Matériau fréquemment utilisé pour la réalisation d'implants orthopédiques, l'acier inoxydable peut emprunter différentes routes métallurgiques. L'aciériste savoyard Ugitech nous décrit ici les process utilisés en amont de l'usinage et du forgeage, et leur impact sur la qualité des produits.

La fabrication d’implants médicaux en inox implique d’avoir un métal neutre vis-à-vis des tissus humains et résistant à la corrosion tout au long du cycle d’utilisation : avant, pendant et après implantation dans le corps. Pour répondre à ces exigences, les inox utilisés seront de structure austénitique avec des teneurs en Chrome, Nickel et Molybdène supérieures ou égales respectivement à 18 %, 8 % et 2 %.  Cette composition assure à l’inox une bonne résistance à la corrosion et combine des niveaux de caractéristiques mécaniques élevés sans pour autant le rendre fragile (bonne résilience).

En amont, tout commence par l'élaboration et la transformation à chaud.

Élaboration/transformation à chaud

L'élaboration de l'inox destiné aux implants médicaux peut utiliser plusieurs routes métallurgiques. Mais quelle que soit la route retenue, elle comportera deux phases: la fusion et la refusion. La première phase de fusion/élaboration permet d’obtenir un métal à la composition demandée par l’application.

La phase de fusion/élaboration peut faire appel à un four à induction sous vide (VIM pour Vacuum Induction Melting) ou à un four à arc (EAF, pour Electric Arc Furnace). L'usage d'un four à arc nécessite une phase supplémentaire de décarburation pratiquée soit en VOD (Vaccum Oxygen Decarburation) soit en AOD (Argon Oxygen Decarburation).

La filière VIM permet d’obtenir des produits avec un faible niveau d’oxygène et par la suite, en refusion, un niveau satisfaisant de propreté inclusionnaire en éléments non métalliques. La filière EAF + AOD/VOD est plus rapide et plus flexible. Cela permet d'obtenir des coûts réduits et des temps de traversée optimisés.

Le métal est alors solidifié en lingot ou en coulée continue, avec une vitesse d’échange thermique élevée qui rend la structure et la composition du lingot non homogènes.

Vient ensuite la phase de refusion, qui permet d’améliorer non seulement l’homogénéité de la structure et de la composition du métal, mais aussi la propreté inclusionnaire du métal initial. Il existe deux procédés de refusion : le VAR (Vaccum Arc Remelting) et l'ESR (Electro Slag Remelting).

Dans le procédé VAR, un arc est établi sous vide entre l’électrode consommable et le métal refondu. A mesure que le métal se consomme, des gouttes alimentent le liquide refondu qui se solidifie. La solidification se fait en direction quasiment verticale en éliminant les macro-ségrégations.

Dans le procédé ESR, un courant passe au travers d’un laitier électro-conducteur fondu. L’effet joule dans le laitier fond l’électrode consommable. Les inclusions non métalliques sont alors éliminées lors de la fusion du métal dans son passage au travers du laitier. La solidification se fait dans un moule en cuivre refroidi à l’eau. Cela permet une solidification homogène et sans ségrégation.

La proprété inclusionnaire des produits issus du procédé VAR est supérieure à la celle des produits issus du procédé ESR, même si l’un et l’autre permettent d’obtenir des propretés conformes aux exigences des inox implantables.

Une fois le métal refondu sous forme de lingot, il sera soit forgé en cas de lingots de grosse section, soit laminé s'il s'agit de lingots de petite section.

En fin de transformation à chaud, les barres ou les fils doivent être impérativement recristallisés pour avoir une structure complètement austénitique et hyper-trempée. L'objectif est d'empêcher la transformation de l’austénite en martensite (qui se produirait si le refroidissement était lent), et la migration du carbone aux joints de grains (qui sensibiliserait la nuance à la corrosion).

Puis transformation à froid

Ensuite, l’inox est généralement transformé à froid pour obtenir le diamètre, les caractéristiques mécaniques, la taille de grains demandés pour l’opération suivante de transformation : l’usinage ou le forgeage.

Lors de la transformation à froid, les caractéristiques mécaniques évoluent régulièrement avec la sévérité de la déformation. L’étirage fait augmenter la limite à rupture (Rm) et la limite élastique (Rp0,2) avec la réduction de section, alors que l’allongement à la rupture du matériau diminue.

Dans les normes qui définissent les critères de livraison des inox implantables, il y a généralement 3 niveaux de dureté :

• le recuit,
• l’écroui
• et le super écroui (qui permet d’obtenir des Rm très élevées, supérieures à 1400 MPa).

Par la suite, en fonction des pièces à fabriquer, les transformateurs usineront ou forgeront la matière livrée par les élaborateurs. L’usinage permet de garder les caractéristiques mécaniques et la structure de l’inox mais génère des copeaux donc une mise au mille qui peut être élevée. Pour sa part, le forgeage nécessite de réchauffer l’inox et peut changer la taille de grain du métal, voire sa structure, ainsi que ses propriétés mécaniques.

Applications dans l'orthopédie

Il y a globalement deux nuances en matière d'inox implantables : le 316LVM, alias 4441, et l’inox à l’azote, alias 4472, selon la dénomination ISO. Le 4441 est plutôt utilisé en traumatologie pour les petits implants qui ont été durcis à froid (vis, clous, plaques). Sa résistance à la corrosion étant moins bonne que celle du 4472, il est implanté pour rester moins longtemps dans l’organisme.

Le 4472 est utilisé pour faire des pièces de plus grande taille. Il est destiné à des implants qui restent longtemps dans l’organisme, notamment ceux utilisés en reconstruction.

Ces deux matériaux répondent aux normes ASTM et ISO qui précisent toutes deux la composition du matériau, sa structure métallurgique, la taille des grains, la propreté inclusionnaire, les caractéristiques mécaniques et les contrôles non destructifs que doivent avoir passés les matières.

Cet article est extrait du dernier "PocketBook" publié par Orthomaterials sous le titre "Matériaux et procédés pour l'orthopédie" : un ouvrage qui regroupe les contributions techniques d'une quarantaine d'industriels.

www.ugitech.com