Kısım i: Paslanmaz Çeliklerin Cinsleri ve Ijll ijlemi

Transkript

1 Kısım i: Paslanmaz Çeliklerin Cinsleri ve Ijll ijlemi Dr. TEMELli, Y. Dr. YAZICIOGLU, Ö. Dr. CAKMAK, M. Dr. ÜCIŞIK, H. BiNDAL, C. Dr. GÖKSAN, A. Dr. TÖZÜN, R. GiR i Ş : Tıp tarihinde metal ve alaşımlarının ıkulanılması çok eski devir Iere kadar dayanır. Önceleri bu malzemeler iptidai tarzda,kullanılırken cerrahi tekniği, Malzeme Bilimi ve Bio-malzeme sahasındaki çalışmaların teşvi.k edilmesi, metallerin cerrahideıki kullanım miktarını artırmıştır. Bugün metalik malzemelerin daha efektif vıe prob Imsiz olamk tatbiki, ortopedi ve malzeme biliminin iç 'içe girerek yapawkları ciddi,,sistemati,k araştırma ve geliştirmelerle mümkündür. Istatistiokler, ingiltere ve Gallerde, hastalara 1967 senesi içinde 5000, 1972'de ise total protez takıldığını, 1972'de Amerika',da total protez ameliyatları için 5,9 milyon dolar harcandığını göstermektedir (1). Bu rakamlar Malzeme Bilimi ve Ortopedinin,kaçınıl- ' 1 ist. Üniv. Tıp Fak. Ortapedi ve Travmatalali Kliniği Uzmanı' ' 1 ist. Üniv. Tıp fak. Ortapedi ve Travmatala i i Kliniği Prafesörü [.. 1 itü Kimya - Metalurii Fakültesi,Profesörü) '..'1 itü Kimya - Metalurji Fakültesi. Araştırma Görevlisi, ' "1 itü, Kimya - Metalurji Fakültesi 103

2 maz bir şekilde iç 'içe olduğunu gösteren delillerin,küçük!bir parçasıdır. Bu ıy azı, hazırlanacak 'sonmki yazılarıo birlikte uygulayıcılara,kısa bi'r rehber olması amacı ile hazırlanmıştır. ORTOPEDiK CERRAHiDE KULLANILAN METALLER : Hali hazırda ortopedik cerrahide en fazla kullanılan metalik malzemeler; 1) Paslanmoz çeli'kler, 2) Kobalt esoslı alaşımıar, 3) Titanyum ve titanyum esaslı alaşımlardır. Implant malzemesi olarak kullanılan bu. alaşımların en belirgin özellikleri: a) Vüouda her bakımdan uyum sağlaması, bl cl Üstün mekanik özelli,kiere Korozyone karşı :mukavim olması, d) Sterilizasyon sırasında özelliğ'inin 'bozulmaması, şeklinde sıralanabilir. Implant olarak 'kullanılaoa'k metalerin 'kolaylıkla pasifleşeıbilir olması gereklidir. Pasifleşmeyi 'sağayon element çoğunlukla kromdur. Kobalt ve nikel alaşımları paslanmaz çeliklerden daha fazla. pasifleşebilmekte ve bu sebeple, mütea,kip yazılarımızda belirteceğimiz şekilde, korozyona karşı mu'kaveme1leri Bazı,hallerde, maliyeti düşük olduğu için, Gr-Ni-Mo alaşımlı düşük karbonlu çeli'kler ter6ih edilir, Son senelerde yapılan araştırmalar hafızalı alaşımların ımplant malzemesi olarak,kullanılabileceğini göstermiştir. Paslanmaz çeli, lanmaz çelikler revaçtadır. Feritik v,e matenisitiok paslanmaz çeli'kler de Gelişmiş devletler metalik implant malzemlerini standartlaştırnııştır. Böyleoe halk sağlığının istismarı, devlet eliyle önlenilebilmektedir. En çok,kullanılan ASTM (American Society for Testing Materials)'nin «F» Surgical implant 'komitesi dığı standartlardır. 104

3 Implant malzemelerinin 'kullanımında karşılaşılan problemlerin en mühimi, hasta, vücudu içinde malzemenin,kırılmasıdır. Vücudda kullanılan metalik malzemelerin ıkırılmalarının sebepleri dizayn ve uygulama hatası,yok ise, malzeme özelli' nın kullanılmak suretiyle bulunabilir. Unutulmamalıdır ıki, her malzemenin tahammül edebileceği bir yük limiti vardır ve uygun şartlarda her malzeme kırılabilir. 3 - PASLANMAZ CELiKLER Paslanmaz çeliklerin genel özelliği fazla mi'kt etmesi ve karbon çeliklerine nazaran daha fazla 'korozyon mukavemetine sahip olmasıdır. Paslanmaz ismi biraz do yanıltıcıdır. Zira kesif korozif atmosferde veya benzeri şartlarda paslanmaz çelikler de pasıanabilir. Her şeyin izafi olduğu hatırdan çıkarılmamalıdır. Cok sayıdaki,paslanmaz çelikler başlıca üç ana gurupta toplanabilir: a) Martensitik Paslanmaz Celikler : % ık rom 'ihtiva ederler. Ceşitli kesici takım yapımında 'kullanılır. dur. Martensiti'k yağda su verilerek serleştirilmiş,olup sertlikleri ortalama olarak 24 Rc'ye getirilir, Kar.bon miktarına bağlı olarok sertli k well C arasında do değişebilir. Karıbon miktarının % 0,15 olması, paslanmaz çeliğin martensitik hale 'getirilebilmesi gereklidir. Su verme esnasında meydana gelen ger'ilmeleri gidermek için 300 C civarında tavlamaı lazımdır. Karbon mi,ktarının krom miktarının da artmasını gerektir ir. Krom miktarı fazlaca artırılırsa martensitik yapı yerine teritik ıyapı elde edilir. Ayrıca krom 'korbürün temperleme,sıcaklı, rızyon mukavemetini azaltır. Bu sebeple martensitik paslanmaz çenklerin tenperlemesinde dikkatli davranma k paslonmaz Çenklerin bileşimi tablo 1 'de verilmiştir (2). 105

4 Ta'blp Bileşi'k % Ağırilk AISI tip C Mn Cr Ni Diğerleri 403 0,15 Max 1,0 11, ,15» 1,0 11, ,15» 1, ,15 }} 1, » 1, ,2-2,5 440A 0,6-0,15 1, ,75 Mo Max 440 B 0,75-0,90 1, ,75 Mo Max 440 C 0,90-1,20 1, ,75 Mo Max Tablo 1, MartensiUk poslanmaz çej.ikleri, i) Düşük karbonlu martensitik çelikler, ii) Düşük karbonlu nikelli martensiti.k çehkler, iii) Orta 'karbonlu martensiuk çelikleri, IV) Yüksek karbonlu martensiuk çel üzere dört guruba ayrılmıştır. Bazı paslanmaz celi' rilmiştir. (3) Tablo 2 - Bazı martensitik paslanmaz çeliklerin bileşimi ve oda sıca'klığındoki --- AISI Bileşim lşıl Akma Cekme % BSO tipi.% aoırlık Işlem Mu Ka,vemeti Mukavemeti Uzama Kg/mm" MPa MPa Cr, Tavloma ,15 C. Su verme 1,0 Mn Temperleme ,55: SoOuk Işlem ,04 P; 0,03 S; Cr; Tavloma ,15 C Su verme ,0 MiL Temperleme 1,0 SI: Soğuk işlem ,04 P: 0,03 S; C Tavloma ,25-2,5 'NI Su verme ,15 C Temperleme 1,0 MiL Soğuk işlem ,0 Si 0,04 P; 0,03 S; 106

5 Son senelerde 9ökelme sertleşmesi ile de martensitik pu;:;/anmaz çelikler üretilmiştir..bileşimindeki 17-7 PH (PH: Precipitation Hardening) % 0,07 C, % 17 Cr, % 7 Ni, % 1 AI martensihk kullanış miktarı artmaktadır. implant malzemesi olarak kullanılan,diğer bir, bu türdeki çeli'k, TRIP (Transf'Ürmation IndlUced PlasticitY) çelikleridir. Bu çelikteki yapı, ostenit tazının def'ürmasyonla martensite,. mesihden e' implant malzemesi o lara'k,kullanılan TRIP çeli klerinin kimyasal bileşimi ta'blo Tablo 3 - Cerrahide kullanılan TRIP çeliklerinin bileşimi (1),% Ağırlık C E L i K Ni Cr Mo C Mn Si P S 3 Mo TRIP Mo» No: Mo No: ' -- 4 Mo No: Mo» No: 4 i Maraging Cenkler Martensitiık çelikler içeri S inde Maraging çeli'kleri çok düşük karbonlu (Max. % 0,03 cı, yüksek mukavemet ve tokluk özellikleri gösteren bir çelik türüdür. Mukavemet/Ağırlık oranı yüksektir. Maraging çefioklerinin,süper özeıhkler göstermesi üç sebebe bağlanmaktadır COk saf alaşım elementlerinin Ikullanılması, ii - Vaokümde III,-- Yüksek oranla Ni, Cr, Mo ile birhkte az mi'ktarda ' bulundurması. Maraging, çökelme ile sertleştirilen, çelikler içersinde AISI 630 serisi martensitik çefi.klerinin implant malzemesi.olarak ıkullanılması uygun görülmektedir. Yaşıanma ile sertleştirilen çeliklerin bileşimi Tablo 4'de verilmiştir (1).- 107

6 Tablo 4.: Çökelme yolu' ile sertleştirilebilen paslanmaz çeliklerin blrleşlmleri ve oda sıcaklıklığındaki Mekanik özellikleri. için)./ AISI Tıcarı Aı}ırlık Sırııflama Bileşim % Işı i işlem Akma Çekme % uzama % kesit Sertlik Darbe muka Gerilmesi Muka- (25.4 mm daraimeli ması BSD RackwelJ meli Joule MPa MPa kg/mm' uzunlu k MARTENSiTiK '1 PH 0,04 C; 0,25 Mn; 0,2 P; 0,010 S; 0,60 Si; 16,0 Cr; 4,0 Ni; (3,2 Cu; 0,25 Cb+Ta) YARI OSTENITIK 17-7 PH 0,07 C; 0,60 Mn; (Levha) 0,02 P; 0,015 S: 0.40 Si; 17 Cr; 7 NI: (1,15 AI) Cözeltiye alma tavlaması 482 C'de 1 saa:! 496 C'de 4 saa:! 593 C'de 4 saat Çözeltiye alma tavlarnası 565 C'de yaşlandınımış no C 4 27,1 (izod) C'2 33,9 (izod) C3. 61 (Izad) B8> C"

7 AISI icin) Ticari Bıleşim % 11'11 işlem Akma Cekme % uzamo % kesit SerUik Darbe muka- Sınıflama Aı)ırlık Gerilmesi Muka- (25,4 mm daralmet! ması MPa MPa uzunlu,k 510 C'de C"., BS8 482 C'da sonra soğuk C' hoddelema r PH 15-7 Mo 0,09 C; 0,60 Mn; Cözeltiye (LeVha) 0,02 P, 0,010 S; alma ,40 Si; 15 Cr; tavlaması 7 Ni; 2,20 Mo (1,15 AI) 565 C'da C" 510 C'de C's r: ::1 \./ 482 C'da, C' sonra soğuk haddeleme

8 Sıfır derecenin altına -soğutma C's 19 (Charpy) ve Sıfır derecenin altına soğutma (Charpy) ve yaşlandırmq, Soğuk me -<- Temper lema I\ISI Ticari için) Bileşim % lşıl işlem Akma Cekme % uzama % kesit Sertlik Darbe muka- Sınıflama Ağırlık Gerilmesi Muka- (25.4 mm darolmetl ması MPa MPa uzunluk 633 AM C; 0.80 Mn;.Cözeltiye P; 0,010 S; alma C Si; 16.5 Cr; tıcıvlomosı 4.3 Ni; Cift (2.75 Mo: 0.10 N) 'yaşlandırmo C '. s Soğuk haddeleme +' Tem perlema 634 AM C; 0.95 Mn; Cözeltiye 0,20 P; 0.D10 S; alma Sı; 1.55 Cr; tovlaması 4.3 Ni (2. 7 Mo; 0.10 N) Clft yaşıa.ndı ma

9 Bileşim %' için) Ağırlık Akma Çekme % uzama % kesit SerUik Darbe muka- Sınıflama Gerilmesi Muka- (25.4 mm daroıme!i ması MPa MPa uzunluk P 0,12 C, 0,75 Mn; 1232 C'de (0,25 P); 1/2 saat çıo ,030 S; 0,60 Si; çözel'liye 17 Cr; 10 Ni alma 705 C'de 12 saat ve C C'da,. { ;. 24 saat CuMo 0,12 C; 0,75 Mn; 1232 C'de 1/2 0,02 P; 0,01 S; saat çözelliye 0,50 Si; 16 Cr; alma ve 732 C' C" Ni (3 Cu; 2,5 de 5 sa'a'l Mo; 0,5 Cb; 0,25 Ti) OSTENiTiK 705 C'de 24 saat

10 ıb) Ferritik Paslanmaz Çenkler: % ıkrom ihtivo ederler. Şekillendirilme ve toklu'k özelli' lerinin,düşük olmasına mukabil, korozyon mukavemetleri yüksektir. Son yıllarda geliştirilen ELI (Extra low Interstitial) feriti,k poslanmaz çeliklerin cerrohide kullanılmaları ümitli görünmektedir. Feritik poslanmaz çeliklerde,karbon miktari 1% 0,2 Max. dır. Cu rie sıcaklığının altında manyetik özelliğe sahiptirler. Ostenitik pasıan maz çeliklere nazaran uouzduırlar. Yükse'k ritik paslanmaz çenklerin cerrahi uygulamada avantajları yüksek ak ma mukavemetleri, klor atmosferinde gerilmeli korozyona mukave me'tinden ileri gelmektedir. Bazı ELI ferritik paslanmaz çeliklerin bileşimi tablo 5'de veril miştir (4). C) Ostenitik Paslanmaz Celikler : ıkrom miktarı ıyüksektir. En iyi poslanmazlık özeliği, diğer pas lanmaz çeli,klere nazaran!bu çeli,klerde maz çeliklerin süreı leri düşüktür. Cerrahi tedavide tavsiye edilen alaşım, % 18 Cr, % 20 Cr. % Ni ihtiva eden, Mo'li ostenitik paslanmaz çeli' siye edilen tipler: AISI 316 tipi veya 316 L tipi ve 317 çeliklerdir. Kimyasal :bileşimin.uygun olması ' ro yapısı do özellikler üzerinde mühim rol oynar, Optik mikroskop ta,klasik tane no'su 6 veya 7 olmalıdır. Tane boytunun büyümesi mekanik özelli,keri düşürür, Oerrahi totbi'katta kullanılacak paslanmaz çeli ğin yüzeyleri de çok büyük ehemmiyet arz eder. Yüzey hazırlama işlemleri ASTM F standardında belirtilmiştir (5), OsteniHk paslanmaz çelikler içerisinde önceleri B AISI 316 pas lanmaz çeliği,kullanılmnkta idi. içerisinde karbon mi'ktarının ni,k özelikler üzerindeki negatif etkisi 316 paslanmaz çeliğin kulla nımının terk edilmesine :yol açmıştır. 316 paslanmaz çeliği yerine AISI 316 L poslanmaz çeliğinin kullanılmasına başlanmıştır. Daha yüksek Mo'li 317 paslanmaz çeliği de daha geniş kllllanı ' m olanı bul muştur. 112

11 Tabla 5 - Bazı ELI ferrili'k Paslanmaz Celiklerin Bileşimi (4) Tipj C P S Mn Si Cr Mo Ti O N Ni Cu , D18 0,004 0,008 0,33 25,90 1,20 0,020 0,0055 Celik % Ağırlık ,0385 0,014 0,015 0,45 0,59 20,06 2,95 0,76 0,0064 0, ,06 0,04 0,02 0,75 0,75 26,00 0, ,4 0,50 0,20

12 implant malzemesi olamk kullanılan paslanmaz çehkler,için kimyasal bileşim tel, çubuk, plaka ve şerit halinde imal usulleri ve mekanik özellikler ASTM F ve 56-71'de verilmiştir. Bu çenkler, elektrik ark veya endü siyon fırınlarınde üretilerek, dövme, dökme veya haddeleme ile şekillendirilirler. Cenklerin imali vaküm altında da yapılabilir. Coğu zaman va, ümde tercih etmek lazımdır. Soğuk defonmasyonla şe'killendirme torsiyonaı ve iç gerilmelere sbep olacağı için ;kaçınılmalıdır. iç gerilmeler tavlama ile giderilebilse de istenmeyen tane büyümesine yol açcıbilir. Paslanmaz çelikten mamül, cerrahi implantların ASTM ve iso standartlarına göre bileşimi tablo 6'da verıimiştir (1, 6). Cerrahi tatbikatı çok fazla olan 316, 316 L, 317 ostenitik paslanmaz,çeliklere ait ç'ekme deneyi sonuçları tablo 7'de verilmiştir (3). Tablo 7 - AISI 316, 316 L ve 317'nin çekme deneyi sonuçları (3). Tip işlem Max. Ce,kme % 0,2 akma % Uzama Mukevemeti Mukavemati MPa MPa 316 Döküm L C lşıl işlemeli 317 Döküm Tablo 7, çekme deney', sonuçlarını vermektedir. Halbuki, çoğunlukla implant malzemeleri değiş,ken malzemelerin üstün yorulma mukav'emetine sahip olmalıdır. Aksi halde 'kısa süreli kullanım sonunda malzemenin 'kırılması be klenir. de mevcut dökümanlarda, tavsiye edilebilecek, bileşimleri uygun üretim tekniklerini bulmak mümkündür. Ortopedi'k oerrahide 'kullanılacak paslanmaz çeliık laboratuvarıarında istatisti'ki rinde deneyler yapıldıktan sonra hastalara uy'gulanmalıdır. 3 - PASLANMAZ CEliKLERiN IŞIL işlemi : lşıl işlem malzemelerin ıkimyasal bileşimini değiştirmeden sıoaklığın etkisiyle fizi ksel özellikleri iyileştirmek. gayesi ile 'yapılan işlem veya işleml er gumbudur. Esas hedef malzemenin mekanik özelliklerini 'iyileştirmek, korozyon mu'kavemetjni 114

13 Tablo 6 - ıso standartlarına göre Ostenitik poslanmaz çeliklerin ıbileşimi (1). Element A Tipi B Tipi C Si Mn Ni Cr Mn S P Cu Fe 0.08 Max. 0,03 Max. 1,00 Max. 1,00 Max. 02,0 Max. 2,00 Max ,5 2-3,5. 0,015 Max. 0,015 Max. 0,025 Max. 0,025 Max. 0,50 0,50 Geriye Kalan Geriye Kalan Tablo 6 - Tablo 5'de verilen paslanmaz celiok çubukların ıme anik özelli,kieri lşıl şlam lioviı Soğuk işlenmiş» J Tip Cop veya Max. Ç",kme.% 0.2 Kalınlık Mukavemeti Akma Uzamo mukavemeti A (mm) B Bütün (MPA) (MPa) A Kalınlıklar B» A 12.7 mm'ye,kadar B 12,1 mm'ye kadar A 12.7 mm'den fazla B». - A 19.1 mm'ye kadar B mm arası A 25, mm arası B B B J mm arası A B m,m loırası ' '

14 Ferritik Paslanmaz Cenklerin lşıl işlemi Ferriti'k çelikler su verme ile sertleştirilmez. Ferritik çeliklere, uygulanan yegône ışıl işlem tavlamadır. Kalıntı gerilmeleri gidermek. homoien bir yapı elde etmek gaıyesi ile yapılır. Yalnız tavlama sıcaklık ve süresini çok iyi tayin eıtmeık gereı Mesele, fenitik paslanmaz çehkler yaklaşık 400'-525 arasında uzun süre!kaldıkları veya bu,sıcaklıklar arasından yavaş soğutulmaları halinde. malzeme büyük ölçüde gevrekleşir. Bu sebeple bu slcaklı'k böl'gesi dışında tavlama 'işlemi yapılır, bununla beraber tane büyümesine karşı da tedbirler alınmalıdır. MartensiHk Paslanmaz Cenklerin Işı i işlemi : MartensiUk paslanmaz çeliklerfn ışıl işlemi 'karbon çeliıkierinin ve düşük alaşımlı çeli'klerin zemeye su verilmesi ile yapılan IŞI i işlem suretiyle çelik sertleştirilir. Ostenitleme sıca' etkilidir. Ostenitik Paslanmaz Celiıklerin lşıl işlemi : lşıl işlem fırınlarına şarj edilecek osteniük paslanmaz çenklerin diğer çeliklere nazaran çok fazla genleşabildiği gözden kaçırılmamalı, distorsiyon ve deformasyonlara mani ' birler alınmalıdır. Bazı ostenitik paslanmaz çeliklerin yaklaşıık tavlama sıcaklıık Iarı Tablo 8'de v,erilmiştir (7) , L 316 L. 317 L TabloS - Bazı ostenitik paslanmaz çelikle,r için tavsiye edilen tavlama sıcaklıkları (7). Celik Tipi Sıoaklık, oc '1, 302, 30'2 B , 309 S S C H6

15 Tavlama süre,sinde, karbür meydana 9'etirioi 'sıca'klı'klardan ha'k'kak uzak 'kalınmalıdır. Karbürleri ıkatı çözelti içersine alacak, minumum tavlama sıcaklık ve süresi çok dikkatli ta'yin zer şekilde,karbürlerin tese külüne imkôn vermeyecek soğ,uıtma zı sçilmelidir. Fırın atmos,teri karbürleyici veya oksitlyici olmamalıdır. REFERANSLAR 1 - BARR. RL.: «Stainless Steel 77» Climax Molybdenum Company, London, Sept. 197/", 2 - "".",.""_"""",,0,,,. ",."".ASTM Standards, F Surlaee Requirements ol Metallie Surgieal implant, ASTM Standards, F Stainless Steel Sheet and Strip for Surgieal Imp lan ts, ""."'.",,,,,,,,,,,.,,'.".""Metals Handbook, vol 2, ASM Metals Pack, Ohio BiNDAL, C,: Ortopedi'k Cerrohide Kullanılan Ostenitik Paslanmaz Celiklerin Işık Işlemi ve Mekanik Özellikleri, LT,Ü, Kimya - Metalurii Fa,kültesi, lurii Mühendisliği Bölümü Diplama Calışması, Kasım BRiCK, RM., PENSE, A. W., GORDON, RB.: Strueture and Properties ol En" gineering Meterials, I,nternalianal Student Edition, RARR, G, J" HANSON, A,: American Soeiety For Metaıs, Metals Pack Ohio