צינור טיטניום רפואי Gr23: Ti-6Al-4V ELI כימיה ומאפייני ASTM F136
Mar 20, 2024
מה זה בעצם Gr23
Gr23 הוא צורת הביניים הנוספת-נמוכה-(ELI) של סגסוגת Ti-6Al-4V, הרשומה כ-UNS R56407. מבחינה כימית הוא שייך לאותה מערכת אלפא-ביתא כמו דרגה 5, אך מגבלות החמצן, החנקן, הברזל והמימן שלו מתהדקות. התוצאה היא חומר בעל גמישות רבה יותר, קשיחות שבר גבוהה יותר וצמיחת סדק עייפות איטית יותר, המתקבל בהקרבה קטנה בחוזק מתיחה: 860 MPa מינימום במקום 895 MPa.
עבור צינור רפואי שיכופף, יעוות, יחורר או מושחל במהלך הרכבת המכשיר ולאחר מכן יעבור מחזור מיליוני פעמים בגוף, המסחר הזה הוא כל העניין. אלמנטים ביניים נוספים מעלים את החוזק אך גם מעלים את המעבר השברירי-ל-שביר ומפחיתים את הקשיחות בדיוק במקום שבו נמצא ריכוז מתח.
דרישות כימיה ומכניות
הטבלה מסכמת את המגבלות שצוינו עבור Ti-6Al-4V ELI מחושלת ל-ASTM F136, שהוא המפרט שרוב תוכניות ההשתלה מפעילות, עם ISO 5832-3 מיושר עבור Ti-6Al-4V מחושלת.
| אֵלֵמֶנט | מגבלת Gr23 (ASTM F136) | מגבלה טיפוסית לדרגה 5 (ASTM B348) |
|---|---|---|
| אֲלוּמִינְיוּם | 5.50-6.50% | 5.50-6.75% |
| ונדיום | 3.50-4.50% | 3.50-4.50% |
| ברזל, מקסימום | 0.25% | 0.30% |
| חמצן, מקסימום | 0.13% | 0.20% |
| חנקן, מקסימום | 0.03% | 0.05% |
| פחמן, מקסימום | 0.08% | 0.08% |
| מימן, מקסימום | 0.012% | 0.015% |
| טִיטָן | לְאַזֵן | לְאַזֵן |
במצב חישול, ASTM F136 דורש חוזק מתיחה מינימלי של 860 MPa, חוזק תפוקה מינימלי של 795 MPa, מינימום התארכות של 10% והפחתת שטח מינימלית של 25%. הצפיפות היא בערך 4.43 גרם/ס"מ3ומודול אלסטי של כ-110 עד 114 GPa, קרוב לזה של עצם קליפת המוח בהשוואה ל-200 עד 230 GPa של סגסוגות שתלי נירוסטה, וזו אחת הסיבות לכך שהתקני טיטניום מפחיתים את מיגון המתח בממשק העצם.
טפסי צינורות רפואיים ומסלול ייצור
שני מסלולי ייצור שולטים. צינור ללא תפרים מיוצר על ידי חישול או קידוח-באקדח, ולאחר מכן הקטנתו על ידי שיוף קר וציור עם חישול ואקום ביניים, ולאחר מכן יישור וחיתוך לאורך. צינור מרותך נוצר מרצועה, המחוברת על ידי קשת טונגסטן בגז או ריתוך לייזר עם מיגון אינרטי מלא, לאחר מכן חרוז הריתוך עובר עבודה קרה והצינור מחושל כך שאזור הריתוך יגיע לתכונות המתכת-הורה.
מפרטי הרכישה הנפוצים עבור צינורות כאלה כוללים ASTM B338 עבור צינור טיטניום מרותך וחסר תפר בתעשייה הכללית, ASTM F136 עבור Ti-6Al-4V ELI מחושלת, ISO 5832-3 עבור הסגסוגת המחושלת ביישומים כירורגיים, ASTM F67 עבור טיטניום/אימפלנטיום טהור מסחרי עבור 138 GB ו-GB10 עבור אימפלנטיום טהור עבור wrought. שתל כירורגי טיטניום. נוהלי הכנת השטח והסימון פועלים לפי ASTM F86. הזמנת רכש של צינור בודד עשויה אפוא לצטט שניים או שלושה מהמסמכים הללו, שכל אחד מהם קובע היבט אחר.
דרישות מידות ושטח
טווח מידות.צינורות קנולה וצנתר נעים בדרך כלל מקוטר חיצוני של 3 מ"מ ל-25 מ"מ, עם קירות בין 0.2 מ"מ ל-1.5 מ"מ.
סוֹבלָנוּת.סובלנות קוטר חיצוני בסדר גודל של ±0.05 מ"מ וסובלנות דופן של כ-±10% נפוצות עבור צינור רפואי, כאשר הריכוזיות נשלטת בנפרד מכיוון שהיא שולטת בהתנהגות הכיפוף.
גימור משעמם.משטחים פנימיים המנחים חוט, אופטיקה או נתיב נוזל מצוינים בדרך כלל ב-Ra 0.4 מיקרומטר או טוב יותר, ומיוצרים על ידי שרטוט או על ידי גימור זרימה שוחקת ולא על ידי עיבוד שבבי.
נִקָיוֹן.ללא זיהום ברזל, ללא חומרי ליטוש מוטבעים וללא שאריות חומר סיכה למשיכה. הליכי הפסיבציה והשטיפה מוגדרים אצל הספק ומאומתים לפני השחרור.
מבנה מיקרו.בדרך כלל נדרש מבנה אלפא-שווה ציר עם גרגירים עדינים ואחידים, מכיוון שמבנים עגולים או בעלי פסים כבדים מתנהגים בצורה לא עקבית בעייפות וביצירה שלאחר מכן.
מדוע ELI כימיה חשובה למעצב המכשירים
חמצן הוא מחזק ביניים חזק בטיטניום. כל 0.01% נוסף של חמצן מוסיף חוזק ניכר, שהוא שימושי בסרגל מעובד אך מזיק בצינור שיש להרחיב אותו, לסחוט אותו עד קצהו או לכופף לעיקול אנטומי מבלי להיסדק. הגבלת החמצן ל-0.13% שומרת על רזרבה של משיכות שפעולות אלו צורכות.
עייפות היא הנהג השני. צינורות שתלים עבור עמוד השדרה, טראומה ומכשירי לב מוסמכים על ידי בדיקות עייפות שעשויות להגיע לעשרה מיליון מחזורים או יותר. חיי העייפות בטיטניום נשלטים על ידי מצב פני השטח ועל ידי ההתנגדות של המיקרו-מבנה להתחלת סדקים וצמיחה מוקדמת. כימיה של ELI משפרת את שניהם, מכיוון שתוכן ביניים נמוך מעלה את הסף שבו סדק קטן מתחיל להתפשט, ומשטח נקי ופגם-מסיר את אתרי הגרעין שאחרת היו שולטים בחיים.
בקרות בדיקה ושחרור
חבילת שחרור טיפוסית משלבת ראיות הרסניות ולא-הרסניות. בדיקות מתיחה עוקבות אחר ASTM E8/E8M, קשיות עוקבת אחר ASTM E18, וכימיה בין תשתיות נמדדת על ידי היתוך גז אינרטי עבור חמצן ומימן, נתמך על ידי ספקטרומטריית פליטה עבור יסודות מתכתיים. בדיקה לא הרסנית מתבצעת בדרך כלל על ידי בדיקת זרם מערבולת של מוצר צינורי ועל ידי בדיקה קולית של חומר הקלט או הצינור המוגמר, ובדיקת מימדים נעשית על בסיס דגימה שהוסכם עם יצרן המכשיר.
התנהגות קורוזיה מוערכת בשיטות אלקטרוכימיות כאשר היישום דורש זאת, תוך שימוש בקיטוב פוטנציודינמי מחזורי כדי לבסס פוטנציאל התמוטטות ובדיקת חריצים או בור כאשר התכנון יוצר גיאומטריה חסומה. פוטנציאל פירוק גבוה הרבה מעל הטווח הפיזיולוגי הוא העדות לכך שהסרט הפסיבי ישרוד בשירות.
שאלות נפוצות
ש: האם Gr23 זהה לדרגה רפואית כיתה 5?
מס' Gr23 הוא גרסת ה-ELI עם מגבלות הדוקות על חמצן, חנקן, ברזל ומימן. "ציון רפואי" אינו ייעוד מוגדר; הדרך הנכונה לציין את החומר היא לפי דרגה בתוספת התקן השולט, למשל Gr23 ל-ASTM F136.
ש: האם ניתן לרתך צינור Gr23 מבלי לאבד את התכונות שלו?
כן, בתנאי שהמפרק מרותך עם מיגון גז אינרטי מלא, אזור הריתוך עובר עבודה קרה כדי לחדד את המבנה היצוק במידת הצורך, והמכלול מחושל כך שהאזור המושפע-החום לא ישמור על מבנה ללא מזג. ריתוך באוויר מייצר איסוף חמצן וחנקן-שמביס את המטרה של ציון כימיה של ELI.
ש: מדוע המימן מוגבל בצורה כה הדוקה?
מימן מקדם יצירת הידריד ושבירות בטיטניום. המגבלה של 0.012% עבור Gr23 שומרת על משקעי הידריד הרבה מתחת לרמה שתדרדר את הקשיחות, והיא גם מגנה על פעולות במורד הזרם כגון כבישה בחומצה, שיכולה להכניס מימן אם היא לא נשלטת כראוי.
ש: האם Gr23 צריך טיפול משטח מיוחד לפני ההשתלה?
לא ציפוי. החומר מסתמך על התחמוצת הפסיבית המקורית שלו, והפרקטיקה המקובלת היא גימור מכני, ניקוי ופסיביציה קפדנית, ולאחר מכן אריזה השומרת על הניקיון. יש להצדיק כל טיפול משטח שאינו מפריע לפסיבציה.
ש: מה היתרון של חלקה על פני צינור רפואי מרותך?
לצינור ללא תפרים אין תפר ריתוך ולכן הוא ברירת המחדל עבור עיצובי-עייפות מחזור וקירות דקים-. צינור מרותך עשוי עם תפרים קרים-מעובדים ומחושלים כהלכה היא אפשרות חסכונית-לנתיבי נוזלים פחות קריטיים, והיא מקובלת לחלוטין כאשר המפרט ומשטר הבדיקה תומכים בכך.
ש: האם ניתן להחליף נירוסטה ב-Gr23 כדי לחסוך בעלויות?
זה יכול להיות למכשירים-לטווח קצר, עם עומס- נמוך, אבל לסגסוגות של שתלים אל חלד יש מודולוס גבוה בהרבה וקשיחות נמוכה יותר, והן יכולות לשחרר יוני ניקל ומוליבדן. Gr23 נשאר חומר העזר שבו השתלה-ארוכת טווח, העמסת עייפות או תאימות ל-MRI חשובים.
