Антикоррозионная защита медицинских изделий с использованием технологий плазменного напыления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Антикоррозионная защита медицинских изделий с использованием технологий плазменного напыления

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение……………………………………………………………………………………………..3

1 Явление коррозии медицинских  инструментов……………...……………………………........4

2 Технология плазменного  напыления ………………………………………………………........9

3 Покрытия, наносимые с  использованием технологии плазменного  напыления……............18

4 Оборудование для плазменного  напыления………………………………………………...…23

Выводы……………………………………………………………………………………………..29

Литература…………………………………………………………………………..……………..30

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Для увеличения службы медицинского оборудования необходимо защищать их от коррозии, для чего используют различные покрытия.

Не нуждаются в дополнительном покрытии лишь благородные металлы (золото, серебро, платина) и некоторые нержавеющие стали, поверхность которых должна быть тщательно отполирована.

Защита от коррозии может быть постоянная и временная. Для постоянной защиты применяют 3 вида покрытий: металлические, неметаллические неорганические, неметаллические покрытия красками и лаками. Металлические и неметаллические неорганические покрытия - инструменты из углеродистой стали и латуни покрывают слоем никеля или хрома, либо тем и другим одновременно, используя гальванический метод. Покрытие может быть блестящим или матовым. В последнее время широкое распространение получило матовое черное хромовое покрытие.

Детали оборудования, которые эксплуатируются во влажной среде, покрывают оловом или цинком. Причем, латунные детали покрывают оловом непосредственно, а остальные предварительно покрывают слоем никеля. Для защиты деталей медицинского оборудования применяют, как правило, трехслойное покрытие (медь + никель + хром) или двухслойное (никель + хром).

Плазменное напыление — процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи.

Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменное напыление является одним из вариантов газотермического напыления.

Дуга свободна, если её развитие в пространстве не ограничено. Сжатая дуга помещается в узких каналах и обдувается струями газов или паров. Особенно мощные плазменные потоки у сжатой дуги. Сжатые дуги являются основой дугового плазмотрона - устройства для получения «низкотемпературной» плазмы. Физические исследования по созданию плазмотронов начались в начале ХХ века, а наиболее широкое исследование в конце 50-х, начале 60-х годов. В 1922 году Жердьен и Лотц получили сжатую дугу, стабилизированную водяным вихрем. В 1951 году в дуговом разряде, стабилизированном водяным вихрем, Бурхорну, Меккеру и Петерсу удалось получить температуру 50000°С, а в 1954 году на установке для получения сжатой дуги при высоком давлении паров воды Петерс получил сверхзвуковую скорость истечения плазменной струи - 6500м/с при температуре 8000К (1,6 М).

В середине пятидесятых фирма Джианини публикует работы по устройству газового плазмотрона с кольцевым анодом.

В конце 50-х были созданы первые дуговые плазмотроны, а в начале 60-х годов – плазменные распылители. Из-за своей универсальности (температура плазменной струи обеспечивала плавление любых материалов) плазменные распылители заняли значительное место в ГТН, потеснив газопламенные методы.

Плазменная обработка позволила упрочнять поверхность конструкционных материалов. Плазменное напыление - создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами. Особенно широко плазменное напыление используется для нанесения порошков оксидов различных металлов.

 

1 ЯВЛЕНИЕ КОРРОЗИИ  МЕДИЦИНСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ

 

На практике с течением времени на различных медицинских инструментах, начиная с их поверхности, наступают изменения, вызываемые химическим и/или физическим воздействием. Причиной этих изменений поверхности, если только они не возникли непосредственно в ходе применения, в большинстве случаев является технология обработки инструмента.

Рисунок 1 – Режущие медицинские инструменты

 

При возникновении поверхностных изменений для их устранения и предотвращения при необходимости требуется систематизированный подход, т.е. надо:

- выяснить их  характер, происхождение и причину; 
- оценить опасность; 
- выполнить рекомендации изготовителя по устранению дефекта (если имеются); 
- предусмотреть меры по предотвращению дефекта в ходе обработки.

Рассмотрим два вида коррозии, возникающих при эксплуатации медицинских инструментов.

 

 

1.1 Питтинговая коррозия

 Мелкие коррозионные отверстия в нержавеющей стали, часто микроскопических размеров, окружённые красно-коричневыми или разноцветными продуктами коррозии, часто кругообразные отложения коррозионных продуктов вокруг отверстий. (Не путать с присущими материалу раковинами и инородными включениями в материале низкого качества или с контактной коррозией при комбинации нержавеющей стали с нержавеющей сталью).

Рисунок 2 – Питтинговая коррозия

 

Причины питтинговой коррозии:

- на нержавеющей стали питтинговая коррозия вызывается ионами гало-генитов (бромидов, йодидов), особенно хлоридов, проникающих в некоторых местах сквозь пассивный слой инструментальной стали; 
               - органические остатки, долгое время остающиеся на поверхности материала, например, кровь, гной, секрет; 
               - повышенная концентрация или высыхание хлоридсодержащих жидкостей, например, слишком высокая концентрация хлоридов в последней промывной воде, остатки раствора физиологической соли на инструментах; 
               - особенно новые, только что с завода, инструменты ввиду их ещё тонкого пассивного слоя более восприимчивы к хлоридсодержащим средам, чем более старые инструменты с соответственно более мощным пассивным слоем.

Коррозионные продукты могут удаляться с помощью кислых чистящих средств согласно указаниям изготовителя. Оставшиеся коррозионные отверстия могут зачищаться механически у изготовителя или в ремонтной мастерской.

Вызываемая хлоридами питтинговая коррозия может в значительной степени предотвращаться путём использования воды с низким содержанием хлоридов, уменьшения количества органических остатков или предотвращения воздействия на инструменты иных хлоридсодержащих жидкостей, например, физиологического раствора поваренной соли.

Сильно повреждённые питтинговой коррозией инструменты ввиду их опасности для пациента и пользователя должны немедленно изыматься из обращения. Вызывающие питтинговую коррозию причины должны устраняться во избежание повреждения также и других инструментов. Коррозионное разъедание может представлять собой гигиенический риск и быть причиной последующего коррозионного растрескивания вследствие внутренних напряжений. 

1.2 Коррозия за счет износа/трения

На участке трения возникает коричневое окрашивание или ржавчина.

Недостаточная смазка и/или чужеродные тела ведут к коррозионному разрушению трущихся металлических поверхностей / частей инструмента; чаще всего это имеет место на сочленениях / шарнирах и дорожках скольжения. При этом образуется тонкая металлическая пыль, которая может сильно увеличить шероховатость поверхности и разрушить пассивный слой.

На таких оголённых местах легко осаждается влага и образуется налёт (например, остатков крови), что в конечном итоге приводит к коррозии.

Повреждённые инструменты следует отбраковать и отправить в ремонт.  Коррозионное повреждение в большинстве случаев можно устранить путём дошлифовки и/или полировки. Многократная обработка ведёт к неточной работе инструмента и, в конечном итоге, его непригодности. Охладить инструменты до комнатной температуры.

Уход за инструментами - целенаправленное нанесение смазочных средств на поверхность скольжения инструментов перед проверкой работоспособности. Смазочные средства следует наносить вручную непосредственно в область шарниров (каплями или с помощью спрея). Несколько раз открыть и закрыть инструмент для равномерного распределения смазки в области шарнира.    

Требования к смазочным средствам для ухода за инструментами:

- основа смазочного  средства: жидкий парафин (парафиновое  масло), белое масло;

- средство должно  соответствовать действующим требования  фармакопеи;

- на границе  между материалом и масляной  пленкой оно должно пропускать  пар/стерилизоваться паром;

- следует обязательно избегать «склеивания шарниров» в результате кумулятивного эффекта или осмоления;

- не применять  для изделий из резины и  латекса масла/консистентную смазку, т.к. это может вызвать набухание;

- коррозионная  эрозия снижает работоспособность  инструмента или делает его  полностью неработоспособным. Коррозионная эрозия может способствовать питтинговой коррозии.

 

2 ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОГО  НАПЫЛЕНИЯ

 

Плазменное напыление основано на использовании энергии плазменной струи как для нагрева, так и для переноса частиц металла. Плазменную струю получают путем продувания плазмообразующего газа сквозь электрическую дугу и обжатия стенками медного водоохлаждаемого сопла. Плазменные покрытия обладают такими свойствами: жаростойкостью, жаро- и эрозионной прочностью, тепло- и электроизоляцией, противосхватываемостью, коррозионной стойкостью, защитой от кавитации, полупроводниковыми, магнитными и др [1].

Области применения плазменных покрытий: ракетная, авиационная и космическая техника, машиностроение, энергетика (в том числе атомная), металлургия, химия, нефтяная и угольная промышленность, транспорт, медицина, электроника, радио- и приборостроение, материаловедение, строительство, ремонт машин и восстановление деталей.

Плазменную струю получают в плазменной горелке, основные части которой (рисунок 3) - электрод-катод, водоохлаждаемое медное сопло-анод 4, стальной корпус 2, устройства для подвода воды 3, порошка 5 и газа 6. Части корпуса, взаимодействующие с катодом или анодом, изолированы друг от друга. Порошкообразный материал подают питателем с помощью транспортирующего газа. Возможен ввод порошка с плазмообразующим газом [2].  

Рисунок 3 – Плазменная горелка для напыления порошкового материала

 

Напыляемый материал (порошок, проволока, шнур или их комбинация) вводят в сопло плазменной горелки ниже анодного пятна, в столб плазменной дуги или плазменную струю.Высокие температура и скорость струи делают возможным напыление покрытий из любых материалов, не диссоциирующих при нагреве, без ограничений на температуру плавления.

Необходимые физико-механические свойства покрытий объясняются высокими температурой плазмы и скоростью ее истечения, применением инертных плазмообразующих газов, возможностью регулирования аэродинамических условий формирования металлоплазменной струи. В материале детали не происходит структурных преобразований, возможно нанесение тугоплавких материалов и многослойных покрытий из различных материалов в сочетании плотных и твердых нижних слоев с пористыми и мягкими верхними (для улучшения прирабатываемости покрытий), износостойкость покрытий высокая, достижима полная автоматизация процесса [2].

При легировании через проволоку наплавку ведут высокоуглеродистой или легированной проволокой под плавленым флюсом. При этом обеспечиваются высокая точность легирования и стабильность химического состава наплавленного металла по глубине покрытия. 
Легирование наплавленного металла через флюс выполняют наплавкой малоуглеродистой проволокой под слоем керамического флюса. Высокая твердость покрытий исключает их последующую термическую обработку. Однако этот способ легирования не нашел широкого применения из-за большой неравномерности наплавленного металла по химическому составу и необходимости строго выдерживать режим наплавки.

Комбинированный способ легирования одновременно через проволоку и флюс получил наибольшее распространение.

В качестве источников питания применяют выпрямители ВС-300, ВДУ-504, ВС-600, ВДГ-301 и преобразователи ПСГ-500 с пологопадаю-щей или жесткой внешней характеристикой. В роли вращателей деталей используют специальные установки (УД-133, УД-140, УД-143, УД-144, УД-209, УД-233, УД-299, УД-302, УД-651, ОКС-11200, ОКС-11236, ОКС-11238, ОКС-14408, ОКС-27432, 011-1-00 РД) либо списанные токарные или фрезерные станки. Для подачи проволоки применяют головки А-580М, ОКС-1252М, А-765, А-1197.

Наплавка под слоем флюса имеет следующие разновидности.

Наплавка лежачим электродом (прутковым или пластинчатым) из низкоуглеродистой или легированной стали применяется для восстановления плоскостей. Часть флюса насыпают на восстанавливаемую поверхность (толщиной 3...5 мм), а часть - на электрод (толщина слоя флюса достигает 10... 15 мм). Применяют флюсы-смеси. В одном месте электрод замыкают с деталью для возбуждения дуги, которая при горении блуждает в поперечном направлении. Плотность тока составляет 6...9 А/мм напряжение 35...45 В. Для выполнения процесса применяется установка ОКС-11240 ГосНИТИ.

Плазменным напылением получают покрытия из никелевых и железных сплавов, карбидов, нитридов, боридов. Чрезвычайно высокая температура плазмы позволяет напылять данным способом огнеупорные керамики, содержащие оксиды алюминия и циркония, и другие тугоплавкие материалы, не поддающиеся распылению другими способами [3].

К достоинствам плазменного распыления относятся также гибкость, возможность регулирования физико-механических свойств получаемого покрытия и универсальность, позволяющая напылять практически любые материалы и их сочетания, в том числе и получать многослойные композиционные покрытия.

В настоящее время интенсивно исследуются и разрабатываются новые методы плазменного напыления. В особо ответственных случаях для достижения высокой адгезии и плотности покрытий, плазменный процесс проводят в вакуумной камере при пониженном давлении или в атмосфере инертного газа. Уменьшение давления приводит к увеличению скорости частиц, что позволяет получать более плотные покрытия. Проведение процесса в атмосфере инертного газа исключает взаимодействие распыляемого материала с кислородом, что дает возможность напылять химически активные материалы, например, дисилицид молибдена, интерметаллиды. Такие покрытия могут обладать высокой твердостью и химической стойкостью при повышенных температурах.

Еще одной перспективной модификацией плазменного метода является процесс, при котором струя напыляемого материала окружается струей инертного газа с целью исключения взаимодействия напыляемых частиц с кислородом. Преимущества данного метода те же, что и при проведении процесса в инертной атмосфере.