CN1758928A - 析出硬化马氏体不锈钢的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铬镍马氏体析出硬化不锈钢的用途，所述不锈钢具有下述成分(按照重量百分比)的：10－14％的Cr，7－11％的Ni，0.5－6％的Mo，0.5－4％的Cu，0.05－0.55％的Al，0.4－1.4％的Ti，高达0.3％的C+N，低于0.05％的S，低于0.05％的P，高达0.5％的Mn，高达0.5％的Si，分别高达0.2％的Ta，Nb，V和W，可能的9.0％的Co，可能的0.0001－0.1％的B，剩余成分包括铁以及通常的杂质。所述不锈钢用于制造短期或者长期用于人体内部和外部的外科植入物和骨接合产品。

Description

析出硬化马氏体不锈钢的用途

技术领域

本发明涉及析出硬化马氏体不锈钢的新颖用途，特别是其在医疗应用领域中的用途，例如应用于或者保持在人体内部或外部的植入物以及骨接合产品。

背景技术

析出硬化马氏体不锈钢已在WO 93/07303中所公知。该专利描述了一种不锈钢成分，其同时结合有非常高的强度和优良的延展性。该不锈钢被描述为尤其适用于制造注射管、牙科器械以及医疗器械等。

在WO 01/14601 A1中描述了一种通过一系列的工序制造医疗或者牙科器械的方法，所述工序包括析出硬化、回火、淬火以及硬化，其结果在于产生至少为450HV的均匀硬度。

通过实例指出，析出硬化马氏体不锈钢可以利用上述所规定的工艺用于制造医疗器械。

对于不锈钢在医疗应用领域例如植入物以及骨接合产品中的具体应用，存在多个应该予以满足的边界条件。

根据其应用目的，植入物以及骨接合产品例如板、以及固定元件如螺钉和钉，具有非常不利的几何形状，即，例如不利的长度对厚度和/或直径的比。由于其不利的几何形状，这种植入物以及骨接合产品对于在实际应用中所频繁的施加的轻或重的弯曲载荷非常敏感。植入物和/或骨接合产品的即使最轻微的、难以觉察到的弯曲亦能在下次施加载荷时导致其断裂。因为在实际中经常施加有非常高的弯曲载荷，这时常导致植入物和骨接合产品发生断裂。这意味着它们不仅具有较短的使用期限，而且还存在伤害患者的危险。

因此急需具有高硬度、抗腐蚀并且同时与现有植入物和骨接合产品相比不易断裂的植入物和骨接合产品。除了硬度以及抗断裂安全性之外，同时能够抗腐蚀并且具有生物相容性是及其重要的。使用中的腐蚀性介质的例子如血液以及其它体液。因此如果这种植入物和骨接合产品由于腐蚀或者冲击而损坏，则存在如此危险，即患者将受到腐蚀残留物的污染并且产生危险的术后并发症。

另一种典型的应用领域为外科手术。这里金属板、钉以及螺钉，即所谓的骨接合产品，经常用于连接发生断裂的或者在手术中被锯开的骨头，即，它们被植入。然后通常一直保留这些植入物直至骨头完全愈合并且进一步保留在患者体内。已知的市售骨接合产品利用所谓的不锈钢例如上述的钢种进行制造。因为对于这种骨接合产品，除了机械和腐蚀特性之外，还对生物相容性具有很高的要求，所以适于制造这种产品的材料仅有有限的选择范围(并非示于下面的表1中的所有材料满足该条件)。已经发现，现有植入物的抗断裂性能特别是长时期留置之后，是很差的。因此，患者在术后初期不得不格外谨慎并且对结合有这种骨接合产品的骨头仅能轻微用力。为了防止未充分利用的有关肌肉组织发生退化，必需尽快的在医疗性锻炼的辅助下减缓这种退化，但是这种退化不能避免。如果患者并未对做过手术的骨头给予应有的注意或者由于不适当的运动，则弯曲载荷可能施加到骨接合产品或者植入物上并且它们将最终断裂。这不仅将导致利用植入物所期望的将骨头断裂部分相互接合在一起的目的无法实现，而且经常是比较锐利的植入物还能够对患者造成严重的损伤。在任何情形下，当植入物破裂时，必需对患者进一步施加手术以矫正这种破坏。由于所述产品的低强度，还存在螺纹板由于微小振动而变松脱的额外危险，由此延长了骨头愈合期。

因此急需一种稳定的、耐腐蚀的并且生物相容的骨接合产品或者植入物，其同时结合有高强度值和优良的延展性。

当前，一系列公知的并且具有充分认识的合金种类用于形成和制造这种工具和植入物。这些合金包括马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢以及析出硬化不锈钢。这些已知合金的每一种均具有多个良好的材料特性，例如耐腐蚀性、强度、可锻性和/或延展性，但是每种合金还都具有其缺点并且不能满足特定的产品要求。从目前市售的旋转工具、外科植入物、外科骨接合产品如外科板、螺钉和钉等的实际应用中已经存在复杂的问题和缺点。

下表示出多种经常使用的钢材的成分。

表1：各种已知钢材的按重量百分比的成分；剩余成分：铁

合金	C	Si	Mn	S	Cr	Ni	Mo	Cu	Ti	N	P
												AISI 420	0.36	0.15	0.30	＜0.020	13.5	＜0.3
AISI 420F	0.22	0.58	1.58	0.175	13.0	0.8	1.2
												AISI 304	0.060	0.66	1.22	0.002	18.6	8.6	0.2
ISO 5832-1-D	＜0.03	＜1.0	＜2.0	＜0.01	17.5	14	2.8	＜0.5		＜0.1	＜0.025
												ISO 5832-9	0.08	＜0.75	3.6	＜0.01	20.5	10.0	2.5	＜0.25		04	＜0.025
Carpenter455	0.006	0.07	0.03	0.004	11.4	8.3	＜0.1	2.2	1.2
												C455(V)	0.004	0.04	0.15	0.002	11.8	9.1	＜0.1	2.0	1.6
1.4108	0.31	0.68	0.41	0.002	15.54	0.16	0.97			0.41	0.017
												1.4112	0.85-0.95	＜1.0	＜1.0	0.030	17.0-19.0		0.9-1.3				0.040

马氏体不锈钢例如AISI 420型可以提供高强度，但其并不结合有延展性。奥氏体不锈钢例如AISI 300系列能够提供优良的耐腐蚀性，并结合有高强度以及某些应用所能接受的延展性，但是为了实现高强度，深度冷轧是必需的，并且这意味着即使半成品也应该具有很高的强度，这反之则导致不良的可锻性。析出硬化不锈钢族具有各种不同的等级并且均具有不同的特性。然而它们的确具有多个共性：例如，它们之中的大部分均在真空中以单程或者更通常的以双程工艺进行熔炼，其中第二阶段包括在真空下熔炼。除了这一点，大量的析出成形元素例如铝、铌、钽和钛，是必需的并且经常将这些元素相结合。此处术语“大量的”表示＞1.5％。大的量有利于提高强度但是降低了延展性和可锻性。在美国专利说明书3 408 871中公开了一种钢型。该钢型为成品提供可接受的延展性，但是仅具有大约2,000N/mm²的强度。其在半成品加工期间还可能具有某些缺陷。例如该钢材易于在退火状态中破裂。

发明内容

本发明一个方面涉及析出硬化马氏体不锈钢的使用，该不锈钢具有下述的成分，用于制造应用或者保留在人体内部或外部的外科植入物、外科骨接合产品、外科板、螺钉和钉等。已经观察到的本发明的一个惊人效果在于，所述的析出硬化马氏体不锈钢在这些其中高的抗断裂和抗弯曲性与硬度和耐腐蚀特性相结合是极端关键因素的应用中具有优点。

本发明的已被观察到的另一个惊人效果在于，下述钢材有利的结合有优良的生物相容性和优良的耐腐蚀性、高的延展性、高的可锻性以及约为2,500-3,000N/mm²的特别高的强度。这种结合使得能够有利的将所述钢材用于医疗应用领域，其中材料在患者体内保留较短或较长的时间。

本发明所述的析出硬化马氏体不锈钢应该具有下述的成分：

Cr	10-14
		Ni	7-11
Mo	0.5-6
		Cu	0.5-4
Al	0.05-0.55
		Ti	0.4-1.4
C+N	高达0.3
		S	低于0.05
P	低于0.05
		Mn	高达0.5
Si	高达0.5
		Ta，Nb，V和W	分别高达0.2
Co	如果施加，则可高达9.0
		B	如果施加，则可为0.0001-0.1

其中剩余成分包括铁以及通常的杂质。

具体实施方式

在用于本发明用途的钢材以及当前用于旋转工具的两种钢材中测试具有相同的几何形状的硬化固体材料试样的抗张强度、断裂伸长以及硬度。

所测试的本发明钢材具有根据上述优选实施例的成分，即按照重量百分比为：12.0％的铬、9.1％的镍、4.0％的钼、2.0％的铜、0.9％的钛、0.35％的铝、＜0.12％的碳以及＜0.012％的氮。用于对照的钢材为1.4112和1.4108型钢，其成分在上面的表1中给出。试件为具有圆形截面和4.5mm的直径的实心杆。所测试的试件均进行析出硬化。本发明钢材在475℃的温度下硬化4个小时。1.4112和1.4108型钢的硬化根据规定用于这些钢材的硬化方法进行。1.4112和1.4108型钢的硬化在真空中在1,000℃时进行40-60分钟。然后在氮气中将此两种钢材冷却至50℃。1.4108型钢材进一步在160℃中保持2个小时。各种材料的硬化均以如此方式进行，即对于所有测试材料获得可对照的材料硬度。对各种材料的四个试件进行测试。其结果总结在下面的表2中。

表2：测试结果，根据DIN EN 10002-1进行拉伸测试

材料	抗张强度[MPa]	断裂伸长[％]	Rockwell C型硬度
				本发明A	1935	9.1	52/53
本发明A	1938	9.1	52/53
				本发明C	1941	9.1	52/53
本发明D	1946	9.1	52/53
				1.4112	1989	＜2	54/55
1.4112	1981	＜2	54/55
				1.4112	1987	＜2	54/55
1.4112	2000	＜2	54/55
				1.4108	1323	＜2	54/55
1.4108	1263	＜2	54/55
				1.4108	1153	＜2	54/55
1.4108	1312	＜2	54/55

对上述测试材料断裂点的研究清楚表明，本发明钢材具有高度韧性的断裂特性。其断裂表面具有所谓的“漏斗形断裂(funnel fracture)”形式。作为对比，1.4112和1.4108型钢材则表现为具有接近100％的脆性断裂量的所谓的裂纹。本发明钢材试件的优良的断裂伸长特性同时具有不发生材料断裂的高的柔韧性。所述试件能够被弯曲多次而不会断裂，作为对比，1.4112和1.4108型钢材的试件则在首次弯曲时即发生断裂。

惊人发现，将本发明所使用的钢型用于制造应用于并且保留在人体内部或者外部的植入物和骨接合产品例如外科板、钉和螺钉等具有尤为有利，因为与以前使用的钢材相比本发明钢型具有非常有利的断裂伸长。对于以前所使用的钢材，根据具体应用，其硬度和耐腐蚀性，以及生物相容性需要给予最高优先权进行考虑，并且相对于抗断裂性，则需要接受一定程度的妥协。对于本发明钢材用于制造旋转工具以及骨接合产品的创造性使用而言，以前的市售产品的断裂特性缺陷现在得以克服。创造性制造的工具和骨接合产品在所制造出的产品中结合有硬度、高的耐腐蚀性、优良的生物相容性、以及高度的抗断裂性。这些产品即使被弯曲时仍然能够抵抗断裂并且例如在用于整形外科的植入物中能够被弯曲多次而不会丧失其优秀的材料特性。而且，本发明使用的钢型易于加工并且在硬化状态下易于铣削，这在产品制造中是一个优势。本发明使用的钢材在用于制造应用于并且保留在人体内部或者外部的植入物和骨接合产品的应用中的再一个优点在于425-525℃的范围内的较低的硬化温度，从而使得在制造期间能够相当程度的节约能量消耗。

Claims (1)

1.一种析出硬化马氏体铬镍不锈钢的用途，所述不锈钢具有下述成分(按照重量百分比)：

Cr  10-14

Ni  7-11

Mo  0.5-6

Cu  0.5-4

Al  0.05-0.55

Ti  0.4-1.4

C+N  高达0.3

S  低于0.05

P  低于0.05

Mn 高达0.5

Si 高达0.5

Ta，Nb，V和W  分别高达0.2

Co 如果施加，则可高达9.0

B  如果施加，则可为0.0001-0.1

剩余成分包括铁以及通常的杂质，所述不锈钢用于制造应用于并且保留在人体内部或者外部的外科植入物和骨接合产品。