بخشی از مقاله
چکیده
هدف از تحقیق حاضر بررسی تأثیر نیتروژندهی محلولی بر رفتار خوردگی فولاد زنگنزن آستنیتی 316L آستنیتی 316L به ضخامت 2 میلیمتر در دمای 1200˚C به مدت زمان 3 ساعت در معرض اتمسفر گازی حاوی نیتروژن با خلوص بالا، تحت فشار 2/5 بار قرار گرفتند. ارزیابی فازی از سطح نمونهها با استفاده از پراش اشعه ایکس - XRD - ، انجام شد. رفتار خوردگی نمونههای نیتروژندهی شده در مقایسه با نمونه فولاد 316L، توسط آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک مورد ارزیابی قرار گرفت.
پتانسیل خوردگی، چگالی جریان خوردگی و پتانسیل حفرهدار شدن نمونه نیتروژندهی شده و فولاد 316L متداول با یکدیگر مقایسه شد که چگالی جریان خوردگی با استفاده از رابطه استرن -گری محاسبه شد. سطح نمونههای خورده شده پس از آزمون پلاریزاسیون توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مورد بررسی قرار گرفت. نتایج، نشان داد که نیتروژندهی محلولی منجر به افزایش مقاومت به خوردگی عمومی و حفرهای فولادهای زنگنزن آستنیتی 316L میشود که این امر به دلیل ایجاد ساختار آستنیتی غنی از نیتروژن در این فولادها میباشد.
.1 مقدمه
مشکلات و نارساناییهای جسمی شامل نقصعضو، عدم کارایی دستگاههای داخلی بدن و از بین رفتن اندامهای خارجی، انسان را بر آن داشت تا از موادی برای تعویض و یا ترمیم این اعضا و بافتها استفاده کند. فولادهای زنگنزن آستنیتی و به طور خاص فولاد زنگنزن AISI 316L به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی مناسب از جمله انعطاف پذیری بالا، استحکام کششی و استحکام خستگی بالا، مقاومت به خوردگی مطلوب، خواص غیر مغناطیسی، زیست سازگاری و قیمت پایین به طور وسیعی در کاربردهای زیستپزشکی مورد استفاده قرار میگیرند.
فولادهای زنگنزن با کیفیت زیستپزشکی اگرچه برای ساخت پیچهای داخل استخوانی، سیم، مفاصل مصنوعی و کاربردهای قلبی عروقی مانند استنت، کاربرد بسیار گستردهای دارند با این حال در محیطهای کلریدی، حتی با افزودن 2-3% مولیبدن و کاهش محتوی کربن به 0.03%، در برابر اشکال موضعی خوردگی مانند خوردگی حفرهای و شیاری مقاوم نیستند و از آنجا که محیط بدن حاوی مقادیر زیاد یونهای کلر میباشد، لذا محیط خورندهای برای این دسته از مواد زیستی محسوب میشود ] 4،.[3 در اثر وقوع خوردگی حفرهای، کاشتنیهای ساخته شده از اجزای فلزی منجر به انتشار یونهای فلزی در بدن میشوند.
یونهای فلزی منتشر شده ممکن است باعث پدیدههای مختلفی از جمله انتقال به قسمت-های دیگر بدن، تأثیر بر متابولیسم، انباشته شدن در اندامها، آلرژی و یا سرطان شوند، که این به یک مسأله مهم در ارزیابی ایمنی زیستی درمانهای ارتوپدی تبدیل شده است. برای مثال حضور نیکل در حدود 10 تا 12 درصد وزنی در این فولادها، منجر به انتشار یونهای سمی نیکل در محیط بدن میشود. آژانس بیت المللی تحقیق بر روی سرطان - IARC - ، سازمان بهداشت جهانی - WHO - تخمین زده است که نیکل فلزی و ترکیبات نیکلی برای بدن انسان سرطان زا هستند .[5-7]
به منظور اصلاح رفتار بیولوژیکی فولادهای زنگ آستنیتی مورد استفاده در تجهیزات زیست پزشکی، اصلاح سطح و استفاده از آلیاژهای بسیار مقاوم به خوردگی بهترین و زیستپذیرترین گزینه برای افزایش مقاومت به خوردگی سطح زیست ماده است. اصلاح سطح مزایای متعددی در طراحی آلیاژهای بسیار مقاوم در برابر خوردگی دارد. خواص سطحی مطلوب در کنار حفظ ویژگیهای مفید و التزامی ماده حجیم میتواند ایجاد شود که در نتیجه منجر به کاهش هزینههای مربوط به ماده میگردد. برخی از این روشها عبارتند از اصلاح الکترو شیمیایی سطح، نیتروژندهی محلولی، اصلاح سطح با تکنولوژی لیزر .[9] نیتروژندهی محلولی فولادهای زنگنزن به منظور حصول مقاومت به خوردگی بالا و نیز افزایش زیست-سازگاری، یکی از روشهای بسیار کارآمد میباشد.
نیتروژن یک عنصر آلیاژی مهم افزوده شده به فولاد زنگ-نزن آستنیتی، از نظر مقاومت به خوردگی در نظر گرفته میشود. فولادهای زنگنزن آستنیتی حاوی نیتروژن، در حال حاظر به طور وسیعی در تجهیزاتی که مقاومت به خوردگی قابل توجه همراه با خواص مکانیکی کافی مورد نظر باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. نیتروژندهی یک عملیات ترموشیمیایی سطحی است و به موجب آن مقاومت به سایش، سختی سطح و مقاومت به خوردگی فولادهای زنگنزن افزایش می-یابد. نیتروژندهی محلولی، فرآیندی برای نیتریده کردن فولادهای زنگنزن کروم بالا میباشد.
این فرآیند معمولا، در محدوده دمایی 1000-1200℃ - محدوده پایداری فاز آستنیت - و در کورهای با اتمسفر گازی خالص N2 و فشار 0/01-0/3 MPa انجام میگیرد. مولکولهای دو اتمی نیتروژن در سطح آلیاژ به نیتروژن اتمی تجزیه میشوند و با نفوذ در سطح آلیاژ در مکانهای بیننشینی قرار میگیرند 10-12]،.[8 در تحقیق حاظر، ورقهایی به ضخامت 2 میلیمتر از جنس فولاد زنگنزن آستنیتی AISI 316L در دمای 1200℃ به مدت 3 ساعت نیتروژندهی شدند و ریزساختار و مقاومت به خوردگی لایه آستنیتی حاصل از روش نیتروژن-دهی با فولاد زنگنزن آستنیتی متداول 316L مقایسه شد.
.2 مواد و روش تحقیق
ورقهایی به ضخامت 2 میلیمتر از جنس فولاد زنگنزن آستنیتی AISI 316L با ترکیب شیمیایی ذکر شده در جدول 1، در دمای 1200℃ تحت فشار 2/5 بار به مدت 3 ساعت نیتروژندهی شدند. نمونه-هایی از جنس فولاد زنگنزن 316L نیز برای مقایسه خواص خوردگی تهیه شدند. سطح نمونهها تا مش 5000 با استفاده از سنبادههای کاربید سیلسیم آماده سازی و عملیات چربیزدایی نمونهها ابتدا در استون و سپس در اتانول، هر کدام به مدت 15 دقیقه در حمام آلتراسونیکی انجام شد.
به منظور بررسی فازهای تشکیل شده پس از عملیات نیتروژندهی، از دستگاه پراش اشعه ایکس BRUKER ADVANCED-D با پرتو Cu-K تحت ولتاژ 40Kev و جریان 40mA استفاده شد. ثبت الگوهای تفرق از زاویه 30 تا 120 درجه و با گام زاویهای 0/05 درجه و زمان شمارش یک ثانیه در هر گام زاویهای صورت پذیرفت. آزمونهای الکتروشیمیایی پتانسیودینامیک با استفاده از دستگاه Gill AC Potensiostat در محلول حاوی 3/5 درصد نمک سدیم کلرید در دمای 25℃ با استفاده از یک سلول سه الکترودی، شامل الکترود کار - نمونه مد نظر - ، الکترود شاهد - کانومل اشباع - و الکترود مخالف - از جنس پلاتین - بر روی نمونههای مذکور انجام شد. قبل از انجام آزمون پلاریزاسیون نمونهها به مدت یک ساعت به منظور پایداری پتانسیل مدار باز - OCP - درون محلول 3/5 درصد نمک سدیم کلرید قرار گرفتند. برای مشاهده تغییرات سطحی بعد از آزمون خوردگی، از میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM مدلMV2300 استفاده شد.
