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马氏体不锈钢手术器械柠檬酸钝化工艺研发

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・18・ Apr.2017 Plating and Finishing Vo1.39 No.4 Serial No289 ,doi:10.3969/j.issn.1001—3849.2017.04.005 马氏体不锈钢手术器械柠檬酸钝化 工艺研发 谢 敏东 (上海医疗器械(集团) 有限公司,上海200072) 摘要:采用四因素三水平L9(3 )正交试验方法研发了适用于马氏体不锈钢手术器械的柠檬酸系 基础钝化工艺,并进一步实验选取了螯合剂的最佳配方采用压力蒸汽试验、氯化钠溶液试验测试 评估了马氏体不锈钢手术器械钝化膜的耐蚀性结果表明,优选出的钝化溶液配方和工艺为:20% ,。柠檬酸、2%氧化剂、2%螯舍剂,0为45℃钝化 为38 min。此工艺配方可满足马氏体不锈钢手术 ,器械耐腐蚀性能要求,作为优选的清洁生产工艺可替代污染严重的硝酸钝化工艺 关键词:马氏体不锈钢手术器械;柠檬酸;钝化;耐腐蚀性能;正交试验 文献标识码.A 中图分类号:TG174.46 Researching and Development of Citric Acid Passivati0n Process for Martensitic Stainless Steel Surgical Instruments XIE Mindong (Shanghai Medical Instruments(Group)C。.,LTD.,Shanghai 200072China) ,Abstract:The citric acid passivation prOCess for martensitic stain1ess steel surgical instnlments was deve1. 。p。d by“ i“g L9(3 )。rthog。nal tests inethod and the optimum formu1a of chelating agent was selected by iurther expenments・The corrosion resistance of passive film on martensitic stain1ess stee1 surgica1 in. stⅢment was evaluated using pressure steam test and sodium chloride solution test.ResuIts showed that the optlm zed±orlTlula and process were as follows:the mass fractions of citirc acid,oxidizing agent and ch。l tmg g。nt w。 20%,2%and 2%,respectively,temperature was 45℃,and passivation time was 38 airn.This Process and formula could meet the requirements of the corro,sion resistance of manensitic stain. 1ess steel surgicaJ nst13.1mentsand could be used as preferred cleaner production pr0cess t0 rep1ace the nitric acid passivation process with serious pollution. KeywOrd:啪rtensiticstainless steel surgical instruments;citric acid;passivation;c0rrosi0n sfance: orthogonal test 收稿日期:2016—12—15 修回日期:201702.08 —2017年4月 电镀与精饰 第39卷第4期(总289期) ・19・ 引 言 众所周知,不锈钢具有优良的耐腐蚀性和良好 1柠檬酸钝化的可行性 柠檬酸钝化应用于马氏体不锈钢手术器械主 的机械加工性,被广泛应用于宇航、海洋、军工、化 工、能源及医疗等领域。然而,不锈钢并非是绝对 不锈的,近年来,因不锈钢的腐蚀失效造成经济损 失、环境污染和人身伤亡的事例时有发生。马氏体 不锈钢是医疗手术器械主要用材,其具有机械性能 好、易加工及可淬火等特点,满足绝大多数手术器 械弹性、剪切等性能要求,因为临床使用时经常接 触酸性体液、需要耐受蒸汽压力或强氧化剂消毒, 所以如何提高手术器械耐腐蚀性能,从而保证结构 安全和防止失效成为医疗器械行业制造的核心。 钝化是提高不锈钢耐腐蚀性能、延长其使用寿命的 有效手段之一。 十多年前,国内以硝酸.重铬酸盐系钝化工艺替 代镀铬工艺,可批量生产材料为20Cr13、30Cr13的 无镀层手术器械,跟上了国际先进水平,是无镀层 手术器械钝化的标准工艺。然而,近年随着无镀层 器械品种规格的不断发展,不锈钢硝酸钝化工艺在 产品适用广度上受到限制,如不适用于镶片(焊有 硬质合金的器械)、表面镀金、表面镀黑铬、银焊及 激光打标等产品,而且生产中产生含铬“三废”,不 满足清洁生产的要求。主要问题有:1)限制高档手 术器械表面耐腐蚀性能提高。由于硝酸的强氧化 性,硝酸钝化工艺不适用于镶片产品、表面有装饰 性金属镀层器械、激光打标器械的钝化处理。这些 产品往往是临床高档手术器械,由于表面不能做钝 化处理,导致产品表面防腐蚀性能未得到提高,从 而使国内产品只能让位于进口产品。2)硝酸钝化 溶液酸性强,高温下挥发度高,溶液包含重金属铬 离子,对人体和周围环境危害大,环保维护成本高。 而且钝化液在生产一定周期后必须更换,造成更多 物耗与环保处理压力。 为此,有必要对钝化工艺进行革新,以适应形 式变化需要。基于此,本文对马氏体不锈钢手术器 械的柠檬酸钝化工艺进行了试验、筛选,并按 YYT0149.2006 ̄不锈钢医用器械耐腐蚀性能试验 方法》规定的压力蒸汽试验、氯化钠溶液试验评估 产品的钝化效果。 要基于以下几个方面: 1)柠檬酸作为一种有机酸,能对不锈钢表面产 生钝化作用,工艺上存在可用性; 2)柠檬酸钝化是美国ASTM组织所发布标准 A967-2001《不锈钢部件化学钝化处理的标准规范》 所推荐的工艺之一; 3)食品级柠檬酸属于食品添加剂,对人体安 全,不会污染环境,所以具有环保性、安全性,符合 清洁生产的要求; 4)欧美等国家对于手术器械的制造均已采用 柠檬酸钝化工艺。 2柠檬酸钝化工艺筛选实验 2.1实验产品 在20Cr13基体上镀金、镶片和银焊,在30Cr13 基体上镀黑铬,无镀层材料为30Cr13和20Cr13等 产品,进行对比实验,实验产品进行激光打标。 2.2实验过程 2.2.1工艺流程 不锈钢手术器械钝化工艺流程为:超声波除油 一清洗一电化学除油一清洗一活化一水洗一去离 子水一柠檬酸钝化一水洗一超声波清洗一水洗一 去离子水一封闭一干燥。 2.2.2正交试验优选基础配方 1)试验方案。为了使以20Cr13、30Cr13基材制 成的手术器械得到优越的耐腐蚀性能,先对柠檬酸 钝化基础配方进行优选。参考ASTM组织发布的 A967.2001《不锈钢部件化学钝化处理的标准规范》 有关柠檬酸钝化处理方法…,按柠檬酸、氧化剂、时 间和温度四个因素,选用四因素三水平L9(3 )正交 试验,对钝化实验后的试件进行耐蚀性测试,方法 有氯化钠浸泡测试 和压力蒸汽试验。 氯化钠浸泡测试方法 是将试件全部浸入0为 (20士5)℃的氯化钠溶液中,保持168h后,取出试 件用去离子水冲洗,干燥,检查试件表面腐蚀痕迹。 压力蒸汽试验是将试件放入托盘置于高压灭 菌器内,经134℃、0.22MN/m 和3rain后试件空冷 至室温,作为一个压力蒸汽试验周期,连续做25个 周期后,检查试件表面腐蚀痕迹。 Plating and Finishing Vo1.39 No.4 Serial No.289 测试后将试样锈蚀程度分为四级进行评定。 a级少于2处可擦拭去锈蚀痕迹,评3分; b级多于2处(含2处)可擦拭去锈蚀痕迹,评 2分; 表2 L9(3 )正交试验方案 序号 W(柠檬酸)/% (氧化剂)/% t钝化/rain l 2 1 1 1 2 3 1 cc 2 1 c级有锈蚀,不可擦拭去,评1分; d级有严重锈蚀,不可擦拭去,评0分。 正交试验因素水平、试验方案见表1、表2。 表1 L9(3 )试验因素水平表 试验因素 水平 A B C D 3 4 5 6 7 8 9 1 2 2 2 3 3 3 3 1  -2 2 3 1 1 2 3 3 1 3 2 3 2 l 2 3 1 2 3 W(柠檬酸)/% (氧化剂)/% t ̄/min 1 2 3 20 25 30 2 6 10 30 38 45 ℃ 40 45 50 2)氯化钠溶液测试结果见表3。 表3氯化钠溶液浸泡168 h锈蚀情况及评分 镀金、镶片 序号 镀黑铬 无镀层 锈蚀 无 试验评价 3 银焊 指圈 其它 指圈 其它 唇头齿 其它 1 无 无 无 无 无 无 无 2 3 无 无 无 无 有 无 无 无 无 无 无 无 无 无 有1处可擦去 无 3 3 4 5 6 无 无 无 无 无 无 无 有 无 无 无 无 无 有 有 无 无 无 有 有 无 有1处可擦去 有3处可擦去 有2处可擦去 3 2 2 7 8 9 无 无 无 无 无 有 无 无 有 无 无 无 无 有 无 无 无 无 有 有 有 有2处,其中l处可擦去,l处擦拭不能去除 有2处可擦去 有3处,擦拭不能去除 1 2 0 3)压力蒸汽测试结果见表4。 表4压力蒸汽试验结果及评分 4)测试结果数据处理见表5。 表5基础配方正交试验数据处理表 试验项目 K1 K2 序号 1 2 锈蚀 无 无 试验评价 3 3 A 9 7 B 7 7 C 6 8 D 6 7 3 4 5 6 7 8 9 无 无 无 无 无 无 无 3 3 3 3 3 3 3 氯 化 K3 kl 3 3 5 2.3 5 2 6 2 钠 试 k2 k3 2.3 1 3 1 2.3 17 .2.7 1.7 2.3 2 验 kmax 2.3 1.7 2.7 1.7 2.3 2 kmin 极差R 2 0.6 1 0.3 2017年4月 续表 电镀与精饰 第39卷第4期(总289期) ・21・ 2.2.3提高柠檬酸钝化液稳定性 C 9 9 试验项目 Kl l(2 A 9 9 B 9 9 D 9 9 根据柠檬酸钝化液的优选方案,考虑到柠檬酸 钝化液中的氧化剂在氧化过程中因pH、温度和金属 压 K3 9 9 9 9 杂质离子等都能加速其分解,选择~种螯合剂使氧 化剂在柠檬酸钝化液保持稳定 J。该螯合剂与重 金属离子形成络合物,从而降低或消除重金属离子 对氧化剂的催化分解,又能有效对不锈钢表面进行 力 蒸 汽 试 kl k2 3 3 3 3 3 3 3 3 强化防锈,促使柠檬酸钝化液使用更长期、有效。 1)螯合剂实验。在柠檬酸钝化液的基础配方 k3 3 3 3 3 验 kmax kmin 3 3 3 3 3 3 3 3 中,加入螯合剂做试验。为验证加入了螯合剂后 45 min钝化时间的钝化效果是否能有改善,制订试 验水平表。试样件采用氯化钠溶液测试(0.5 mol/L NaC1)加以验证。结果见表6、表7、表8和表9。 表6螯合剂一时间试验水平表 极差R 0 0 0 0 注:1)因为压力蒸汽试验结果都符合要求,所以主次顺 序、优选水平按氯化钠试验评价进行。2)影响主次顺序 依次为柠檬酸、钝化时间、氧化剂和温度,优选组合 为A1B1C2D2。 1 试验因素 水平 (螯合剂)/% 1 t/rain 38 5)基础配方结果。a)综合表5数据处理结果, 可知柠檬酸含量是影响钝化层耐腐蚀性能的最主 2 3 2 3 45 要因素,钝化时间其次,氧化剂含量再次,温度对耐 腐蚀性能的影响较弱。按耐腐蚀性能的优选原则, 并考虑到经济性,基础配方优选组合为A1 B1 C2D2: 20%柠檬酸,2%氧化剂,0为45℃,钝化t为 38min。b)柠檬酸钝化液对镀金、镶片、银焊、镀黑 铬和无镀层产品都能钝化。镀金层、镀黑铬层表面 号 1 2 3 4 5 6 表7试验方案 序 (柠檬酸)/ W(氧化剂)/ W(螯合剂)/ % 20 20 20 20 20 20 % 2 2 2 2 2 2 % 1 1 2 2 3 3 t/rain 0/"℃ 2 1 1 2 2 l 45 45 45 45 45 45 没有发生起壳、起泡和脱落现象。焊接部位也没有 发生变色,保持原有的金属本色。c)试验产品激光 二维码可正常读取,柠檬酸钝化液不影响试验产品 激光标识的质量。 表8氯化钠溶液浸泡168 h试样锈蚀情况 镀金、镶片 序号 镀黑铬 无镀层 锈蚀 试验评价 银焊 指圈 其它 指圈 其它 唇头齿 其它 1 2 无 无 有 无 有 无 无 无 有 无 无 无 无 无 有5处,其中3处可擦去,2处擦拭不能去除 无 0 3 3 无 无 无 无 无 无 无 无 3 4 5 6 无 无 无 无 有 无 无 无 无 无 无 无 有 无 无 无 无 无 无 无 有 有2处可擦去 有1处不可擦去 有1处不可擦去 2 1 l Plating and Finishing Vo1.39 No.4 Serial No.289 表9螯合剂-时间试验数据处理表 因素 K1 3结论 (螯合剂)/% 3 A B t/min 结果说明 1)通过正交试验结果分析,对配方及工艺进行 7 K2 K3 kl k2 k3 kmax kmin 极差R 5 2 1 1.7 0.7 1.7 0.7 1 3 , 2.3 1 , 2.3 1 1.3 基础配方添加螯 合剂钝化后耐 ,优选,得到的最佳柠檬酸钝化配方及工艺为:20%柠 檬酸,2%氧化剂,2%螯合剂,0为45℃、钝化t为38 min,该工艺处理的试样耐腐蚀性能最佳。 2)氯化钠溶液168 h锈蚀测试结果表明,试验 腐蚀性能受时间 的影响更大,螯 合剂含量次之, 优选组合 产品激光标识清晰完整,保持原有色彩。 3)柠檬酸钝化工艺环保、无毒,无刺激性,废液 无须特别处理,稍加中和便可直接排方,节约成本, 为A2B1。 满足清洁生产要求。 通过对比硝酸钝化工艺的局限性,柠檬酸钝化 工艺适用的手术器械范围广,效果佳。可对产品进 行成品化加工,产品标识清晰完整、色彩鲜艳,大幅 度提高镀金、镀黑铬及各类焊接部位产品防腐性 能,从而提高了产品质量,同时大大减轻了环保压 力,符合清洁生产要求,与国际先进水平同步,具有 在医疗器械行业推广的前景。 参考文献 [1] ASTM:A967.2001,不锈钢部件化学钝化处理的标准 规范[S]. [2]YY/T0149—2006,不锈钢医用器械耐腐蚀性能试验方 法[S]. [3] 张洪生,杨晓蕾,陈熹,等.植酸在金属防护中的应用 新进展[J].电镀与涂饰,2001,20(4):18—19. 2)分析与结果。由上述结果可以看到,基础配 方添加螯合剂钝化后,耐腐蚀性能受时间的影响更 大,螯合剂含量次之,优选组合为A2B1,同时从氯化 钠溶液浸泡测试结果看,螯合剂质量分数为2%时 的钝化膜耐蚀性表现更佳,因此,螯合剂质量分数 控制在2%,钝化时间则维持基础配方的38 min。 2.2.4投产情况 在投产前进行了累计十多个批次数万件产品, 进行压力蒸汽试验和氯化钠溶液浸泡试验,产品一 次合格率较之前使用硝酸钝化工艺时水平有明显 提高,此后经过两年多的批量生产,合格率稳定,满 足企业生产需求。 (上接第4页) 参考文献  J1 l Henrik Wal1.Lars Wads ̄.Corrosion rate measurements in steel sheet pile walls in a marine environment『J].Marine Structures,2013,33:21—32. steel and X70 steel in simulated solutions with H2 S and CO2 [J].Surface&Coatings Technology,0126,291:250—257.  16 l Higuera Hidalgo V,Belzunce Varela F J,Fern6ndez Rico E.E— rosion wear nd mechaniacal properties of plasma--sprayed nick-- el—and rron-based coatings subjected to service conditions in [2]Xin Mu,Jie Wei,Junhua Dong,et a1.In situ corrosion moni toring of mild stee1 in a simulated tidal zone without marine fouling attachment by electrochemical impedance speetroseo— py[J].J.Mater.Sci.Teehnol,2014,30(10):1043—1050. 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