CN101077425A - 一种医用无镍高氮不锈钢材料及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医用植入不锈钢材料，具体地说是一种医用无镍高氮不锈钢材料，按重量百分比计其化学成分包括，铬Cr：17～24，锰Mn：12～20，钼Mo：1～3，铜Cu：0.5～1.0，氮N：0.71～1.20，碳C≤0.03，铁Fe：余量。本发明医用无镍高氮不锈钢不含毒性镍元素，可用在外科植入物、医疗器械、食品餐饮器械、首饰及其它与人体经常接触的不锈钢产品方面，而且也可应用于化工、环保等领域。
Description
技术领域
本发明涉及医用植入不锈钢材料，具体地说是一种医用无镍高氮不锈钢材料及其制备和应用。
背景技术
医用植入不锈钢是生物医用材料中应用最多、最广的一类材料，但是其中通常含有毒性镍(Ni)元素。例如目前临床上常用的医用316L不锈钢含镍为10-14％，在其植入人体以后，由于腐蚀或磨损等原因造成其表面的钝化层或保护层发生破坏时，其中金属镍离子很容易富集于植入物附近的组织中，影响生物体的正常代谢。镍元素是一种潜在的致敏因子，对生物体有致畸、致癌的危害性，很早就有关于镍过敏和癌变方面的报道，镍离子在生物体内植入物附近的富集可以诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎反应。
西方许多国家针对镍的危害，早已制定和颁布相关文件和标准来限制生物医用金属中的镍含量。因此针对医用不锈钢的应用广泛性和其中镍的危害性，研究和发展性能优良(不低于目前普遍应用的镍铬医用不锈钢)的医用无镍不锈钢成为必然趋势。
氮是钢中强烈的奥氏体形成元素，在一些钢中作为有益元素加入，可以显著地提高钢的力学性能和耐蚀性能。因此氮作为合金化元素而应用于各类不锈钢、耐热钢中，以取代并节省昂贵的镍元素。由于奥氏体不锈钢中镍对人体的毒副作用以及对高氮不锈钢的深入研究，最近几年国内外许多研究者提出将高氮含量的Cr-Mn-N无镍奥氏体不锈钢应用于生物医学。他们指出，这种不锈钢具有优良的强韧性组合，良好的抗腐蚀能力，特别是抗点蚀和晶间腐蚀，而且具有较高的耐磨性，最重要的是钢中不含镍元素，从而可避免镍元素在人体内的溶出造成的致敏性及其它组织反应(发炎、致畸、致癌等)。目前美国已将高氮奥氏体不锈钢作为外科植入物列入到ASTM标准中。因此性能优良的医用高氮无镍奥氏体不锈钢将是医用金属材料发展的一个重要趋势。
在国内中国科学院金属研究所率先开展了氮强化奥氏体无镍不锈钢的研究，授权专利是“一种医用植入奥氏体不锈钢材料”(专利号：03110896.2)，所保护的医用无镍奥氏体不锈钢氮含量在0.4％～0.7％(质量含量)，其表现出良好的力学性能和生物学相容性，但是其耐蚀性仍然有待提高，而耐蚀性能是生物医用植入材料重要的性能之一。
随着冶炼技术的发展，国内各达钢铁企业都相继研究开发了高氮含量的不锈钢制备和生产工艺，并逐渐完善，因此具有更优力学性能及耐蚀性能的医用无镍奥氏体高氮不锈钢的开发和应用将进一步推动国内生物医用材料的发展。
发明内容
研究表明氮是有效提高奥氏体不锈钢耐蚀性的重要元素之一，钢中加入的氮元素与钼元素在一起相互作用能显著提高不锈钢的耐腐蚀性能，特别是其耐点蚀性能，抗点蚀能力随着氮元素的提高而显著提高。这也可用点蚀经验公式来说明：PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)≈％Cr+3.3％Mo+(13～37)％N+4.5(％Mo)(％N)，因此通过提高钢中氮含量即可有效改善无镍奥氏体不锈钢的耐蚀性能。
本发明的目的是提供一种耐蚀性能好的生物医用植入不锈钢材料，其不含毒性镍元素，具有优良的强韧性组合，且价格相对低廉，是无镍高氮含量的奥氏体不锈钢。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种医用无镍高氮不锈钢材料，按重量百分比计其化学成分包括，铬Cr：17～24，锰Mn：12～20，钼Mo：1～3，铜Cu：0.5～1.0，氮N：0.71～1.20，碳C≤0.03，铁Fe：余量。
按重量百分比计，其中残余元素包括，镍Ni≤0.02，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025。
本发明所提供的医用植入奥氏体不锈钢中，应控制镍≤0.02(wt)％，其余杂质元素含量均满足外科植入不锈钢通用技术规范要求。
本发明医用无镍高氮奥氏体不锈钢由于抛弃了贵重的镍元素，所以廉价的氮元素是其中重要的奥氏体化合金元素，氮的奥氏体化能力大约是镍的20-30倍，氮元素的增加同时还可有效提高不锈钢的耐蚀性。为保证钢的单一稳定奥氏体结构、优良的力学性能和高的耐蚀性，氮含量应控制在0.7(wt)％以上，钢中加入太多的氮容易在冶炼浇铸时形成皮下气孔，而且容易造成氮化物析出而影响到力学性能和耐蚀性，建议氮含量控制在1.20(wt)％以下。
碳也是重要的奥氏体化元素，但过多的碳会严重影响钢的塑性和耐蚀性，因此碳含量应严格控制在0.03(wt)％以下。
锰是一种较弱的奥氏体化元素，可增加氮在钢中的溶解度，因此应至少有12(wt)％以上的锰元素，但过多的锰元素影响钢的性能，所以锰应控制在20(wt)％以下。
铬是铁素体形成元素，尽管如此，由于它是不锈钢中主要的耐蚀元素，而且也提高氮的溶解度，铬含量应控制在不大于24(wt)％。
钼的加入可提高氮的溶解度，与氮相互作用可提高钢的耐点蚀性能，但含量过多会降低钢的韧性，因此控制在3(wt)％以下。
铜也是较弱的奥氏体化元素，还适当提高耐蚀性，铜的含量若高于4(wt)％就会明显影响钢的可锻性，所以本发明建议控制铜含量不大于1.0(wt)％。
硅可促使铁素体的形成，因此硅含量低于0.5(wt)％。
杂质元素硫和磷应分别控制在0.010(wt)％和0.025(wt)％以下，以提高钢的综合性能。
所述医用无镍高氮不锈钢材料为单相奥氏体组织结构，其后处理工艺为：
热加工：不锈钢材料钢锭于1050～1200℃均匀化处理2～4小时，开坯；
热处理：1100～1150℃固溶处理0.5～4小时，空冷或水冷至室温，所得显微组织为单相奥氏体。
所述开坯分≥3次锻造成初轧坯料，终锻温度不低于950℃；初轧坯料的轧制温度为950～1150℃。
本发明不锈钢材料由于抛弃了毒性镍元素，不仅适于外科植入物、医疗器械、食品餐饮器械、首饰及其它与人体经常接触的不锈钢产品方面，并有可能逐步取代现有的镍铬医用不锈钢，而且可应用于化工、环保等领域。
本发明医用无镍高氮奥氏体医用不锈钢完全抛弃了有致敏、诱发血栓形成和致癌作用的毒性镍元素，作为人体植入材料具有极大的优势，将大大提高生物植入材料的长期使用安全性。这种不锈钢相对于传统的镍铬医用不锈钢，具有更好的耐磨、耐蚀性能(特别是点蚀)以及更为优良的强韧性组合，并且成本相对较低，可用于骨关节等承力部件、牙科矫形件和管腔植入支架等长期植入人体器件的主要使用材料。可用在人体植入物、医疗器械、食品餐饮器械、首饰及其它与人体经常接触的不锈钢产品方面。
附图说明
图1医用无镍高氮不锈钢在37℃模拟血浆溶液中的阳极极化曲线。
具体实施方式
本发明医用无镍奥氏体不锈钢采用加压(氮气正压)感应炉冶炼和电渣炉精炼，亦可采用加压电渣重熔炉冶炼，冶炼所得不锈钢经过以下加工及热处理：
热加工工艺是：钢锭于1150℃±15℃均匀化处理2小时以上，开坯，分三火锻造成初轧坯料(棒材)，终锻温度不低于950℃。初轧坯料在1100℃±15℃温度开轧，经多道次轧制成性能测试坯料。热处理工艺是：1100℃±5℃固溶处理(1±0.1)小时，空冷或水冷至室温，所得组织为单相奥氏体。
实施例：根据本发明所设定的化学成分范围，在100公斤加压感应炉+电渣炉精炼共2炉钢各60公斤(分别为1号和2号合金)，采用加压电渣重熔炉冶炼了1炉钢40公斤(为3号合金)，并在专利03110896.2所保护中氮含量不锈钢的基础上，通过高温渗氮(1200℃，3各大气压，24个小时)获得高氮含量的4号合金以对比说明提高氮含量对耐蚀性能的贡献，其具体化学成分如表1所示。这4炉钢分别被浇注成φ120×450钢锭各一个，按以上加工及热处理规范进行加工。
表1 真空感应炉冶炼的高氮钢的化学成分
| 不锈钢 | C | Cr | Mn | N | Mo | Cu | Ni | Si | S | P |
| 专利03110896.2 | 0.026 | 17.6 | 14.3 | 0.55 | 2.14 | 0.72 | 0.01 | 0.56 | 0.009 | 0.011 |
| 1 | 0.029 | 18.05 | 13.58 | 0.72 | 1.98 | 1.04 | 0.01 | 0.42 | 0.0081 | 0.014 |
| 2 | 0.03 | 17.58 | 17.77 | 0.87 | 2.35 | 0.98 | 0.02 | 0.45 | 0.0096 | 0.017 |
| 3 | 0.027 | 21.54 | 18.96 | 0.97 | 2.34 | 0.86 | 0.02 | 0.35 | 0.0074 | 0.0092 |
| 4 | 0.026 | 17.54 | 14.56 | 1.14 | 2.27 | 0.76 | 0.02 | 0.55 | 0.0084 | 0.012 |
注：1，2号不锈钢为加压感应炉+电渣炉精炼，3号不锈钢为加压电渣重熔冶炼，4号为高温渗氮
表2 真空感应炉冶炼的高氮钢的力学性能
| 炉号 | 屈服强度б0.2(MPa) | 抗拉强度бb(MPa) | 延伸率δ5(％) | 截面收缩率ψ(％) |
| 专利03110896.2 | 547 | 864 | 56 | 67 |
| 1 | 622 | 996 | 51 | 61 |
| 2 | 783 | 1056 | 42 | 55 |
| 3 | 916 | 1194 | 32 | 47 |
| 4 | 678 | 1267 | 8 | 10 |
所有测试试样均沿垂直于轧制方向取样，经过以上热处理后，本发明钢在室温状态下为单一奥氏体组织，测得的力学性能如表2所示。本发明钢具有优良的耐蚀性能，在37℃模拟血浆溶液(成分见表3)中耐蚀性能明显优于医用316L不锈钢和专利03110896.2所保护的氮强化无镍不锈钢，氮含量在1％左右的3号和4号高氮不锈钢点蚀电位在1.2V以上(4号不锈钢由于长时间高温渗氮，晶粒较大，韧塑性和耐蚀性均低于3号不锈钢)，远高于0.55氮含量的中氮含量不锈钢，见图1。工艺试验表明，该医用无镍高氮奥氏体不锈钢在提高氮含量后具有更加优良的力学性能和耐蚀性能。
表3 模拟血浆成分
| 化合物 | NaCl | CaCl2 | KCl | MgSO4 | NaHCO3 | Na2HPO4 | NaH2PO4 |
| 浓度，mg/L | 6800 | 200 | 400 | 100 | 2200 | 126 | 26 |
| 摩尔浓度，10-3mol/L | 117.24 | 1.8 | 5.41 | 0.83 | 26.2 | 0.89 | 0.22 |
Claims (7)
1、一种医用无镍高氮不锈钢材料，其特征在于：按重量百分比计其化学成分包括，铬Cr：17～24，锰Mn：12～20，钼Mo：1～3，铜Cu：0.5～1.0，氮N：0.71～1.20，碳C≤0.03，铁Fe：余量。
2、按照权利要求1所述医用无镍高氮不锈钢材料，其特征在于：其为单相奥氏体组织结构。
3.按照权利要求1所述医用无镍高氮不锈钢材料，其特征在于：按重量百分比计，其中残余元素包括，镍Ni≤0.02，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025。
4、一种权利要求1所述医用无镍高氮不锈钢材料的加工方法，其特征在于：所述不锈钢材料的后处理工艺为，
热加工：不锈钢材料钢锭于1050～1200℃均匀化处理2～4小时，开坯；
热处理：1100～1150℃固溶处理0.5～4小时，空冷或水冷至室温，所得显微组织为单相奥氏体。
5、按照权利要求4所述的加工方法，其特征在于：所述开坯分≥3次锻造成初轧坯料，终锻温度不低于950℃。
6.按照权利要求5所述的加工方法，其特征在于：所述初轧坯料的轧制温度为950～1150℃。
7.一种权利要求1所述医用无镍高氮不锈钢材料的应用，其特征在于：所述不锈钢材料可用于在外科植入物、医疗器械、食品餐饮器械、首饰及其它与人体经常接触的不锈钢产品。
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