CN1519387A - 一种医用植入奥氏体不锈钢材料 - Google Patents
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Abstract
一种医用植入奥氏体不锈钢，其特征在于化学成分组成重量百分比为：铬Cr 17～22，锰Mn 12～20，钼Mo 1～3，铜Cu 0.5～1.5，氮N 0.40～0.7，镍Ni≤0.02，碳C≤0.03，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025，铁Fe余量。采用真空感应炉冶炼，钢中的氮通过粒状高氮合金(如FeCrN、CrN、MnN)的方式加入。本发明医用无镍奥氏体不锈钢不含毒性镍元素，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。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，而且也可广泛应用于化工、环保等领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种医用植入无镍奥氏体不锈钢材料及其应用。
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，致使其中的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。最近研究发现，不锈钢中含有镍元素的副作用还影响到冠脉支架手术后的再狭窄。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。
结构用无镍不锈钢材料早在上世纪50年代就得到发展和应用，其优良的综合性能使其获得了较好的应用。由于镍对人体的毒性，近几十年发展医用无镍不锈钢逐渐在国内外展开。
发明内容：
本发明的目的是提供一种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，且价格相对低廉的无镍氮强化奥氏体不锈钢。
本发明提供了一种高氮奥氏体不锈钢，其特征在于化学成分组成重量百分比为：铬Cr 17～22，锰Mn 10～20，钼Mo 1～3，铜Cu 0.5～1.5，氮N 0.40～0.7，镍Ni≤0.02，碳C≤0.03，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025，铁Fe余量。
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)％。本发明医用无镍奥氏体不锈钢由于抛弃了贵重的镍元素，所以廉价的氮元素就成为一种重要的合金元素，氮的奥氏体化能力大约是镍的20-30倍。为保证钢的单一奥氏体结构，氮含量应大于，钢中加入太多的氮容易形成钢中气孔，而且提高炼钢成本，建议氮含量控制在0.70(wt)％以下。同时氮还可提高钢的耐点蚀性能。
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10(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23(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2-3(wt)％。
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，所以必须控制铜含量不大于1.5(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0.020(wt)％以下，以提高钢的综合性能。
本发明还提供了上述医用植入无镍奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于后处理工艺为：
热加工：钢锭于1050～1150℃均匀化处理2～6小时，开坯，分多火锻造成棒材和初轧坯料，终锻温度不低于950℃。
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。
本发明无镍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时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，并有可能逐步取代现有的镍铬医用不锈钢，而且也可广泛应用于化工、环保等领域。
附图说明：
图1为无镍高氮奥氏体不锈钢热处理后的金相照片，显示出奥氏体单相组织，这为不锈钢具有良好的综合性能提供了结构保证。
图2为医用无镍不锈钢和传统医用316L不锈钢在37℃0.9％NaCl溶液中的阳极极化曲线，表明新型医用无镍不锈钢的耐蚀性能和316L不锈钢相比更为优异，特别是耐点蚀性能，这为医用金属材料长期植入安全性提供了最基本前提。
具体实施方式：
本发明医用无镍奥氏体不锈钢采用普通真空感应炉(不加正压)冶炼，冶炼所得不锈钢经过以下加工及热处理：
热加工：钢锭于1100℃±15℃均匀化处理2小时以上，开坯，分两火锻造成棒材和初轧坯料，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：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。
所得棒材和轧制板材的力学性能：σb≥780MPa，σ0.2≥400MPa，δ5≥50％，ψ≥60％，Hv0.5＝190-320，ak≥120J/cm2。
实施例：
根据本发明所设定的化学成分范围，在25公斤容量真空感应炉内冶炼了4炉钢，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，并按以上加工及热处理规范进行加工。
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(如图1所示)，测得的力学性能如表2所示。采用电化学方法研究了医用无镍奥氏体不锈钢在37℃等效生理溶液中的阳极极化曲线，结果表明新型无镍不锈钢的耐蚀性能和医用316L不锈钢相比更为优异，特别是耐点蚀性能，如图2所示。测量新型医用无镍不锈钢在37℃的人工血浆等效溶液中的耐点蚀电位约为550mv，而医用316L不锈钢约为370mv。从实施例可以看出，氮的添加有效地替代了镍的作用，本发明医用无镍奥氏体不锈钢的强韧性和耐蚀性已达到和超过传统镍铬医用不锈钢的水平。
表1 真空感应炉冶炼的高氮钢的化学成分
| 炉号 | C | Cr | Mn | N | Mo | Cu | Ni | Si | S | P |
| 1 | 0.029 | 17.05 | 12.58 | 0.46 | 2.38 | 1.44 | 0.01 | 0.42 | 0.003 | 0.0065 |
| 2 | 0.016 | 17.58 | 12.77 | 0.43 | 2.35 | 0.88 | 0.02 | 0.45 | 0.0056 | 0.007 |
| 3 | 0.017 | 17.64 | 12.96 | 0.40 | 2.34 | 0.86 | 0.02 | 0.45 | 0.0054 | 0.0052 |
| 4 | 0.018 | 17.61 | 12.76 | 0.41 | 2.38 | 0.86 | 0.01 | 0.48 | 0.005 | 0.0074 |
表2 真空感应炉冶炼的高氮钢的力学性能
| 炉号 | 屈服强度σ0.2(MPa) | 抗拉强度σb(MPa) | 延伸率δ5(％) | 截面收缩率ψ(％) | 夏比V型冲击功ak(J/cm2) | 硬度Hv0.5 |
| 1 | 555 | 936 | 51 | 65 | 124 | 286 |
| 2 | 450 | 812 | 60 | 73 | 193 | 270 |
| 3 | 428 | 794 | 55 | 63 | 164 | 252 |
| 4 | 430 | 802 | 59 | 70 | 171 | 246 |
工艺试验表明，该医用无镍奥氏体不锈钢具有良好的热加工和冷加工性能以及优良的耐蚀性能。
Claims (3)
1、一种医用植入奥氏体不锈钢材料，其特征在于化学成分组成重量百分比为：铬Cr 17～22，锰Mn 12～20，钼Mo 1～3，铜Cu 0.5～1.5，氮N 0.40～0.70，镍Ni≤0.02，碳C≤0.03，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025，铁Fe：余量。
2、一权利要求1所述医用植入奥氏体不锈钢材料的制备方法，其特征在于合金的后处理工艺为：
热加工：钢锭于1050～1150℃均匀化处理2～6小时，开坯，分多火锻造成棒材和初轧坯料，终锻温度不低于950℃。
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。
3、权利要求1所述无镍医用植入不锈钢材料，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，或者应用于化工、环保等领域。
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