CN114807721A - 低模数耐蚀合金及其用途 - Google Patents

低模数耐蚀合金及其用途 Download PDF

Info

Publication number
CN114807721A
CN114807721A CN202110108143.4A CN202110108143A CN114807721A CN 114807721 A CN114807721 A CN 114807721A CN 202110108143 A CN202110108143 A CN 202110108143A CN 114807721 A CN114807721 A CN 114807721A
Authority
CN
China
Prior art keywords
corrosion resistant
resistant alloy
low modulus
alloy
modulus corrosion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110108143.4A
Other languages
English (en)
Inventor
叶均蔚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN202110108143.4A priority Critical patent/CN114807721A/zh
Publication of CN114807721A publication Critical patent/CN114807721A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C22C30/04—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing tin or lead
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L17/00—Materials for surgical sutures or for ligaturing blood vessels ; Materials for prostheses or catheters
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/047—Other specific metals or alloys not covered by A61L27/042 - A61L27/045 or A61L27/06
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/06—Titanium or titanium alloys
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L31/00—Materials for other surgical articles, e.g. stents, stent-grafts, shunts, surgical drapes, guide wires, materials for adhesion prevention, occluding devices, surgical gloves, tissue fixation devices
    • A61L31/02—Inorganic materials
    • A61L31/022—Metals or alloys
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L31/00—Materials for other surgical articles, e.g. stents, stent-grafts, shunts, surgical drapes, guide wires, materials for adhesion prevention, occluding devices, surgical gloves, tissue fixation devices
    • A61L31/14—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C16/00—Alloys based on zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/02—Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C22C30/02—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent containing copper
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/12—Materials or treatment for tissue regeneration for dental implants or prostheses
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/24—Materials or treatment for tissue regeneration for joint reconstruction

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明主要提供一种低模数耐蚀合金，其由五种主要元素组成，其中所述五种主要元素为Zr、Nb、Ti、Mo和Sn。依据本发明的设计，其至少由大于或等于31wt％的Zr、18～50wt％的Nb、10～40wt％的Ti、4～10wt％的Mo以及1.5～15wt％的Sn等多种元素所组成；其中，Zr与Ti的重量百分比总和小于或等于80wt％。实验数据显示，本发明的低模数耐蚀合金的多个样品皆具有以下性质：维氏硬度大于HV250、杨氏模量小于100GPa、屈服强度大于600MPa以及孔蚀电位大于1.3V。因此，实验数据证明，本发明的低模数耐蚀合金具有应用于制作外科植入材料或医疗器械的高度潜力，亦可应用于如弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材等各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。

Description

低模数耐蚀合金及其用途
技术领域
本发明是关于合金材料的相关技术领域，尤指一种低模数耐蚀合金。
背景技术
生医材料为一种具有生物兼容性且可植入活体系统中用以取代或修补活体系统之部分的材料，包括：合金材料、高分子材料以及陶瓷材料。其中，常见的合金生医材料(Alloy as biomedical material) 可进一步分为：不锈钢、钴基合金以及钛合金。不锈钢具有易加工、价格低廉和高屈服强度的特性，因此最早被开发应用为生医材料。
不锈钢是由铁、铬、碳及其它众多元素所组成的合金，其中，铁与铬为不锈钢组成的主要元素，且铬的重量百分比至少要11wt％。通用型号304不锈钢为18Cr-8Ni的合金钢，其被加工制造为骨板及骨钉。补充说明的是，18和8指的是铬(Cr)和镍(Ni)的重量百分比的数值，且304不锈钢为Stainless Steel 304，其缩写为SS304或SUS304。相较于304不锈钢，316不锈钢被进一步添加了含量为2-3wt％的钼 (Mo)，因此具有更好的耐酸、耐腐蚀(氯化物)与耐高温性质。另一方面，通过将316不锈钢的碳含量由0.08wt％降低至0.03wt％即获得通用型号为316L的低碳不锈钢。目前，316L不锈钢常用于人工关节的制作。可惜的是，临床数据显示，在长时间植入人体后，316L不锈钢会因为受到腐蚀或磨损而导致金属离子释出至血液或组织之中，从而引起造成人体不良反应。同时，临床数据亦指出，316L不锈钢的密度及杨氏模量较大，因此会引起应力遮蔽效应(stress shielding effect) 从而影响骨骼正常发展。
钴基合金为由钴、铬、钼及其它众多元素所组成的合金，其耐腐蚀性比不锈钢高40倍。Co-28Cr-6Mo合金是钴基合金的一种，一般采用铸造工艺(Co-Cr-Mo合金(F75))、锻造工艺(Co-Cr-W-Ni合金(F90)、 Co-Ni-Cr-Cr-Mo合金(F562)、Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563))和粉末冶金技术等工艺制造，主要被用于人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉、与骨针的制作。由于钴基合金在人体内多保持钝化状态，因此具有极佳的耐蚀性。可惜的是，临床案例指出，在植入由钴基合金制成的髋关节二至三年后，患者感到关节周围疼痛和植入物松脱等症状发生。另一方面，Co-28Cr-6Mo密度约8.25g/cm3且杨氏模量约220MPa，两者皆高于316L不锈钢，其力学兼容性表现差于316L 不锈钢。
钛及钛合金的密度在4.5g/cm3左右，约为不锈钢和钴基合金的一半，接近人体硬组织，且其生物兼容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴基合金，为目前已知生物兼容性最佳的金属生医材料，其中又以Ti-6A1-4V钛合金获得最多的生医材料应用。在植入人体后，其生成在其表面得氧化钛(TiO2)具有诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨结合能力，适合作为骨内埋植物。可惜的是，Ti-6A1-4V表面生成的氧化层(TiO2+Al2O3)为不均质且具多孔性，氧化层和晶粒易破裂及剥落，产生严重氧化磨耗及剥层磨耗。故而，相较于不锈钢与钴基合金，Ti-6A1-4V钛合金显示出的强度不够以及磨耗阻抗能力不佳等缺点。此外，Ti-6A1-4V钛合金和骨骼的杨氏模量分别为116GPa与30GPa，两者之杨氏模量差距容易引发应力遮蔽效应。
由上述说明可知，现有的合金生医材料于实务应用上存在着以下缺陷：
(1)强度不够及磨耗阻抗能力不佳；
(2)高杨氏模量易引发应力遮蔽效应；以及
(3)耐腐蚀性不佳。
换句话说，现有的合金生医材料仍具有诸多需要加以改善之处。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成一种低模数耐蚀合金及其用途。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低模数耐蚀合金，其由五种主要元素组成，其中所述五种主要元素为Zr、Nb、Ti、Mo和Sn。依据本发明的设计，其至少由大于或等于31wt％的Zr、18～50wt％的Nb、10～40wt％的Ti、4～10wt％的Mo以及1.5～15wt％的Sn等多种元素所组成；其中， Zr与Ti的重量百分比总和小于或等于80wt％。实验数据显示，本发明的低模数耐蚀合金的多个样品皆具有以下性质：维氏硬度大于HV250、杨氏模量小于100GPa、屈服强度大于600MPa以及孔蚀电位大于1.3V。因此，实验数据证明，本发明的低模数耐蚀合金具有应用于制作外科植入材料或医疗器械的高度潜力，亦可应用于如弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材等各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。
为达成上述目的，本发明提出所述低模数耐蚀合金的一第一实施例，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa 的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为 xZr-yNb-zTi-aMo-bSn；
其中，x、y、z、a和b皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a 和b满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5 ≦b≦15以及x+z≦80。
并且，本发明同时提出所述低模数耐蚀合金的一第二实施例，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为 xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-sM。
其中，M为选自于由钽(Ta)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)、钒(V)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、碳(C)和氧(O)所组成群组之中的至少一种元素；
其中，x、y、z、a、b和s皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a、b和s满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15、s≦5以及x+z≦80。
为达成上述目的，本发明同时提出所述低模数耐蚀合金的一第三实施例，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于 600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为 xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-cFe；
其中，x、y、z、a、b和c皆为重量百分比的数值，且x、y、z、 a、b和c满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、 1.5≦b≦15、c≦5、以及x+z≦80。
进一步地，本发明同时提出所述低模数耐蚀合金的一第四实施例，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa 的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为 xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-cFe-sM；
其中，M为选自于由钽(Ta)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)、钒(V)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、碳(C)和氧(O)所组成群组之中的至少一种元素；
其中，x、y、z、a、b、c和s皆为重量百分比的数值，且x、y、 z、a、b、c和s满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4 ≦a≦10、1.5≦b≦15、c≦5、s≦5以及x+z≦80。
在一实施例中，所述低模数耐蚀合金的铸造态、滚轧态或退火态的一主相晶体结构皆为体心立方结构(Body-centered cubic structure)。
在可行的实施例中，所述低模数耐蚀合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。
在可行的实施例中，所述低模数耐蚀合金的形态为下列任一者：粉末、线材、棒材、板材、焊条或块材。
进一步地，本发明同时提供一种低模数耐蚀合金的用途，其用于一外科植入材料或一医疗器械的制造。亦可应用于如弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材等各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的一种低模数耐蚀合金及其用途，以下将配合实验资料详尽说明本发明的较佳实施例。
本发明的所述低模数耐蚀合金主要由三种生物兼容性佳的锆 (Zr)、铌(Nb)、钛(Ti)及两种生物兼容性中等的钼(Mo)、锡(Sn)金属元素组成，其成分至少由大于或等于31wt％的Zr、18～50wt％的Nb、 10～40wt％的Ti、4～10wt％的Mo以及1.5～15wt％的Sn等多种元素构成；其中，Zr与Ti的重量百分比总和小于或等于80wt％。此外，所述低模数耐蚀合金的主相晶体结构皆为体心立方结构(Body-centered cubic structure)，且具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位。
实施例一
在实施例一中，本发明的所述低模数耐蚀合金具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn。其中，x、y、 z、a和b皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a和b满足以下不等式： x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15以及x+z≦80。举例而言，所述低模数耐蚀合金包括：31wt％的锆(Zr)、45.8wt％的铌 (Nb)、16.3wt％的钛(Ti)、4.9wt％的钼(Mo)以及2wt％的锡(Sn)。在此情况下，所述低模数耐蚀合金的组成为31Zr-45.8Nb-16.3Ti-4.9Mo-2Sn，亦即，x＝31、y＝45.8、z＝16.3、a＝4.9且b＝2。
实施例二
在实施例二中，本发明的所述低模数耐蚀合金具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-sM。其中，M 为选自于由钽(Ta)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)、钒(V)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、碳(C)和氧(O)所组成群组之中的至少一种元素。依据本发明的设计，x、y、z、a、b和s皆为重量百分比的数值，且x、 y、z、a、b和s满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4 ≦a≦10、1.5≦b≦15、s≦5、以及x+z≦80。举例而言，所述低模数耐蚀合金包括：45.7wt％的锆(Zr)、18.4wt％的铌(Nb)、19.5wt％的钛 (Ti)、4.3wt％的钼(Mo)、7.1wt％的锡(Sn)、2wt％的铝(Al)、1wt％的钒 (V)、1wt％的镍(Ni)以及1wt％的铂(Pt)。在此情况下，所述合金组成为 45.7Zr-18.4Nb-19.5Ti-4.3Mo-7.1Sn-2Al-1V-1Ni-1Pt，亦即，x＝45.7、 y＝18.4、z＝19.5、a＝4.3、b＝7.1且s＝5。
实施例三
在实施例三中，本发明的所述低模数耐蚀合金具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-cFe。其中，x、 y、z、a、b和c皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a、b和c满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15、 c≦5以及x+z≦80。举例而言，所述低模数耐蚀合金包括：53wt％的锆 (Zr)、21.6wt％的铌(Nb)、15.9wt％的钛(Ti)、4.8wt％的钼(Mo)、4wt％的锡(Sn)、以及0.7wt％的铁(Fe)。在此情况下，所述低模数耐蚀合金的组成为53Zr-21.6Nb-15.9Ti-4.8Mo-4Sn-0.7Fe，亦即，x＝53、y＝21.6、 z＝15.9、a＝4.8、b＝4且c＝0.7。
实施例四
在实施例四中，本发明的所述低模数耐蚀合金具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-cFe-sM。其中， M为选自于由钽(Ta)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)、钒(V)、镍 (Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、碳(C)和氧(O)所组成群组之中的至少一种元素。依据本发明的设计，x、y、z、a、b、c和s皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a、b、c和s满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、 10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15、c≦5、s≦5以及x+z≦80。举例而言，所述低模数耐蚀合金包括：52wt％的锆(Zr)、20.6wt％的铌(Nb)、15.9wt％的钛(Ti)、4.8wt％的钼(Mo)、4wt％的锡(Sn)、0.7wt％的铁(Fe)、 1wt％的钴(Co)以及1wt％的钽(Ta)。在此情况下，所述合金组成为 52Zr-20.6Nb-15.9Ti-4.8Mo-4Sn-0.7Fe-1Co-1Ta，亦即，x＝52、y＝20.6、 z＝15.9、a＝4.8、b＝4、c＝0.7且s＝2。
值得说明的是，本发明的低模数耐蚀合金可利用真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、或者粉末冶金法制成。所制得的本发明的低模数耐蚀合金的铸造态、滚轧态或退火态的一主相晶体结构皆为体心立方结构(Body-centeredcubic structure)。并且，本发明的低模数耐蚀合金的成品或半成品的形态可为粉末、线材、棒材、板材、焊条或块材。因此，熟悉合金材料设计与制造的工程师能够根据其工程经验将本发明的低模数耐蚀合金的成品或半成品进行加工，以便将其加工制造为一外科植入材料或一医疗器械。举例而言，所述外科植入材料如人工髋关节、人工膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉、骨针、牙冠、冠钉、固定桥、义齿卡环、基托等，且所述医疗器械如手术刀片、止血钳、手术剪、电动骨钻、镊子、血管缝合针、胸骨缝合线等。此外，亦可应用于如弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材等各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。补充说明的是，前述的加工方式可以是铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、3D积层制造、机械加工或化学加工。
为了证实本发明的低模数耐蚀合金组成与技术特征的确能够被据以实施，以下将通过多组实验数据的呈现，加以证实。
实验例一
在实验例一中，利用真空电弧熔炼炉来制造本发明的低模数耐蚀合金的多个样品，其中多个所述样品的组成整理于下表(1)中。接着，制作各个样品的试片用于进行硬度量测、拉伸试验、微结构分析以及动电位极化测试，且相关实验数据整理于下表(2)之中。
表(1)
样品 合金组成
#1 31Zr-45.8Nb-16.3Ti-4.9Mo-2Sn
#2 31Zr-45.8Nb-15.3Ti-4.9Mo-1.5Sn-1.5Fe
#3 35.7Zr-41.1Nb-16.3Ti-4.9Mo-2Sn
#4 35.7Zr-41.1Nb-14.3Ti-4.9Mo-1.5Sn-2.5Fe
#5 40.4Zr-36.4Nb-16.3Ti-4.9Mo-2Sn
#6 40.4Zr-36.4Nb-13.3Ti-4.9Mo-1.5Sn-3.5Fe
#7 45.1Zr-31.7Nb-16.3Ti-4.9Mo-2Sn
#8 45.1Zr-31.7Nb-13.3Ti-4.9Mo-1.5Sn-3.5Fe
#9 54.5Zr-22.2Nb-16.3Ti-5Mo-2Sn
#10 54.5Zr-22.2Nb-12.8Ti-5Mo-1.5Sn-4Fe
#11 52Zr-21.1Nb-15.6Ti-9.4Mo-1.9Sn
#12 52Zr-21.1Nb-15.1Ti-9.4Mo-1.9Sn-0.5Fe
表(2)
Figure RE-GDA0002986690300000081
Figure RE-GDA0002986690300000091
由上表(2)可以发现，本发明的低模数耐蚀合金的12种样品皆具有以下性质：维氏硬度大于HV250、杨氏模量小于100GPa、屈服强度大于600MPa以及孔蚀电位大于1.3V。
实验例二
在实验例二中，同样利用真空电弧熔炼炉来制造本发明的低模数耐蚀合金的多个样品，其中多个所述样品的组成整理于下表(3)中。接着，制作各个样品的试片用于进行硬度量测、拉伸试验、微结构分析以及动电位极化测试，且相关实验数据整理于下表(4)中。
表(3)
Figure RE-GDA0002986690300000092
Figure RE-GDA0002986690300000101
表(4)
Figure RE-GDA0002986690300000102
Figure RE-GDA0002986690300000111
由上表(4)可以发现，本发明的低模数耐蚀合金的22种样品皆具有以下性质：维氏硬度大于HV250、杨氏模量小于100GPa、屈服强度大于600MPa以及孔蚀电位大于1.3V。
实验例三
在实验例三中，同时对本发明的低模数耐蚀合金的多个样品、316L 不锈钢、Co-28Cr-6Mo钴合金以及Ti-6A1-4V钛合金进行多种项目的测试，且相关测试数据系整理于下表(5)之中。
表(5)
Figure RE-GDA0002986690300000112
Figure RE-GDA0002986690300000121
由上表(5)可以发现，本发明的低模数耐蚀合金的样品有高于 HV250的维氏硬度、低于100GPa的杨氏模量、高于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位。显然地，本发明的低模数耐蚀合金的机械性质和抗腐蚀性皆明显优于现有的316L不锈钢、钴铬合金及钛合金。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明所提供的一种低模数耐蚀合金的所有实施例及其实验数据。并且，由上述说明可知本发明具有以下特征及优点：
(1)本发明主要提供一种高强度低模数合金，其由五种主要元素组成，其中所述五种主要元素为Zr、Nb、Ti、Mo和Sn。依据本发明的设计，Zr与Ti的重量百分比总和小于或等于80wt％，且Zr的重量百分比系大于或等于31wt％。实验数据显示，本发明的低模数耐蚀合金的多个样品皆具有以下性质：维氏硬度大于HV250、杨氏模量小于100GPa、屈服强度大于600MPa以及孔蚀电位大于1.3V。
(2)并且，实验数据证明，本发明的低模数耐蚀合金具有应用于制作外科植入材料或医疗器械的高度潜力，亦可应用于如弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材等各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。
然而，必须加以强调的是，前述本案所提供者乃为较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟知该项技艺之人所易于推知者，俱不脱本案的专利权范畴。

Claims (12)

1.一种低模数耐蚀合金，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度、以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn；
其中，x、y、z、a和b皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a和b满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15以及x+z≦80。
2.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，其铸造态、滚轧态或退火态的一主相晶体结构皆为体心立方结构。
3.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，还包括至少一元素M，而使其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-sM；其中，M为选自于由钽、铂、银、金、铝、钒、镍、铜、钴、碳和氧所组成群组之中的至少一种元素，且s为重量百分比的数值并其满足不等式s≦5。
4.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，其特征在于，所述低模数耐蚀合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。
5.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，其特征在于，所述低模数耐蚀合金的形态为下列任一者：粉末、线材、棒材、板材、焊条或块材。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的低模数耐蚀合金的用途，其用于一外科植入材料或一医疗器械的制造，亦可用于弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。
7.一种低模数耐蚀合金，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-cFe；
其中，x、y、z、a、b和c皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a、b和c满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15、c≦5、以及x+z≦80。
8.根据权利要求7所述的低模数耐蚀合金，其铸造态、滚轧态或退火态的一主相晶体结构皆为体心立方结构。
9.根据权利要求7所述的低模数耐蚀合金，还包括至少一元素M，而使其组成为xZr-yNb-zTi-aMo-bSn-cFe-sM；其中，M为选自于由钽、铂、银、金、铝、钒、镍、铜、钴、碳和氧所组成群组之中的至少一种元素，且s为重量百分比的数值并其满足不等式s≦5。
10.根据权利要求7所述的低模数耐蚀合金，其特征在于，所述低模数耐蚀合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。
11.根据权利要求7所述的低模数耐蚀合金，其特征在于，所述低模数耐蚀合金的形态为下列任一者：粉末、线材、棒材、板材、焊条或块材。
12.一种根据权利要求7-11中任一项所述的低模数耐蚀合金的用途，其用于一外科植入材料或一医疗器械的制造，亦可应用于弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。
CN202110108143.4A 2021-01-27 2021-01-27 低模数耐蚀合金及其用途 Pending CN114807721A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110108143.4A CN114807721A (zh) 2021-01-27 2021-01-27 低模数耐蚀合金及其用途

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110108143.4A CN114807721A (zh) 2021-01-27 2021-01-27 低模数耐蚀合金及其用途

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114807721A true CN114807721A (zh) 2022-07-29

Family

ID=82524657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110108143.4A Pending CN114807721A (zh) 2021-01-27 2021-01-27 低模数耐蚀合金及其用途

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114807721A (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6238491B1 (en) * 1999-05-05 2001-05-29 Davitech, Inc. Niobium-titanium-zirconium-molybdenum (nbtizrmo) alloys for dental and other medical device applications
JP2006183104A (ja) * 2004-12-28 2006-07-13 Aichi Steel Works Ltd 冷間加工性に優れた高強度チタン合金
CN101569763A (zh) * 2009-03-30 2009-11-04 上海理工大学 一种生物医用β-钛合金材料及其制备方法
CN101696480A (zh) * 2009-11-04 2010-04-21 天津科技大学 无镍生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料及其制备方法
CN108950303A (zh) * 2018-08-03 2018-12-07 燕山大学 一种强韧钛合金及其制备方法
US20190111482A1 (en) * 2016-02-08 2019-04-18 Abdelmadjid Djemai Process for producing a beta-alloy Titanium Niobium Zirconium (TNZ) with a very low modulus of elasticity for biomedical applications and its embodiment by additive manufacturing.
CN110218908A (zh) * 2019-07-25 2019-09-10 哈尔滨工业大学 一种Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb高强耐蚀钛合金及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6238491B1 (en) * 1999-05-05 2001-05-29 Davitech, Inc. Niobium-titanium-zirconium-molybdenum (nbtizrmo) alloys for dental and other medical device applications
JP2006183104A (ja) * 2004-12-28 2006-07-13 Aichi Steel Works Ltd 冷間加工性に優れた高強度チタン合金
CN101569763A (zh) * 2009-03-30 2009-11-04 上海理工大学 一种生物医用β-钛合金材料及其制备方法
CN101696480A (zh) * 2009-11-04 2010-04-21 天津科技大学 无镍生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料及其制备方法
US20190111482A1 (en) * 2016-02-08 2019-04-18 Abdelmadjid Djemai Process for producing a beta-alloy Titanium Niobium Zirconium (TNZ) with a very low modulus of elasticity for biomedical applications and its embodiment by additive manufacturing.
CN108950303A (zh) * 2018-08-03 2018-12-07 燕山大学 一种强韧钛合金及其制备方法
CN110218908A (zh) * 2019-07-25 2019-09-10 哈尔滨工业大学 一种Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb高强耐蚀钛合金及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hanawa Overview of metals and applications
Kunčická et al. Advances in metals and alloys for joint replacement
Mehjabeen et al. Zirconium alloys for orthopaedic and dental applications
Mohammed et al. Beta titanium alloys: the lowest elastic modulus for biomedical applications: a review
Baltatu et al. Biocompatible titanium alloys used in medical applications
Roach Base metal alloys used for dental restorations and implants
JP5192382B2 (ja) 増大した酸素含有量を有していて改善された機械的特性を示すチタン合金
Niinomi Recent metallic materials for biomedical applications
Davidson et al. New surface-hardened, low-modulus, corrosion-resistant Ti-13Nb-13Zr alloy for total hip arthroplasty
US5169597A (en) Biocompatible low modulus titanium alloy for medical implants
Hosseini et al. Fatigue of ti-6al-4v
EP0437079A1 (en) Biocompatible low modulus titanium alloy for medical implants
CN101921929B (zh) 用于骨科植入的含氧医用β钛合金及其制备方法
Abd-Elaziem et al. Titanium-Based alloys and composites for orthopedic implants Applications: A comprehensive review
Andersen 1.1 Metals for use in medicine
Radenković et al. Metallic biomaterials
Desai et al. Metallic and ceramic biomaterials: current and future developments
Peter et al. Study of Ti-enriched CoCrMo alloy for dental application
Kanapaakala et al. A review on β-Ti alloys for biomedical applications: The influence of alloy composition and thermomechanical processing on mechanical properties, phase composition, and microstructure
KR20060101715A (ko) 생체 적합성이 우수한 저탄성계수 티타늄기 합금소재 및 그제조방법
CN101760668B (zh) 一种低弹性模量的生物医用钛合金
Ahmed et al. Precision machining of medical devices
Biesiekierski et al. Material selection for medical devices
Niinomi Co–Cr-based alloys
JP7169014B2 (ja) 低モジュラス耐食合金

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination