Физика/2
студ.
Ковтеба Д.В., к.т.н. Ажажа Р.В., м.н.с. Стадник Ю.С., Танцюра И.Г.
Национальный
научный центр «Харьковский физико-технический институт», Украина
Особенности
окисления циркониевых материалов при
нагревании в воздухе
Разработка и использование материалов, совместимых с
живыми средами и предназначенных для использования в качестве искусственных
органов – одна из первоочередных задач современной медицины. Циркониевые сплавы
являются альтернативой в производстве имплантатов, а по отдельным позициям
имеет приоритет перед ранее используемыми материалами в данной области. Сплавы
циркония с ниобием являются биоинертными материалами, не влияют на рост костных
и тканевых клеток, а также не вызывают видимых морфологических изменений
внутренних органов, не обладают бактерицидными свойствами. По сочетанию высокой
коррозионной стойкости, технологичности, трещиноустойчивости, усталостной
выносливости и биологической инертности циркониевые сплавы являются
перспективными отечественными материалами для применения в травматологии и
ортопедии в качестве компонентов модульных эндопротезов.
Исследованы процессы получения заготовок циркониевых
сплавов с заданной структурой и свойствами, а также процессы формирования
плотных оксидных пленок на поверхности циркониевых материалов.
Заготовки (прутки) диаметром 10-24 мм, длиной до 450 мм
для дальнейшего использования при изготовлении ортопедических имплантатов были
получены методами свободной ковки при высокой температуре и горячей прокатки.
Нормализующий (рекристаллизационный) отжиг проводился при параметрах: 650°С;
2 ч; 0,0133 Па.
Несмотря на то, что коррозия является деструктивным
процессом, формирование плотных оксидных пленок на поверхности циркониевых
материалах может приводить к позитивным эффектам за счет создания защитного
барьера на пути дальнейшей деградации материала [1-3].
Толщина оксидного покрытия на поверхности сплава Zr-1%Nb после нагрева при 500-800°С
составляет 5-25 мкм, параметр их шероховатости Ra не больше 0,1 мкм, что
соответствует требованиям ISO 468 к поверхностям покрытия модульных компонентов
эндопротезов. На рис.1 показана микроструктура сплава Zr-1%Nb после окисления при 500 и 800°С
в течение 10 ч. При отжиге в воздушной атмосфере 500-600°С в течение времени до
10 ч формируются плотные оксидные пленки, характеризующиеся высокими защитными
свойствами. Дальнейшее увеличение температуры до 800°С приводит к росту
оксидной пленки, при этом происходит образование трещин в поверхностных слоях и
ее разрушение. Длительные времена окисления и более высокие температуры
окисления нарушают целостность покрытия, образуется белая осыпающаяся окисная
пленка.
а б
Рис.1. Микроструктура сплава Zr-1%Nb после окисления при 500 (а) и
800°С (б) в течение 10 ч.
Значения величин микротвердости образцов после окисления
при различных температурах нагрева и временах выдержки значительно отличаются.
Микротвердость образцов нагретых при 500°С в течение 5ч составляет 2970, при
600°С 3 ч – 3830, при 700°С 1 ч – 6420, 10 ч – 8240 МПа (микротвердость
исходных 2360 МПа).
С целью установления особенностей окисления циркониевых
образцов были исследованы закономерности протекания процессов в изотермических
условиях в интервале температур 500-800°С. На рис.2 приведены зависимости
прироста массы образцов сплава циркония с 1% ниобия от времени для ряда
температур. Из рисунка видно, что процесс окисления в исследуемом интервале
температур описывается параболической или кубической зависимостью.
Рис.2. Зависимости прироста массы
сплава Zr1%Nb от времени при разных температурах
Литература
1.
Кофстад
П. Высокотемпературное окисление металлов. – М.: Изд-во «Мир», 1969. – 392 с.
2.
Войтович
Р.Ф., Головко Э.И. Высокотемпературное окисление титана и его сплавов. Киев:
Наукова думка, 1984,256 с.
3.
Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов
и сплавов. М: Металлургия, 1965, 428 с.