CN113235018B - 一种低Cr低Ni医疗器械用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低Cr低Ni医疗器械用钢及其生产方法，所述钢材包含下述质量分数的化学成分：C：0.53～0.58%，Si：0.17～0.37%，Mn：0.20～0.40%，P：0.008～0.020%，S≤0.005%，Cr：0.30～0.45%，Ni：0.23～0.30%，Cu：0.08～0.20%，Ti：0.010～0.020%，Al：0.020～0.030%，余量为Fe及不可避免杂质；本发明钢材生产工艺简单，操作性强，生产过程易于控制，本发明钢材制得的产品具有较高的表面硬度和强度，良好的塑性和韧性以及良好的抗腐蚀性能，特别适用于制作一些小型医疗器械。

Description

一种低Cr低Ni医疗器械用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁材料技术领域，特别是一种低Cr低Ni医疗器械用钢及其生产方法。

背景技术

医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或其它物品，其使用目的为对疾病或损伤的预防、诊断、治疗、监护、缓解补偿等。中国医疗器械行业同发达国家相比虽然存在差距，但是中国医疗器械的发展速度令世界都为之侧目。中国最新研发的医疗器械产品也走在了国际医疗器械行业的尖端。未来几年，中国将超过日本，成为全球第二大医疗设备市场。

医疗器械用钢既要求钢材具有较高的表面硬度和强度，又要求具有良好的塑性和韧性，同时还需要良好的切削加工性能，对于一些小型医疗器械，如镊子、夹子等经常与酸碱等化学用品接触的，还需要具有良好的抗腐蚀能力。因此，研发一种既具有高强度高塑韧性指标，又能获得良好的耐磨、耐蚀性能的医疗器械用钢，是行业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种低Cr低Ni医疗器械用钢及其生产方法，本发明的钢材具有较高的表面硬度和强度，良好的塑性和韧性，同时还具有良好的抗腐蚀性能，特别适用于制作一些小型医疗器械。

本发明的一种低Cr低Ni医疗器械用钢，所述钢材包含下述质量分数的化学成分：C：0.53～0.58％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.40％，P：0.008～0.020％，S≤0.005％，Cr：0.30～0.45％，Ni：0.23～0.30％，Cu：0.08～0.20％，Ti：0.010～0.020％，Al：0.020～0.030％，余量为Fe及不可避免杂质。

所述钢材的屈服强度Rp_0.2为525～600MPa，抗拉强度Rm为880～1000MPa，延伸率A≥15％，断面收缩率Z≥46％，冲击吸收功Aku₂≥75J，225≤布氏硬度HB≤255。

本发明的一种低Cr低Ni医疗器械用钢的生产方法，包括下述步骤：铁水→转炉/电炉冶炼→Ar站处理→LF精炼→RH真空处理→铸坯缓冷→线材轧制，其特征在于：

(1)转炉/电炉冶炼：出钢温度：1630～1650℃；终点成分要求：[C]0.08％～0.20％，[P]≤0.012％；出钢过程中，加入铝锭2.3～2.8Kg/t，保证钢水脱氧效果良好；同时加入合适的硅锰、硅铁、高碳铬铁及铜铁合金、脱氧材料，均在出钢1/3时加入，出钢4/5前加完。

(2)Ar站处理：进入氩站后，适当加大氩气量，吹氩强度为200～350m³/h，吹氩时间5～8min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度≥1560℃；Alt含量控制在0.060～0.080％；

(3)LF精炼：钢水进站温度≥1540℃；进入精炼炉后，取精炼第①样，要求Alt控制在0.050～0.070％，如果偏低，适当补加铝线或铝粒；再加入石灰5.3～8.0kg/t、石英砂材料直接调渣，调渣完毕根据钢中C、Si含量加入电石，进行扩散脱氧；碱度控制在2.5～4.0，白渣保持时间≥15min；精炼后期，再加入Ni板2kg/t，钢中各种成分调整到位后，同时要求Alt控制在0.030～0.040％，再加入适量的Ti铁；

(4)RH真空处理：真空保压时间15～20min；真空处理结束后，加入钙铁线2.5～3.5m/t；钙处理结束后，软吹时间10～12min，且吹氩强度适中，避免渣面有明显波动造成钢液面裸露，钢水被污染；

(5)连铸：钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，电磁搅拌电流为350A，搅动频率为3.5Hz，拉速1.3～1.5m/min(200方断面)，二冷水比水量为0.7～1.0L/Kg，方坯堆冷时间≥24h；

(6)轧制及冷却：钢坯出炉后除鳞，采用高压水冲尽氧化铁皮，水压≥13MPa，开轧温度960～1080℃；终轧温度890～930℃；吐丝温度850～870℃；风冷线辊道速度0.35～0.50m/s(根据规格不同设置辊道速度，不同阶段规格越大，风冷线辊道速度越小)；水冷段控制集卷温度为550～650℃。水冷段共设有14个水压段：预水冷1～3段1.0MPa，其他水冷段根据规格取对应的水压，根据吐丝温度和规格设定水量，吐丝温度越高水量越小，规格越大水量越小；风机及保温盖(共5个风机和28个保温盖)设定根据不同规格进行设计，规格越大，风机开启数量越少，保温盖开启越多。

本发明钢材所选用的化学元素及其取值依据如下：

C：在共析范围内，碳对抗拉强度的影响是，随着碳含量增加，抗拉强度不断提高，但是含碳量增加时，钢的耐蚀性降低，同时也会降低加工性能，所以将C含量设定在0.53～0.58％。

Si：硅能显著提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；而且含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO₂薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性；但是硅提高钢的强度和冷加工硬化性，使得钢的韧性和塑性降低，因此将Si含量设定在0.17～0.37％。

Mn：锰对中碳珠光体钢的强度有显著作用，但是锰有促进晶粒长大的作用，所以含锰钢对过热较为敏感；过高的Mn含量会使钢的耐蚀性降低，因此综合设计Mn含量在0.20～0.40％。

P：一般来说，P是钢中有害元素；P能提高钢的强度，是塑韧性降低；在适当的情况下，P还有一些有益的作用，比如增加钢的抗大气腐蚀能力，所以设计中综合分析P的有益作用和有害作用，将含量设定在0.008～0.020％。

S：硫是有害元素，最大的危害是引起钢在热加工时开裂，所以将S含量上限值设定0.005％。

Cr：可提供钢的强度和硬度、可提高钢的高温机械性能、还能使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性，提高淬透性，但是过高的Cr含量会导致导致钢中析出σ相，冲击韧性急剧下降；过低的Cr会导致降低钢耐蚀性和钢的强硬度，因此，本发明中Cr的含量范围设定为0.30～0.45％。

Ni：可提高钢的强度而不显著降低其韧性、可降低钢的脆性转变温度，提高钢的低温韧性、改善钢的加工性和可焊性；还可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅耐酸还能抗碱和大气腐蚀；但是过高的Ni含量会塑性和韧性降低、易加重带状组织级别和产生白点缺陷；过低的Ni会降低钢的强度和耐蚀性，因此，本发明中Ni的含量范围设定为0.23～0.30％。

Cu：在钢中主要作用是改善钢的耐蚀性，也能轻微的提高钢的屈服强度，但是因为Cu含量过高，造成热加工开裂，Cu不宜超过0.20％，本发明中Cu的含量范围设定为0.08～0.20％。

Ti：在钢中作用：细化晶粒，使组织更均匀，但是过高的Ti含量会生产TiC降低钢的淬透性，使得强度和韧性急剧下降，还会和钢中N结合生成夹杂物，降低钢水纯净度；过低的Ti减弱细化晶粒的作用，不能提高耐晶间腐蚀能力，因此，本发明中Ti的含量范围设定为0.010～0.020％。

Al：主要用作炼钢时的脱氧剂，铝含量过低脱氧效果不彻底，铝含量过高造成晶粒粗化，降低塑性和韧性值；适量的铝也可显著提高钢的抗氧化性，因此设定为0.020～0.030％。

本发明钢材的生产工艺原理说明如下：

本发明采用转炉/电炉冶炼+精炼+真空+高线轧制的工艺进行生产，在出钢过程加铝锭，采用前置脱氧的方法，减少精炼时间，在精炼阶段完成脱氧、造渣、调成分等基本工作，然后转入RH工序，进行脱气处理，进一步净化钢水，提高钢水质量；最后进入连铸工序和轧制工序，整个生产过程操作简单易行，操作性强，制得的产品质量与国外先进的同类产品相当，主要表现在化学成分波动范围小、硫和磷等杂质元素含量低，力学性能的波动范围小。

本发明钢材制得的产品具有较高的表面硬度和强度，良好的塑性和韧性以及良好抗腐蚀性能，特别适用于制作一些小型医疗器械。将本发明制得的医疗器械用钢使用美国汽车工程师SAE标准供货国内及台商企业，用于制作医疗器械用具，产品质量稳定，获得国内及台商企业一致认可。

具体实施方式

为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。

下表1为本发明各实施例的化学成分取值列表；

下表2为本发明各实施例的主要工艺参数的取值列表；

下表3为本发明实施例的主要力学性能试验结果列表。

本发明各实施例的一种低Cr低Ni医疗器械用钢，所述钢材包含下述质量分数的化学成分：C：0.53～0.58％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.20～0.40％，P：0.008～0.020％，S≤0.005％，Cr：0.30～0.45％，Ni：0.23～0.30％，Cu：0.08～0.20％，Ti：0.010～0.020％，Al：0.020～0.030％，余量为Fe及不可避免杂质。

本发明各实施例的一种低Cr低Ni医疗器械用钢的生产方法，包括下述步骤：铁水→转炉/电炉冶炼→Ar站处理→LF精炼→RH真空处理→铸坯缓冷→线材轧制，其中：

(1)转炉/电炉冶炼：出钢温度：1630～1650℃；终点成分要求：[C]0.08％～0.20％，[P]≤0.012％；出钢过程中，加入铝锭2.3～2.8Kg/t，保证钢水脱氧效果良好；同时加入合适的硅锰、硅铁、高碳铬铁及铜铁合金、脱氧材料，均在出钢1/3时加入，出钢4/5前加完。

(2)Ar站处理：进入氩站后，适当加大氩气量，吹氩强度为200～350m³/h，吹氩时间5～8min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度≥1560℃；Alt含量控制在0.060～0.080％；

(3)LF精炼：钢水进站温度≥1540℃；进入精炼炉后，取精炼第①样，要求Alt控制在0.050～0.070％，如果偏低，适当补加铝线或铝粒；再加入石灰5.3～8.0kg/t、石英砂材料直接调渣，调渣完毕根据钢中C、Si含量加入电石，进行扩散脱氧；碱度控制在2.5～4.0，白渣保持时间≥15min；精炼后期，再加入Ni板2kg/t，钢中各种成分调整到位后，同时要求Alt控制在0.030～0.040％，再加入适量的Ti铁；

(4)RH真空处理：真空保压时间15～20min；真空处理结束后，加入钙铁线2.5～3.5m/t；钙处理结束后，软吹时间10～12min，且吹氩强度适中，避免渣面有明显波动造成钢液面裸露，钢水被污染；

(5)连铸：钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，电磁搅拌电流为350A，搅动频率为3.5Hz，拉速1.3～1.5m/min(200方断面)，二冷水比水量为0.7～1.0L/Kg，方坯堆冷时间≥24h；

(6)轧制及冷却：钢坯出炉后除鳞，采用高压水冲尽氧化铁皮，水压≥13MPa，开轧温度960～1080℃；终轧温度890～930℃；吐丝温度850～870℃；风冷线辊道速度0.35～0.50m/s(根据规格不同设置辊道速度，不同阶段规格越大，风冷线辊道速度越小)；水冷段控制集卷温度为550～650℃。水冷段共设有14个水压段：预水冷1～3段1.0MPa，其他水冷段根据规格取对应的水压，根据吐丝温度和规格设定水量，吐丝温度越高水量越小，规格越大水量越小；风机及保温盖(共5个风机和28个保温盖)设定根据不同规格进行设计，规格越大，风机开启数量越少，保温盖开启越多。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表(wt，％)

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表

表3本发明各实施例及对比例的主要力学性能试验结果列表

实施例	R<sub>P0.2</sub>，MPa	Rel，MPa	A，％	Z，％	A<sub>ku2</sub>，J	HB
							实施例1	525	880	19	59	83	225
实施例2	548	926	17.5	49.5	76	228
							实施例3	593	1000	15	46	87	255
实施例4	563	938	16	51	92	238
							实施例5	545	931	18.5	48	75	238
实施例6	600	989	16.5	48	85	235
							实施例7	552	956	16	52	81	241

从上表3中可以看出，本发明钢种设计化学成分、工艺路线以及工艺特点均是非常合理的，且操作简单易行；本发明生产的钢产品具有较高的表面硬度和强度，以及良好的塑性、韧性和抗腐蚀性能，特别适用于制作一些小型医疗器械。

Claims (3)

1.一种低Cr低Ni医疗器械用钢，其特征在于所述钢材包含下述质量分数的化学成分：C：0.53～0.58%，Si：0.17～0.37%，Mn：0.20～0.40%，P：0.008～0.020%，S≤0.005%，Cr：0.30～0.45%，Ni：0.23～0.30%，Cu：0.08～0.20%，Ti：0.010～0.020%，Al：0.020～0.030%，余量为Fe及不可避免杂质；

所述的低Cr低Ni医疗器械用钢的生产方法，包括下述步骤：铁水→转炉/电炉冶炼→Ar站处理→LF精炼→RH真空处理→铸坯缓冷→线材轧制，其中：

（1）转炉/电炉冶炼：出钢温度：1630～1650℃；终点成分要求：[C]0.08%～0.20%，[P]≤0.012%；出钢过程中，加入铝锭2.3～2.8Kg/t，保证钢水脱氧效果良好；同时加入合适的硅锰、硅铁、高碳铬铁及铜铁合金、脱氧材料，均在出钢1/3时加入，出钢4/5前加完；

（2）Ar站处理：进入氩站后，适当加大氩气量，吹氩强度为200～350m³/h，吹氩时间5～8min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度≥1560℃；Alt含量控制在0.060～0.080%；

（3）LF精炼：钢水进站温度≥1540℃；进入精炼炉后，取精炼第①样，要求Alt控制在0.050～0.070%，如果偏低，适当补加铝线或铝粒；再加入石灰5.3～8.0kg/t、石英砂材料直接调渣，调渣完毕根据钢中C、Si含量加入电石，进行扩散脱氧；碱度控制在2.5～4.0，白渣保持时间≥15min；精炼后期，再加入Ni板2kg/t，钢中各种成分调整到位后，同时要求Alt控制在0.030～0.040%，再加入适量的Ti铁；

（4）RH真空处理：真空保压时间15～20min；真空处理结束后，加入钙铁线2.5～3.5m/t；钙处理结束后，软吹时间10～12min，且吹氩强度适中，避免渣面有明显波动造成钢液面裸露，钢水被污染；

（5）连铸：钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，电磁搅拌电流为350A，搅动频率为3.5Hz，拉速1.3～1.5m/min，二冷水比水量为0.7～1.0L/Kg，方坯堆冷时间≥24h；

（6）轧制及冷却：钢坯出炉后除鳞，采用高压水冲尽氧化铁皮，水压≥13MPa，开轧温度960～1080℃；终轧温度890～930℃；吐丝温度850～870℃；风冷线辊道速度0.35～0.50m/s；水冷段控制集卷温度为550～650℃。

2.根据权利要求1所述的一种低Cr低Ni医疗器械用钢，其特征在于：所述钢材的屈服强度Rp_0.2为525～600MPa，抗拉强度Rm为880～1000MPa，延伸率A≥15%，断面收缩率Z≥46%，冲击吸收功Aku₂≥75J，225≤布氏硬度HB≤255。

3.如权利要求1或2所述的一种低Cr低Ni医疗器械用钢的生产方法，包括下述步骤：铁水→转炉/电炉冶炼→Ar站处理→LF精炼→RH真空处理→铸坯缓冷→线材轧制，其特征在于：

（1）转炉/电炉冶炼：出钢温度：1630～1650℃；终点成分要求：[C]0.08%～0.20%，[P]≤0.012%；出钢过程中，加入铝锭2.3～2.8Kg/t，保证钢水脱氧效果良好；同时加入合适的硅锰、硅铁、高碳铬铁及铜铁合金、脱氧材料，均在出钢1/3时加入，出钢4/5前加完；

（2）Ar站处理：进入氩站后，适当加大氩气量，吹氩强度为200～350m³/h，吹氩时间5～8min，让钢水与合金充分接触，不允许钢液大翻，氩后温度≥1560℃；Alt含量控制在0.060～0.080%；

（3）LF精炼：钢水进站温度≥1540℃；进入精炼炉后，取精炼第①样，要求Alt控制在0.050～0.070%，如果偏低，适当补加铝线或铝粒；再加入石灰5.3～8.0kg/t、石英砂材料直接调渣，调渣完毕根据钢中C、Si含量加入电石，进行扩散脱氧；碱度控制在2.5～4.0，白渣保持时间≥15min；精炼后期，再加入Ni板2kg/t，钢中各种成分调整到位后，同时要求Alt控制在0.030～0.040%，再加入适量的Ti铁；

（4）RH真空处理：真空保压时间15～20min；真空处理结束后，加入钙铁线2.5～3.5m/t；钙处理结束后，软吹时间10～12min，且吹氩强度适中，避免渣面有明显波动造成钢液面裸露，钢水被污染；

（5）连铸：钢包保护套管进行氩封保护浇注，配置电磁搅拌设备，电磁搅拌电流为350A，搅动频率为3.5Hz，拉速1.3～1.5m/min，二冷水比水量为0.7～1.0L/Kg，方坯堆冷时间≥24h；

（6）轧制及冷却：钢坯出炉后除鳞，采用高压水冲尽氧化铁皮，水压≥13MPa，开轧温度960～1080℃；终轧温度890～930℃；吐丝温度850～870℃；风冷线辊道速度0.35～0.50m/s；水冷段控制集卷温度为550～650℃。