CN103866198B - 一种外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢及其热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢及其热处理工艺，属于不锈钢材料技术领域。该不锈钢的化学成分如下（重量%）：C：≤0.07；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.040；S：≤0.030；Ni：3.00-5.00；Cr：15.0-17.5；Cu：3.5-5.5；N：0.05-0.15，Nb：0.15-0.45；余量为Fe；该不锈钢经过特殊热处理后，在不锈钢基体中能均匀和弥散的析出富铜相，从而赋予该不锈钢抗菌功能。本发明不锈钢解决了现有外科手术中由于使用不锈钢工具引发的细菌感染问题，广泛应用于外科手术中的手术刀、手术剪、手术镊、肠钳、刮匙等医学临床领域中使用的各类不锈钢器械。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢材料领域，具体为一种外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢及其热处理工艺。该不锈钢具有独特的抗菌功能，同时具有良好的力学性能和耐蚀性能，可广泛应用于医学临床领域中外科手术使用的各类不锈钢器械。
背景技术
外科手术器械通常采用不锈钢制造，马氏体不锈钢由于其优良的强韧性在手术器械材料的选择上占据明显优势。沉淀硬化型马氏体不锈钢因具有良好的力学性能而得到广泛应用，如外科用刀（手术刀片、皮片刀、剃毛刀、修脚刀）、外科用剪（手术剪、组织剪、解剖剪）、外科用钳（止血钳、组织钳、创夹缝钳）、外科用镊夹（小血管镊、组织镊、持针镊、止血夹）、外科用针（动脉瘤针、探针、推毛针）、外科用钩（静脉拉钩、创口钩、扁平拉钩皮肤拉钩、解剖钩）等外科手术用器械。0Cr15Ni5Cu4Nb、0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）、0Cr17Ni7Al（17-7PH）等是此类沉淀硬化马氏体不锈钢中的典型代表。
根据世界卫生组织（WHO）颁布的《院内感染防治实用手册》中的有关数据，每天全世界有超过1400万人在遭受院内感染的痛苦，其中60％的细菌感染与使用的医疗器械有关。因此，研究开发自身具有抗菌功能的新型外科手术用不锈钢新材料，以消除或减少相关医疗器械引发的细菌感染问题，具有重要的社会和经济意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抗菌功能的外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢及其热处理工艺，解决现有外科手术中由于医疗器械引发的细菌感染问题。
本发明的技术方案是：
一种外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢，该不锈钢的化学成分如下（重量%）：C：≤0.07%；Si：≤1.00%；Mn：≤1.00%；P：≤0.040%；S：≤0.030%；Ni：3.00-5.00%；Cr：15.0-17.5%；Cu：3.5-5.5%；N：0.05-0.15%；Nb：0.15-0.45%；余量为Fe；钢中杂质元素含量符合外科手术用不锈钢国家标准中的相应要求。
在本发明的不锈钢成分设计中，铜（Cu）和氮（N）是新型不锈钢中最重要的合金元素。铜是保证不锈钢抗菌功能的必要条件，也是本发明的主要创新点。本发明中的不锈钢中的含铜量为3.5-5.5％，以保证在特殊热处理条件下，富铜相在钢中的均匀弥散析出。当铜含量较低时，即使经过特殊热处理，不锈钢基体中不易析出富铜相，因而不具备稳定的抗菌性能。当铜含量相对过高时，会导致不锈钢在高温下析出富铜相，严重影响到不锈钢的热加工性能。此外，过量的富铜相析出亦会降低不锈钢的耐腐蚀性能。本发明中不锈钢中的含氮量为0.05-0.15%。在正常的抗菌热处理制度下，由于时效时间较长，不锈钢基体中析出的较为粗大的富铜相减弱了析出相对位错的钉扎作用，会使材料强度明显下降。而间隙原子氮的加入会通过固溶强化作用来有效提高不锈钢的强度，以弥补富铜相析出导致强化效果弱化的影响，同时还能显著提高不锈钢的耐点蚀性能。当氮含量较低时，氮对于钢的强化效果有限；当氮含量较高时，虽然能进一步提高不锈钢的综合性能，但会对不锈钢的热加工性能造成不利影响。
本发明还提供了上述沉淀硬化马氏体不锈钢的热处理工艺，该工艺包括如下步骤：
（1）在1000-1050℃保温0.5-1h，使钢中的铜及碳化物（碳化铬、碳化铌等）能充分固溶于基体中，使组织充分均匀化，空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
（2）在-70℃或-70℃以下冷处理0.3-1小时，使残余奥氏体中的富集铜充分远离热力学平衡态；
（3）在450-650℃保温4-10h，使过饱和的铜从钢中析出足够体积分数的富铜相，空冷或水冷至室温。
本发明的有益效果是：
1、对于17-4PH不锈钢，正常的热处理制度虽然能使钢中析出一定量的富铜相，但由于体积分数较小，不足以使其释放足够量的铜离子以发挥杀菌功效。因此本发明以现有17-4PH不锈钢为基础，适当提高了钢中的铜含量，同时延长了时效时间，从而使钢中马氏体基体上能析出足量的富铜相。但长时时效带来较多量富铜相的析出会引起钢的力学性能尤其是耐点蚀性能的下降。为了弥补力学性能及耐蚀性能的下降，考虑到氮（N）原子的固溶强化和对耐点蚀性能的良好效果，本发明在不锈钢中增加了一定量的氮元素（0.05-0.15%），使其具有固溶强化作用的同时，兼顾提高不锈钢的耐点蚀性能。
2、本发明通过实验研究，在现有沉淀硬化马氏体不锈钢中增加含铜量和添加一定量的氮元素，获得了具有强烈抗菌性能、优良力学性能和耐蚀性能的抗菌不锈钢新材料。
3、本发明不锈钢经过特殊热处理后，在不锈钢基体中均匀弥散分布有富铜析出相，从而赋予该不锈钢抗菌功能。
4、本发明中的抗菌不锈钢可广泛应用于医学临床领域的外科手术中使用的各类不锈钢医疗器械。
附图说明
图1为沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢杀灭大肠杆菌的效果照片；图中，（a）沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢；（b）对照17-4PH不锈钢。
图2沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的力学性能。
图3为沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的极化曲线。
具体实施方式
实施例1
按照下述公式计算沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢和对照样品（普通不锈钢或无杀菌能力的其它固体材料）对常见感染菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等）作用后的杀菌率：
杀菌率(%)=[(对照样品活菌数-抗菌不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100其中，对照样品活菌数是指在对照样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指在沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的化学成分为（重量％）：
C：0.02％，Cr：16.52％，Ni：3.64％，Nb：0.20％，Cu：3.9％，N：0.09％，其余为Fe。
上述沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1040℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；然后在-70℃保持0.5h，使钢中的残余奥氏体完全转变为马氏体；最后在480℃保温6h，使钢中析出富铜相，空冷或水冷至室温。
按照“JIS Z2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，进行了沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
（1）对大肠杆菌（Escheficher Coli）的抗菌率：≥99.9％，抗菌效果如图1所示；
（2）对金黄色葡萄球菌（Staphyococcus aureus）的抗菌率：≥99.9％。
实施例2
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的化学成分为（重量％）：
C：0.03％，Cr：15.90％，Ni：3.55％，Nb：0.22％，Cu：4.8％，N：0.08％，其余为Fe。
上述沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1050℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；然后在零下70℃保持0.5h，使钢中残余奥氏体完全转变为马氏体；最后分别在480℃、550℃、580℃和620℃保温10h，使钢中析出足够体积分数的富铜相，空冷或水冷至室温。
这四种时效温度处理后的沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的力学性能如图2所示。
实施例结果表明，采用本发明提出的外科手术用沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的强度在保持较高水平的前提下，其塑性也未见降低，保持了良好的力学性能。
实施例3
在本实施例中，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的化学成分为（重量％）：
C：0.02％，Cr：16.10％，Ni：3.47％，Nb：0.26％，Cu：5.2％，N：0.12％，其余为Fe。
上述沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1050℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；然后在-70℃保持0.5h，使钢中残余奥氏体完全转变为马氏体；最后在620℃保温10h，使钢中析出富铜相，空冷或水冷至室温。
采用常规电化学三电极系统方法在PRINCETON273A电化学综合分析仪和SOLATRON1287恒电位仪上对上述不锈钢进行极化曲线测试，参考电极为KCl饱和甘汞电极，对电极为铂电极，扫描速度为0.5mV/s，电解质溶液为0.9％NaCl生理盐水。
实验结果如图3所示。由图可见，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的点蚀电位为0.63V，与17-4PH钢（化学成分为（重量％）：C：0.03％，Cr：16.40％，Ni：3.66％，Nb：0.21％，Cu：3.4％，其余Fe）在相同热处理制度下的点蚀电位（0.52V）相比，沉淀硬化马氏体抗菌不锈钢的耐点蚀性能有了一定程度的提高。
Claims (1)
1.一种外科手术用沉淀硬化马氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.07%；Si：≤1.00%；Mn：≤1.00%；P：≤0.040%；S：≤0.030%；Ni：3.00-5.00%；Cr：15.0-17.5%；Cu：3.5-5.5%；N：0.05-0.15%；Nb：0.15-0.45%；余量为Fe；
该不锈钢的热处理工艺包括如下步骤：
（1）在1000-1050℃保温0.5-1h，空冷或水冷至室温；
（2）在-70℃或-70℃以下冷处理0.3-1小时；
（3）在450-650℃保温4-10h，空冷或水冷至室温。
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