Anyagismeret a gyakorlatban (BMEGEPTAGA0) Implantátum alapanyagaként alkalmazott fémek keménységmérése



Hasonló dokumentumok
Hegeszthetőség és hegesztett kötések vizsgálata

Az alumínium és ötvözetei valamint hegeszthetőségük. Komócsin Mihály

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2016/17. Szilárdságnövelés. Dr. Mészáros István Az előadás során megismerjük

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 8. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

A vizsgált anyag ellenállása az adott geometriájú szúrószerszám behatolásával szemben, Mérnöki alapismeretek és biztonságtechnika

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

SiAlON. , TiC, TiN, B 4 O 3

Szilárdságnövelés. Az előadás során megismerjük. Szilárdságnövelési eljárások

Csikós Gábor Alumínium ötvözetek fogyóelektródás ívhegesztése, autóipari alkalmazás

Korszerű duplex acélok hegesztéstechnológiája és alkalmazási lehetőségei; a BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék legújabb kutatási eredményei

Alumínium ötvözetek nagyteljesítményű speciális TIG hegesztése

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Fémek technológiája

Korszerű alumínium ötvözetek és hegesztésük

ANYAGISMERET I. ACÉLOK

Anyagismeret a gyakorlatban (BMEGEPTAGA0) KEMÉNYSÉGMÉRÉS

ACÉLOK MÉRNÖKI ANYAGOK

Anyagvizsgálatok. Mechanikai vizsgálatok

Szilárdság (folyáshatár) növelési eljárások

2.) Ismertesse a fémek fizikai tulajdonságait (hővezetés, hőtágulás stb.)!

5.) Ismertesse az AWI hegesztő áramforrások felépítését, működését és jellemzőit, különös tekintettel az inverteres ívhegesztő egyenirányítókra!

2. Tantermi Gyakorlat A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata Nyomóvizsgálat, hajlítóvizsgálat, keménységmérés

Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk

Anyagszerkezet és vizsgálat

Anyagismeret tételek

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Fémek, ötvözetek

American Society of Materials. Szilárdtestek. Fullerének (C atomok, sokszögek) zárt gömb, tojás cső (egy és többrétegű)

Anyagismeret I. Nyomó, hajlító vizsgálat Keménységmérés. Összeállította: Csizmazia Ferencné dr.

Szilárdságnövelés. Az előkészítő témakörei

Fogyóelektródás védőgázas ívhegesztés

Duplex acélok hegesztett kötéseinek szövetszerkezeti vizsgálata

Mechanikai tulajdonságok és vizsgálatuk 1-2

Acélok nem egyensúlyi átalakulásai

Reális kristályok, rácshibák. Anyagtudomány gyakorlat 2006/2007 I.félév Gépész BSC

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2012/13-es tanév I. félév

ACÉLOK HEGESZTHETŐSÉGE

Acélok és öntöttvasak definíciója

HEGESZTÉSI SZAKISMERET

LÉZERES HEGESZTÉS AZ IPARBAN

Bevontelektródás ívhegesztés

Baris A. - Varga G. - Ratter K. - Radi Zs. K.

BME ANYAGTUDOMÁNY ÉS. Mechanikai anyagvizsgálat. Szakítóvizsgálat. A legelterjedtebb roncsolásos vizsgálat

Orvostechnikai implantátumok alapanyagaként alkalmazott acélok lézersugaras megmunkálása

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 6.

!MICHAEL KFT Csavar és kötőelem szaküzlet '1103 Budapest Gyömrői út 150 Telfon:0611/ Fax:06/1/

tervezési szempontok (igénybevétel, feszültségeloszlás,

ÁLTALÁNOS ISMERETEK. 2.) Ismertesse a fémek fizikai tulajdonságait (hővezetés, hőtágulás stb.)!

MUNKAANYAG. Ujszászi Antal. Fogyóelektródás védőgázas ívhegesztés anyagai, hegesztőhuzalok, védőgázok. A követelménymodul megnevezése:

Könnyűfém és szuperötvözetek

Kétalkotós ötvözetek. Vasalapú ötvözetek. Egyensúlyi átalakulások.

RÉSZLETEZŐ OKIRAT (2) a NAH /2016 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

41. ábra A NaCl rács elemi cellája

HEGESZTÉS BEVEZETÉS. Kötési eljárások csoportosítása. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

KURZUS: VÁLOGATOTT FEJEZETEK AZ ANYAGTUDOMÁNYBÓL. Szerző: Dr. Zsoldos Ibolya Lektor: Dr. Réger Mihály. 1. MODUL: Példák különleges fémötvözetekre

SZOCIÁLIS ÉS MUNKAÜGYI MINISZTÉRIUM. Szóbeli vizsgatevékenység

RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAH /2016 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Hőkezelő- és mechanikai anyagvizsgáló laboratórium (M39)

3. METALLOGRÁFIAI VIZSGÁLATOK

Nem vas fémek és ötvözetek

Építőanyagok I - Laborgyakorlat. Fémek

Nemzeti Akkreditáló Testület. RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAT /2014 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

TANULÁSTÁMOGATÓ KÉRDÉSEK AZ 2.KOLLOKVIUMHOZ

Példatár Anyagtechnológia Diplomamunka feladat

ÁLTALÁNOS ISMERETEK. 2.) Ismertesse a fémek fizikai tulajdonságait (hővezetés, hőtágulás stb.)!

Acélok ívhegesztésének technológiavizsgálata az ISO és az ISO szabványok tükrében

A réz és ötvözetei jelölése

Mérnöki anyagok NGB_AJ001_1

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (12/2013 (III.28) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Kötő- és rögzítőtechnológiák

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK

METALLOGRÁFIA. ANYAGMÉRNÖK BSC KÉPZÉS HŐKEZELÉSI ÉS KÉPLÉKENYALAKÍTÁSI SZAKIRÁNY SZAKIRÁNYOS TANTÁRGY (nappali/levelező munkarendben)

POLIMERTECHNIKA Laboratóriumi gyakorlat

Kerámia, üveg és fém-kerámia implantátumok

A nikkel tartalom változásának hatása ólommentes forraszötvözetben képződő intermetallikus vegyületfázisokra

Mechanikai tulajdonságok Statikus igénybevétel. Nyomó igénybevétellel szembeni ellenállásának meghatározása

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2017/18-es tanév

SZERKEZETI ACÉLOK HEGESZTÉSE

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Mérnöki anyagismeret. Szerkezeti anyagok

Az ömlesztő hegesztési eljárások típusai, jellemzése A fogyóelektródás védőgázas ívhegesztés elve, szabványos jelölése, a hegesztés alapfogalmai

SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM Anyagtudományi és Technológiai Tanszék. Ötvözők hatása, a vasötvözetek tulajdonságaira

Diffúzió 2003 március 28


Korszerű duplex korrózióálló acélok hegeszthetőségi kérdései

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

5.) Ismertesse a melegen hengerelt, hegeszthető, finomszemcsés szerkezeti acélokat az MSZ EN alapján!

Mérnöki anyagismeret. Szerkezeti anyagok

Turbinaforgórész felújítása felrakóhegesztéssel

Bevezetés s az anyagtudományba. nyba. Geretovszky Zsolt május 13. XIV. előadás. Adja meg a következő ionok elektronkonfigurációját! N e P.

ÁLTALÁNOS ISMERETEK. 3.) Ismertesse a melegen hengerelt, hegeszthető, finomszemcsés szerkezeti acélokat az MSZ EN alapján!

Alumínium ötvözetek. hőkezelése. Fábián Enikő Réka

Nagynyomású csavarással tömörített réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és termikus stabilitása

Kiss László Blog:

KÉRDÉSEK - MŰSZAKI (TECHNIKAI) ANYAGOK-TKK-2016

Összefüggő gyakorlat követelménye Műanyagfeldolgozó technikus Vegyipar (8.) szakmacsoport Vegyipar (XIV.) ágazati besorolás

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

Mérnöki anyagok NGB_AJ001_1. Szerkezeti acélok

- - Berecz Tibor - - Zsoldos Ibolya KONFERENCIA- oatk@oatk.hu. Diamond Congress Kft. diamond@diamond-congress.hu

Átírás:

Implantátum alapanyagaként alkalmazott fémek keménységmérése Elméleti áttekintés: Az orvostechnikai célra alkalmazott alapanyagok csoportjába számos kerámia, polimer, fém és kompozit tartozik. A különböző funkciókat betöltő anyagokra azonban egyaránt igaz, hogy szigorú mechanikai- és biokompotabilitási követelményeknek kell megfelelniük (Davis 2003). A fémek számos orvostechnikai cél megvalósítására alkalmasak. Kiváló mechanikai tulajdonságaik miatt gyakran a terhelésnek kitett kötő- és támasztószövetek pótlására alkalmazzák. Fémekből készítenek többek között teljes csípő- és térdprotéziseket, a csonttörések gyógyulását elősegítő csontlemezeket és csavarokat, gerinc- és fogászati implantátumokat. A támasztószövetek pótlása mellett sztentek, katéterek, vezetődrótok, fogszabályzó ívek, cochleáris implantátumok, valamint különböző sebészeti- és fogászati eszközök készítésére is alkalmazzák (Park 2003). A fent említett alkalmazásokat leggyakrabban Ti-ból és ötvözeteiből, rozsdamentes acélból, valamint kobalt alapú ötvözetekből készítik. A gyakorlat keretében orvostechnikai célra alkalmazott Ti és ötvözete keménységmérését végezzük, ezért az alábbiakban ezeket az anyagokat és tulajdonságaikat részletesen tárgyaljuk. Titán, mint alpanyag A periódusos rendszerben 22-es rendszámmal rendelkező Ti (az Al, a Cu, a Ni és a Zn mellett) a legfontosabb színesfémek közé tartozik, ugyanis széles körben alkalmazzák többek között a repülőgépiparban, vegyiparban, orvostechnikai iparban, hadi iparban, valamint sportszerek, használati tárgyak és ékszerek készítésére (Dobránszky 2004). Az orvostechnikában a kereskedelmi tisztaságú Ti-t és a különböző Ti ötvözeteket elsősorban kiváló biokompatibilitásuk, korrózióálló tulajdonságuk, osszeointegrációjuk, valamint kis sűrűségük miatt alkalmazzák (Davis 2003). 2014/15. tavasz Keménységmérés 1/7

Kristályszerkezet Sok más fémhez hasonlóan (Fe, Co, Sn, Zr) a Ti a különböző hőmérséklet- és nyomástartományokban más-más rácsszerkezettel rendelkezik (1. ábra). A tiszta Ti és az ötvözeteinek a többsége kis hőmérsékleten az α titánnak (α-ti) nevezett, szoros illeszkedésű hexagonális (SzIH) rácsban kristályosodik. Nagyobb hőmérsékleteken az ún. β titán (β-ti) térben középpontos köbös (TKK) rácsa, amíg nagy nyomáson az ω titán (ω-ti) hexagonális rácsa stabil (Trinkle 2010). 1. ábra: A tiszta Ti fázisai a hőmérséklet és nyomás függvényében (Trinkle 2010) Az α és β kristályszerkezet közötti allotróp átalakulás különösen fontos, hiszen ennek a jelenségnek köszönhetően a Ti ötvözetek mechanikai tulajdonságai (a folyáshatár akár 170 MPa-1520 MPa között) tág határokon belül változhat, ami széleskörű felhasználhatóságát teszi lehetővé. A Ti ötvözőelemei Az ötvözőelemek általános csoportosítása alapján megkülönböztetünk szubsztitúciós, illetve intersztíciós ötvözőelemeket. A rácspontokba beépülő, a Ti atomjait helyettesítő szubsztitúciós ötvözőelemek atomsugara a Ti-étól hozzávetőlegesen 15%-kal lehet kisebb vagy nagyobb, amíg a rácspontok közötti térben elhelyezkedő intersztíciós elemeké (C, O, N, H) nem lehet nagyobb, mint a Ti atomsugarának 59%-a. Fontos még megemlíteni, hogy a Ti- 2014/15. tavasz Keménységmérés 2/7

nak rendkívül nagy az affinitása a N-nel, O-nel és H-nel szemben, így annak érdekében, hogy megakadályozzák ezen elemek jelentős beoldódását az alapanyagba, a feldolgozás (például hegesztés) során inert gáz atmoszférát vagy vákuumot alkalmaznak (Trinkle 2010). Orvostechnikai célra alkalmazott Ti Jelenleg a tiszta Ti-t és az α+β típusú Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitial) ötvözetet alkalmazzák széles körben implantátum alapanyagként, ugyanis kiváló a tömegre fajlagosított szilárdságuk és a korróziós tulajdonságaik, továbbá biokompatibilitásukkal kiemelkednek a többi fém közül (Oshida 2013). Az orvostechnikai Ti ötvözetek fejlesztések egyik fontos területe a széles körben alkalmazott Ti-6Al-4V ELI-hez kapcsolódik, ugyanis a V erős sejtméreg, ezért a V ionok szervezetbe jutása egészségügyi kockázatokat jelent. Ezért olyan V-tól mentes, a Ti-6Al-4V ELI tulajdonságaihoz hasonló ötvözetet fejlesztettek ki, mint a Ti- 6Al-7Nb, Ti-5Al-3Mo-4Zr, vagy a Ti-5Al-2,5Fe (Oshida 2013). Az ultra-finomszemcsés Ti, mint lehetséges implantátum alapanyag Az ultra-finomszemcsés anyagok tulajdonságai jelentősen eltérnek a hagyományos szemcsemérettel rendelkező alapanyagokéhoz képest. Nagyobb folyáshatárral, nagyobb szilárdsággal és keménységgel rendelkeznek. Napjainkban számos módszer ismert az ultrafinom-szemcsékkel rendelkező anyagok létrehozására. Ezek közül egy lehetséges eljárás az intenzív képlékeny alakítás, amely során nyíró alakváltozás segítségével durvaszemcsés anyagból ultra-finomszemcsés állítható elő. Különösen ígéretes, hogy az IKA (Intenzív Képlékeny Alakítás) egyik módszerét, a profilhengerlést, ipari körülmények között is sikerrel alkalmazták ultra-finomszemcsés Grade 2 Ti előállítására (Krállics 2014). A Ti hegeszthetősége A tiszta Ti és a legtöbb ötvözete néhány kivételtől eltekintve hegesztéssel jól feldolgozható: az α-ötvözetek jól, az α+β ötvözetek közül az α-alapúak jól, a β-alapúak rosszul vagy egyáltalán nem, amíg a β -ötvözetek általában jól hegeszthetők. A Ti hegesztett kötései alapvetően érzéketlenek a legtöbb repedési problémára. A legnagyobb problémát a környező atmoszféra gázainak (O, H, N) elnyelődéséből adódó törékenység okozza, amit figyelembe kell venni a hegesztési technológia megválasztásánál (Baránszky-Jób 1985). 2014/15. tavasz Keménységmérés 3/7

A gázelnyelésen kívül további járulékos problémákat az intermetallikus vegyületképződési hajlam, a közbenső fázisok kialakulása, a szemcsedurvulás és a porozitás jelenthet. A Ti a legtöbb fémmel tű- vagy lapalakú intermetallikus vegyületet képez, ami a gázoldáshoz hasonlóan jelentősen csökkenti a szívósságot. Ti és ötvözeteinek hegesztéséhez a semleges védőgázas, volfrámelektródás ívhegesztés (141-es eljárás, a továbbiakban: TIG (Tungsten Inert Gas)) az általánosan alkalmazott eljárás. Alkalmaznak még ívhegesztést, plazmasugaras hegesztést, valamint elektronsugaras és lézersugaras hegesztést, az ellenállás-hegesztések különféle változatait, valamint egyéb sajtoló hegesztési eljárásokat is. A Ti TIG eljárással az egyik legjobban hegeszthető fém: a hegfürdő jól folyik, és a kis sűrűség a nagy felületi feszültséggel kombinálva a behatolás mélységének, ezzel a varrat profiljának jó kontrollálását teszi lehetővé. Korlátként általánosságban megállapítható, hogy ha az + ötvözetben a Cr-, Mn-, Fe és Mo-tartalom egyenként több, mint 3% és a V több, mint 4%, az anyag TIG-eljárással nem hegeszthető, de ha az ötvözők összes mennyisége eléri a -fázis teljes stabilizálásához szükséges értéket, az ötvözet hegeszthető (Smith et al. 1999). A gázoldás fent említett káros hatásainak kiküszöbölésére a hegesztést teljes gázvédelemben kell végezni, és azt a varrat hőmérsékletének 200 C alá hűléséig fenn kell tartani. Védőgázként tiszta Ar vagy Ar-He keverék alkalmazható. A legtöbb esetben a kereskedelmi minőségű Ar megfelelő, de a sebesség és a beolvadási mélység jelentősen növelhető Ar-He vagy tiszta He alkalmazásával (Smith et al. 1999). Keménységmérés A keménységgel jellemezhetjük az egyes alapanyagok szilárdságát, külső mechanikai behatásokkal szemben való ellenálló képességét. A keménységet általában benyomóvizsgálatokkal határozzák meg, amely során statikus vizsgálat esetén annak a lenyomatnak a nagyságát mérik, amelyet a szilárd anyagba nyomott kemény benyomófej okozott, dinamikus vizsgálat esetén a keménységet az azzal arányos visszapattanási értékkel határozzák meg. A keménységméréshez a vizsgált mintákat először kétkomponensű műgyantába ágyazzuk. A műgyantába ágyazott mintánkat (a műgyanta megszilárdulását követően) csiszoljuk, majd polírozzuk. A csiszolás kézzel,- vagy géppel végezhető, a csiszolatfelületet 2014/15. tavasz Keménységmérés 4/7

egyre finomodó szemcsenagyságú csiszolópapíron munkáljuk tovább. A korszerű csiszológépek már teljesen automatizált üzeműek is lehetnek, ahol csak a próbatestek behelyezését és kivételét kell kézzel elvégezni. A csiszolást követő polírozás célja, hogy a finom karcokat a felületről eltávolítsuk és karcmentes, sima, fényes felületet hozzunk létre. A keménységmérést Vickers-féle mikrokeménységmérő berendezésen végezzük el. A mérés során egy 136 -os gyémántgúlát (2. ábra) nyomunk meghatározott erővel az elkészített csiszolat felületébe. 2. ábra: Vickers-féle keménységmérés elvi vázlata A kiértékeléshez lemérjük a lenyomat átlóit, és a kettő átlagából a berendezés automatikusan kiszámítja a keménységet. A számítást manuálisan is elvégezhetjük az (1) képlet alapján. A keménység mértékegysége a Vickers piramisszám (HV). ahol Hv = F A F = a behatoló test által kifejtett terhelőerő A = lenyomat felülete d = átlók átlaga 1,854 F d 2 (1), A mérés leírása, elvégzendő feladatok: Orvostechnikai célra alkalmazott Ti és ötvözeteinek megismerése. Ti és ötvözeteinek hegeszthetősége. Ti Grade 2, UFSZ Ti Grade 2, Ti Grade 5 alapanyagok hegesztett kötéseinek vizsgálata keménységméréssel. 2014/15. tavasz Keménységmérés 5/7

Felhasznált irodalmak: [1] Davis, JR (szerk.) 2003, Handbook of Materials for Medical Devices, ASM International [2] Park, JB, Bronzino JD (szerk.) 2003, Biomaterials Principles and Applications, CRC Press [3] Dobránszky, J 2004, Titán: A fém, amelyet a repülés tett naggyá, Fémkohászat, 137. évfolyam, 1. szám, old. 29-36. [4] Trinkle, DR 2010, Titanium, UNIVERSITY OF ILLINOIS, elérhető: <http://dtrinkle.matse.illinois.edu/dokuwiki/doku.php?id=research:ti> (2015-01-20) [5] Oshida, Y, MS, PhD 2013, Bioscience and Bioengineering of Titanium Materials, 2 nd ed., Elsevier Academic Press [6] Krállics, G., Gubicza, J., Bezi, Z., Barkai I., n.d., Manufacturing of ultrafine-grained titanium by caliberrolling in laboratory and industry. Journal of Material Processing Technology 214 (2014) 1307-1315. [7] Baránszky-Jób: Hegesztési kézikönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985. [8] Smith, Threadgill,Gittos: Welding Titanium A designers and users handbook. TWI World Centre for Materials Joining Technology, Great Abington, 1999. 2014/15. tavasz Keménységmérés 6/7

Implantátum alapanyagaként alkalmazott fémek keménységmérése Név: Neptun kód: Dátum: _ 1. Ismertesse az orvostechnikai célra alkalmas Ti alapanyagok tulajdonságait! 2. Ismertesse az alábbi fogalmakat! - Ultra-finomszemcsés: - Ti Grade 5 ELI: 3. Milyen problémák léphetnek fel a Ti és ötvözeteinek hegesztésekor? 4. Keménységmérés eredményei: 1 Alapanyag Keménység [HV] Alapanyag Hegesztési varrat Átlag [HV] 2 3 Ti Grade 2 1 2 3 UFSZ Ti Grade 2 1 2 3 Ti Grade 5 ELI Konklúziók: Hallgató aláírása: Gyakorlatvezető aláírása: 2014/15. tavasz Anyagismeret a gyakorlatban 7/7