خوردگی حفره ای میشود. پس در نتیجه مقاومت به خوردگی در اطراف و مرز دانه به دلیل تشکیل کاربید کروم، کاهش می یابد.

برای جلوگیری از خوردگی حفره ای در فولاد زنگ نزن میتوان مولیبدن به آلیاژ اضافه کرد. مولیبدن میل زیادی به ترکیب شدن با کربن را دارد. و باعث تشکیل کاربید مولیبدن میکند.، بنابراین موجب کاهش کاربید کروم میگردد. هم چنین برای افزایش مقاومت به خوردگی حفره ای باید مقدار کربن کم باشد.

 https://www.foolad-paytakht.ir

اگرچه کربن موجب افزایش استحکام میگردد. اما مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن نباید از 3 دهم درصد بیشتر باشد. محتوای کربن پایین احتمال تشکیل کاربید کروم را کاهش میدهد. بطور معمول این مکانیزم،. باعث خوردگی درون دانه ها میشود. کاهش مقدار کربن در فولادهای زنگ نزن L316، سبب افزایش مقاومت به خوردگی در محلول های کلریدی بطور مثال: محیط نمکی فیزیولوژیک در سیستم بدن،. میشود. از سوی دیگر فولاد زنگ نزن در برابر خوردگی توسط یونهای کلریدی آسیب پذیر است. و ترکیبات گوگرد را کاهش میدهد.

وجود ریز جانداردهای زیستی بر روی سطح فلز معمولاً منجر به آسیب های شدید بر روی سطح فلز در غلظت های مختلف ph و اکسیژن و ترکیبات الکترولیتی میگردد. تحقیقات انجام شده بر روی رفتار الکتروشیمیایی و خوردگی فولاد زنگ نزن L316 در باکتریهای کاهش یافته سولفاتی SRB و باکتریهای اکسیده شده هوای IOB نشان داده است. که روابط بین سطح فولاد زنگ نزن و سلولهای باکتریایی، محصولات متابولیکی و این محصولات باعث افزایش آسیب خوردگی و منجر به خوردگی حفره میشود. بیش از 90 درصد شکست کاشتنی های ساخته شده از فولاد زنگ نزن L316 ناشی از خوردگی شیاری و حفره ای با توجه به مطالعات بر روی کاشتنی های بازیابی شده است. برای جلوگیری از خوردگی و حملات یون های فلزی به کاشتنی، میتوان با روش اصلاح سطح و تغییر آلیاژ ماده،. موجب بهبود مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ L316 شد.

اکسید آهن حدود 5 درصد از پوسته زمین را شامل می شود. بطور کلی بیش از 200 نوع کانی آهن در پوسته زمین وجود دارد که. از میان آنها کانی های معدنی رایج سنگ آهن عبارتند از هماتیت Fe2O3 که 70 درصد آهن داشته و مگنتیت Fe3O4 که 72 درصد آهن دارد. و میانگین عیار آن در یک کانی آهن حدود 60 تا 65 درصد است. امروزه از سولفید طبیعی آهن (پیریت) در استخراج آهن استفاده نمی شود،. بلکه مصرف عمده آن در تولید اسید سولفوریک است.

https://www.foolad-paytakht.ir

در سال 2011 در دنیا حدود 2800 میلیون تن انواع سنگ آهن. از معادن کشورهای مختلف برای فولاد فولاد استخراج شد. استخراج سنگ آهن از معادن ایران در سال 2011 حدود 30 میلیون تن بوده است. متوسط عیار آهن سنگ آهن معادن چین حدود 31 درصد. و متوسط عیار آهن سنگ آهن معادن ایران حدود 56 درصد می باشد. عوامل مختلف اقلیمی مانند درجه حرارت،. باد، رطوبت، تبخیر، تعریق و بارش فرایند استخراج در معادن روباز. را تحت تأثیر قرار می دهند.

https://www.foolad-paytakht.ir

آشنایی با صنعت فولاد و آهن

سنگ معدن هایی که آهن از آن استخراج می شود، عمدتاً از معادن روباز و بیشتر به صورت اکسیدهای آهن مانند. مگنتیت یا هماتیت است که با 2 تا 20 درصد ناخالصی (نظیر سیلیکات ها و آلومینات ها) همراه است. این ناخالصی ها در کوره از آهن جدا شده و به صورت سرباره خارج می شوند. سنگ معدن تصفیه شده و پر عیار شده به صورت پودر یا دانه های ریز وارد کوره می شود. مناسبترین اندازه ذرات برای ورود به کوره بین 6 تا 25 میلی متر است.

فرآوری سنگ آهن شامل مراحل پر عیارسازی (ثقلی، مغناطیسی و فلوتاسیون)،. آبگیری، آسیاب و خشک کردن است تا کانسنگ برای ورد به مراحل بعدی دارای کیفیک قابل قبول باشد.

فولادهای زنگ نزن

فولاد زنگ نزن نام عمومی برای برخی از فولادها است. آلیاژهای حاوی درصد بالای – 11 الی 30 درصد وزنی کروم و مقادیر مختلف نیکل را فولاد زنگ نزن میگویند. فولادهای زنگ نزن بر اساس ترکیب شیمیایی به دو دسته تقسیم شود:. فولادهای کروم دار و فولادهای کروم – نیکل دارد. فولادهای زنگ نزن بر اساس ریز ساختار به چهار بخش تقسیم میشوند:

 https://www.foolad-paytakht.ir

بجز فولادهای داپلکس، هریک از سه گروه دیگر از فولادهای زنگ نزن در کاربردها و دستگاههای پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد. سختی فولاد زنگ نزن، مارتنزیتی 97HRB است که برای ابزارهای دندانپزشکی و جراحی مناسب هستند. فولاد زنگ نزن فریتی برای ابزارهای پزشکی استفاده میشود.

 https://www.foolad-paytakht.ir

فولاد زنگ نزن آستنیتی در کاربردهای مختلف پزشکی مانند: مواردی که به مقاومت به خوردگی بالا، استحکام متوسط مورد نیاز است.، استفاده میشود. در این کاربردها اغلب به یک ماده نیاز است که به راحتی به شکل های پیچیده در آید. با این حال، فقط فولاد زنگ نزن آستنیتی برای کاشتنی ها استفاده میشود. از این رو، در این بخش به فولاد زنگ نزن مرود استفاده برای کاشتنی های پزشکی، از جمله نوع 316 L و انواع آن اختصاص داده شده است.

اصطلاح قابلیت ماشینکاری به سهولت در اجرا و کاهش هزینه دستیابی به تولید قطعات ماشینکاری مربوط میشود. قابلیت ماشینکاری را میتوان از نظر صافی سطح، شکل تراشه، عمر ابزار، میزان مصرف برق وسرعت تولید اندازه گیری کرد. ماشینکاری خاصیت ذاتی ماده مثل استحکام کششی نیست زیرا. بستگی به معیار انتخاب شده، نوع ابزار برش، عمل برش، شرایط برش و قدرت ابزار دارد.

هرچه استحکام و سختی فولاد بالاتر باشد. نیروهای برش و درجه حرارت بالاتر و قابلیت ماشینکاری آن پایینتر است. با این وجود، نرمی فولاد قابلیت ماشینکاری آن را با تسهیل فرآیند تشکیل تراشه و کاهش لبه داخلی بهبود میبخشد.

با این وجود سختی بهینه برای حداکثر قابلیت ماشینکاری وجود دارد. در سطح سختی بسیار کم، فولادها بسیار نرم و انعطافپذیر هستند. و یک لبه داخلی بزرگ و ناپایدار در لبه برش شکل میگیرد. از این رو ماشینکاری در فولادهای نرم بهتر است. بنابراین در هنگام تلاش برای به حداکثر رساندن ماشینکاری باید حد بهینه حاصل شود. زیرا فولادهایی که معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند قوی و سخت می باشند.

هدف از طراحی فولادهای خوش تراش، افزایش انعطاف پذیری فولادها به منظور افزایش سهولت استفاده. از عملیات برش برای فلز است. با این حال، پیشرفت در عملکرد ماشینکاری اغلب به قیمت خواص مکانیکی است.

فولاد خوش تراش-فولاد اتومات- فولاد کم کربن