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Die
Erfindung betrifft medizinische Instrumente aus Edelstahl, welche
aus einem ferritischen Chromstahl mit einem ferritischen Kern und
einer im Wesentlichen martensitischen Randschicht gebildet sind.
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Bisher
galten die ferritischen Stähle durch eine Wärmebehandlung
aufgrund des zu geringen Kohlenstoffgehalts nach dem allgemeinen
Stand der Technik als nicht härtbare und nicht korrosionsbeständige
Stähle.
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Medizinische
Instrumente insbesondere chirurgische Instrumente aus Edelstahl
sind schon seit langem bekannt. Doch die meisten Edelstähle
haben leider auch negative Eigenschaften, die diese Materialien
nicht ganz optimal für die Verwendung von medizinischen
Instrumenten machen. Ein großer Nachteil ist der Umstand,
dass die bisher verwendeten Edelstähle Nickel enthalten
und die meisten Menschen allergisch auf Nickel reagieren.
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Medizinische
Instrumente sollten zudem eine hohe Kratz- und Korrosionsbeständigkeit
aufweisen, um ein Verkratzen, Abplatzungen und vor allem Anrostungen
an der Oberfläche durch Gebrauch zu verhindern.
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Eine
weiterer Nachteil ist, dass die Kratzbeständigkeit, insbesondere
die Oberflächenhärte der meisten verwendeten Edelstähle
auch durch allgemein und nachstehend beschriebene bekannte Härteverfahren
nicht genügend ist, um ein Verkratzen der medizinischen
Instrumente bei Gebrauch zu verhindern. Auch wurde in einigen Fällen
Korrosion festgestellt.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass die bisher verwendeten Stähle
für medizinische Instrumente aus austenitischen Stählen
hergestellt werden, die zwar eine gute Korrosionseigenschaft besitzen,
aber nur eine bedingte Härte (ca. 200 HV) zeigen. Durch
bekannte Verfahren, wie z. B. TiC, TiN, DLC,.. kann eine Hartstoffschicht
auf der Oberfläche des Stahls aufgebracht werden, die zwar
sehr hart, aber nur sehr dünn (ca. 10 μm) sind.
Diese dünne Schichten haben jedoch den Nachteil, dass sie
bei einer mechanischer Beanspruchung, vor allem bei einer mechanischen Punktbeanspruchung
einbrechen bzw. abplatzen. Die Begründung liegt darin,
dass unter der gehärteten Schicht die Härte schlagartig
auf die Ausgangshärte (ca. 200 HV) des verwendeten Stahls
abfällt.
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Austenitische
Stähle können zwar mit einer harten und einer
besseren schlagzähen Oberfläche (ca. 1800 HV)
durch das allg. bekannte Verfahren „Kolsterisieren” nachhaltig
gehärtet werden, der Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch
die extrem lange Prozessdauer und die damit verbundenen sehr hohen
Herstellungskosten. Zudem ist auch hier die relative kleine Schichtdicke
mit ca. 33 μm negativ, da die Härte innerhalb
dieser gradientenbehafteten Schicht relativ schnell bis zur Ausgangshärte
des austenitischen Stahls (ca. 200 HV) abfällt.
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Ein
Härtungsverfahren eines martensitischen Stahls (AISI 410)
ist auch aus Corrosion Science 48 (2006) 2036–2049
von C. X. Li et al. bekannt. Weiterhin ist aus Davis
et al., ASM Handbook, Volume 4, Heating Treating 1991, AMS International US bekannt,
auch Stähle des Types AISI 430 und 460 bei Temperaturen
bis maximal 595°C zu nitrieren.
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Bei
diesen zitierten Niedertemperaturverfahren (Nitrieren und Plasmanitrieren)
für martensitischen Stahl im Temperaturbereich bis max.
595°C diffundiert zwar Stickstoff in die Stahloberfläche
ein, aber es findet keine Phasenumwandlung/Austenitisierung statt.
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Es
besteht deshalb ein großes Bedürfnis, medizinische
Instrumente aus Edelstahl noch dahingehend zu verbessern, dass der
verwendete Edelstahl eine Nickelfreiheit, bei gleichzeitig ausgezeichneter
Oberflächenbeschaffenheit in Bezug auf Kratzbeständigkeit
und Korrosionsbeständigkeit aufweist.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, medizinische
Instrumente aus ferritischen Edelstahl anzugeben, die dem Stand
der Technik überlegen sind und die neben der Nickelfreiheit,
gleichzeitig eine so hohe Oberflächenhärte und eine
Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, dass ein Verkratzen
weitgehend vermieden wird und eine Korrosionsbeständigkeit
auch im Dauergebrauch erreicht wird.
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Die
geforderte Kratzfestigkeit und die damit einhergehende Oberflächenhärte
wird gefordert, um Kratzer, Abplatzungen oder anderweitige Oberflächendefekte,
durch Gebrauch zu verhindern. Dadurch wird u. a. vermieden, dass
sich Bakterien, Pilze oder anderweitige Verunreinigungen in diesen
Oberflächendefekten bilden können, die evtl. bei
einer anschließenden Desinfektion nicht abgelöst
werden und damit bei einer weiteren Verwendung eine Gefahr für
die Patienten darstellt. Durch die erfindungsgemäße
Oberfläche können dadurch zudem teure Reinigungsverfahren
und insbesondere teure Reinigungsmittel eingespart werden und dadurch
ein schnellerer Widergebrauch ermöglicht werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte
Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird
somit vorgeschlagen, dass für die medizinischen Instrumente
der Erfindung ein ferritischer Chromstahl verwendet wird, der aus einem
ferritischen Kern mit einer im Wesentlichen durch eine Wärmebehandlung
erzeugten martensitischen Randschicht besteht. Die Erfindung umfasst
in Bezug auf die medizinischen Instrumente grundsätzlich
alle entsprechenden Gegenstände, die dem Fachmann bekannt
sind. Beispiele sind dabei sämtliche chirurgische, urologische
und zahnchirurgische Instrumente wie beispielsweise, Pinzetten,
Messer, Skalpelle, Scheren, Zangen, Sägen, Klemmen, Spreizer,
Trokare, Nieren- und Laborschalen, Scheidenspekula, Uterus-Dilatatoren,
Hämmer, Meißel, Sauginstrumente, Amputationsmesser,
Bauchdeckenhalter, Wundhaken, Amputationretraktoren, Amputationsägen,
Geburtshilfe, Geburtszangen, Biopsie- und Kürettageinstrumente,
Knochenstanzen, Rongeure, Knochenhebel, Knochenhaltezangen, Knochenmeißelzangen
und Splitterzangen, Elevatorien, Raspatorien, Gipsinstrumente, usw.
Die Randschicht kann dabei ein- oder mehrseitig oder den Kern ummantelnd
ausgebildet sein. Die Erfindung schließt dabei auch Ausführungsformen
mit ein, bei denen die Randschicht noch einen geringen Anteil, in Abhängigkeit
vom eingelagerten C- und N-Gehalt des Stahlwerkstoffs an Restaustenit
aufweist. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die medizinischen Instrumente
aus einem ferritischen Chromstahl bestehen, bei denen die Randschicht
martensitisch ausgebildet ist, wobei diese martensitische Randschicht
durch eine Änderung des Gefügezustandes von Ferrit über
Austenit zu Martensit erreicht wird.
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Wesentlich
für die Erfindung ist zudem, dass zwischen der Oberflächenhärte
der Randschicht und der kleinsten Härte des Kerns ein Härteunterschied, gemessen
nach Vickers HV 3, um mindestens 30 bis 300% besteht. Die erfindungsgemäßen
medizinischen Instrumente zeichnen sich weiterhin dadurch aus, dass
sie unabhängig von dem vorstehend genannten Härteunterschied
auch einen Unterschied in Bezug auf den E-Modul zwischen der martensitischen
Randschicht und dem ferritischen Kern des Werkstoffs besitzen.
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Bei
den erfindungsgemäßen medizinischen Instrumenten
ist es dabei bevorzugt, wenn der Härteunterschied zwischen
der Oberflächenhärte der Randschicht zur kleinsten
Härte des Kerns 80 bis 250%, bevorzugt 100 bis 250% beträgt.
Bevorzugt kann dabei die Oberflächenhärte der
martensitischen Randschicht im Bereich von 320 bis 650 HV 3 und
die kleinste Härte des Kerns im Bereich von 160 bis 260 HV
3 liegen. In Bezug auf die Härteprüfung nach Vickers
wird auf die bekannten Normen nach DIN EN ISO 6507 verwiesen.
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Die
nachweisbare Härtesteigerung im Bereich von ca. 600 HV
bringt eine ca. 150 fach verbesserte Kratzfestigkeit gemäß dem
Kratz- und Verschleissbeständigkeitstests SOP 3-SRC des
fern Forschungsinstituts in Schwäbisch Gmünd.
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Durch
Verwendung von vorzugsweise 1.4016 erreicht man eine annähernd
identische Korrosionsbeständigkeit wie 1.4301 trotz fehlendem
Nickelanteil (1.4301: 10%) bei in etwa gleichbleibenden Herstellungskosten.
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Durch
die Verwendung von vorzugsweise 1.4016 wird die Zerspanbarkeit gegenüber
austenitischen Werkstoffen wesentlich verbessert, da sich dadurch
ein kürzerer Span ergibt und sich somit eine automatisierte
Zerspanung einstellen kann.
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Erfindungsgemäß ist
die Randschicht der medizinischen Instrumente der Erfindung durch
eine Einhärtungstiefe (EHT) definiert, die von der kleinsten
Härte des Kerns, gemessen nach HV 3 + 30% bis zur Oberfläche
der Randschicht führt. Bei der vorliegenden Erfindung kann
dabei die Einhärtungstiefe (EHT) im Bereich von 0,005 mm
bis 1,0 mm, bevorzugt 0,01 mm bis 0,4 mm und besonders bevorzugt im
Bereich von 0,01 bis 0,3 mm liegen.
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Bei
den erfindungsgemäßen medizinischen Instrumenten
ist es bevorzugt, wenn die Oberfläche der martensitischen
Randschicht aufgeraut und/oder mattiert und/oder poliert und/oder
unbehandelt und/oder kombiniert ist. Die Oberflächenrauhigkeit kann
dabei im Bereich von 0,01 μm bis 4,0 μm liegen. Bevorzugt
sind Rauhigkeiten von 1,9 μm bis 2,8 μm (Scotch-Band)
oder 1,7 μm bis 2,1 μm (gebürstet). Polierte
Oberflächen hingegen weisen eine Rauhigkeit von 0,01 μm
bis 1,3 μm auf.
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Es
hat sich hierbei gezeigt, dass selbst bei den mattiert vorliegenden
medizinischen Instrumenten durch lang andauernden Gebrauch, eine
Beschädigung der Oberfläche durch Kratzer vermindert
wird. Dies wird auf die wie vorstehend schon beschriebene Ausbildung
der martensitischen Randschicht in Kombination mit dem flexiblen
bzw. elastischen Kern zurückgeführt.
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Sollte
die Oberfläche nicht anschließend poliert, mattiert
oder aufgeraut werden, erhöht sich die Kratzfestigkeit
noch weiter, da sich höhere Härtespitzen an der
Oberfläche einstellen und diese nicht abgetragen werden.
Durch den Entfall einer nach der Wärmebehandlung anschließenden
Oberflächenbehandlung könnten die variablen Kosten
weiter gesenkt werden und eine neuartige Oberflächenausführung
(Bezeichnung: z. B. „satiniert”) erreicht werden.
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Aus
stofflicher Sicht können bei den erfindungsgemäßen
medizinischen Instrumenten im Prinzip alle ferritischen Chromstähle
verwendet werden.
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Beispiele
für ferritische Chromstähle sind 1.4000, 1.4001,
1.4002, 1.4016, 1.4105, 1.4113, 1.4509, 1.4510, 1.4511, 1.4512,
1.4513, 1.4516, 1.4520 und 1.4521. Bevorzugt ist dabei der Stahl 1.4016.
Durch eine martensitische Randschicht resultiert eine deutliche
Härtesteigerung, unter Beibehaltung des elastischen Kerns,
womit dann überlegene Eigenschaften in Bezug auf Kratz-
und Korrosionsbeständigkeit neben einer Nickelfreiheit
erreicht werden.
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Es
hat sich weiterhin gezeigt, dass die Oberfläche der Randschicht
eine Gefügeausbildung aufweist, die sich durch eine höhere
Korngröße im Vergleich zu unbehandelten Stählen
auszeichnet, wie auch dadurch, dass keine Chrom-Karbidausscheidungen
an den Korngrenzen vorliegen.
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Die
Erfindung umfasst in Bezug auf die medizinischen Instrumente grundsätzlich
alle entsprechenden Gegenstände, die dem Fachmann bekannt sind.
Beispiele sind dabei sämtliche chirurgische, urologische
und zahnchirurgische Instrumente wie beispielsweise, Pinzetten,
Messer, Skalpelle, Scheren, Zangen, Sägen, Klemmen, Spreizer,
Trokare, Nieren- und Laborschalen, Scheidenspekula, Uterus-Dilatatoren,
Hämmer, Meißel, Sauginstrumente, Amputationsmesser,
Bauchdeckenhalter, Wundhaken, Amputationretraktoren, Amputationsägen,
Geburtshilfe, Geburtszangen, Biopsie- und Kürettageinstrumente,
Knochenstanzen, Rongeure, Knochenhebel, Knochenhaltezangen, Knochenmeißelzangen und
Splitterzangen, Elevatorien, Raspatorien, Gipsinstrumente unsw.
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Die
Ausbildung der martensitischen Randschicht kann bei den erfindungsgemäßen
medizinischen Instrumenten durch eine Wärmebehandlung, bevorzugt
durch ein sog. „Aufsticken” erfolgen. Das Aufsticken
von Stahlwerkstoffen ist an und für sich im Stand der Technik
bekannt und wird z. B. in der
EP 0 652 300 A1 oder auch in der
DE 40 33 706 beschrieben.
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Beim
Randaufsticken wird dabei so vorgegangen, dass der Stahlwerkstoff
bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1200°C
in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre und nachfolgender
Abkühlung behandelt wird.
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Es
hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass ein derartiges
Verfahren in Bezug auf medizinische Instrumente zu überlegenen
Eigenschaften führt. Wesentlich ist dabei, wie bereits
vorstehend dargelegt, dass bei den medizinischen Instrumenten der
Erfindung die vorstehend genannten Bedingungen eingehalten werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der 1a und 1b näher erläutert, ohne
den Gegenstand der Erfindung hierauf zu beschränken.
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Die 1a zeigt sowohl den Härteverlauf nach
einer Wärmebehandlung am Beispiel der Stahlsorte 1.4016
in Form einer graphischen Darstellung sowie in 1b einen
Querschliff in der Vergrößerung 50:1.
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Im
Beispielsfall nach der 1 wurde eine Probe aus der Stahlsorte
1.4016 bei Temperaturen von über 1050°C mit Stickstoff
aufgestickt und abgeschreckt bzw. tiefgekühlt und angelassen.
Der Werkstoff 1.4016, X6 Cr 17 ist ein ferritischer Chromstahl mit
0,06 bis 0,1% Kohlenstoff. Durch das Einlagern von Stickstoff kommt
es zu einer Umwandlung in Austenit, wobei beim darauffolgenden Abschrecken Martensit
entsteht, der wie aus 1b zu sehen
ist zum Kern hin entsprechend der Einlagerungen abnimmt. Offensichtlich
wird durch die hohe Behandlungstemperatur mit variablen Prozessdrücken
und der Stickstoffaufnahme eine nahezu vollständige Phasenumwandlung,
d. h. eine sogenannte Austenitisierung erreicht. Dabei wandelt sich
die kubisch raumzentrierte Tieftemperaturphase α (Ferrit)
vollständig in die kubisch flächenzentrierte Hochtemperaturphase γ (Austenit)
um. Die nachfolgende Abschreckung/Unterkühlung erfolgt
so schnell, dass Diffusionsprozesse ausbleiben und dass das Gefüge in
Martensit umklappt. Dieses stark verspannte Gitter führt
zu der schon geschilderten Härtesteigerung des Werkstoffes.
Im Ergebnis führt dies dazu, dass eine Gefügeänderung
im oberflächennahen Bereich eintritt. Dies geht auch aus
den Beispielen, insbesondere aus den 1a und 1b hervor. Wie diese Beispiele anschaulich
zeigen, ist die Randschicht des erfindungsgemäßen
Stahlwerkstoffes so ausgebildet, dass hierbei ausgehend von der
Oberfläche in Richtung des inneren Ferritkernes eine kontinuierliche Veränderung
des Gefügezustandes und damit auch der damit einhergehenden
Härteänderung erfolgt. Was einen deutlichen Vorteil
gegenüber den im Sand der Technik beschriebenen Verfahren
mit abrupter Veränderung des Gefügezustandes und
einer Phasengrenze darstellt.
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Wie
aus 1a hervorgeht, weist die Probe eine
Oberflächenhärte von 594 HV 3 auf. Die Einhärtungstiefe
betrug im Beispielsfall 106 μm. Die Berechnung der Einhärtungstiefe
wird erfindungsgemäß so durchgeführt,
dass von der geringsten Härte des Kerns ebenfalls gemessen
in HV 3 + 30% ausgegangen wird. Im Beispielsfall ist somit der Ausgangswert
240 HV 3.
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1b zeigt sehr anschaulich die Gefügeausbildung,
aus der die martensitische Randschicht zu erkennen ist und der im
Wesentlichen ferritische Kern. Die behandelte Oberfläche
weist dabei einen mittleren Korndurchmesser von 28 bis 40 μm
gemessen nach dem Linienschnittverfahren auf. Der Korndurchmesser
des behandelten Teils liegt im Kern bei 15 bis 20 μm und
der des unbehandelten Ausgangsmaterials bei 10 bis 14 μm.
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1c zeigt
zum einen den direkten Vergleich der derzeitigen bekannten – und
schon ausreichend beschrieben – Verfahren (Hartstoffschichten, Kolsterisieren
und dem hier dargestellten neuen Verfahren (Innovation)) und die
damit realisierbaren durchschnittlichen Schichtdicken mit den entsprechenden
Härteverläufen. Und zum anderen werden die jeweiligen
integrierten Flächeninhalte der beschriebenen Verfahren,
die ein Maß für den Widerstand gegen Punktbelastung
widerspiegeln, dargestellt. Hierbei wurde der Flächeninhalt
der Innovation mit 100% festgelegt und die anderen Verfahren entsprechend
ihren Flächeninhalten dagegen gerechnet. Wie daraus deutlich
zu erkennen ist, kann die hier beschriebene Innovation einer tendenziell
um 40% größeren mechanischen Punktbelastung standhalten,
als die anderen beiden Verfahren.
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Überraschenderweise
wurde nun festgestellt, dass medizinische Instrumente mit der vorstehend
beschriebenen Oberflächenausbildung durch eine oberflächennahe
Phasenumwandlung/Austenitisierung überlegene Korrosionsbeständigkeiten
und Kratzbeständigkeiten bei gleichzeitiger Nickelfreiheit aufweisen.
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Unter
Nickelfreiheit wird dabei verstanden, dass kein Nickel als Legierungsbestandteil
zulegiert wurde.
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Im
Ergebnis ist somit festzustellen, dass die medizinischen Instrumente
aus einem ferritischen Chromstahl bestehen, bei dem die Randschicht
martensitisch ausgebildet ist, wobei die martensitische Randschicht
durch eine Änderung des Gefügezustandes von Ferrit über
Austenit zu Martensit erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0652300
A1 [0028]
- - DE 4033706 [0028]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Corrosion
Science 48 (2006) 2036–2049 von C. X. Li et al. [0008]
- - Davis et al., ASM Handbook, Volume 4, Heating Treating 1991,
AMS International US [0008]
- - DIN EN ISO 6507 [0016]