JP2008111196A

JP2008111196A - オーステナイト鋼

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Publication number: JP2008111196A
Application number: JP2007327643A
Authority: JP
Inventors: Oleg Alexandrovich Bannykh; オレグ・アレクサンドロヴィッチ・バニク; Viktor Mikhailovich Blinov; ヴィクトル・ミハイロヴィッチ・ブリノフ; Mariya Vladimirovna Kostina; マリア・ウラジーミロヴナ・コスチナ; Viktor Andreevich Malyshevsky; ヴィクトル・アンドレーエヴィッチ・マリシェフスキー; Tsolo Vylkovich Rashev; ツォロ・ヴィルコヴィッチ・ラシェフ; Grigory Yurievich Kalinin; グリゴリー・ユーリエヴィッチ・カリーニン; Ljudmila Georgievna Rigina; リュドミラ・ゲオルギーエヴナ・リギーナ; Alexei Viktorovich Dymov; アレクセイ・ヴィクトロヴィッチ・ディモフ; Yury Ivanovich Ustinovschikov; ユーリ・イワーノヴィッチ・ウスチノフシコフ
Original assignee: INST METALLURG I MATERIALOVEDE; INST METALLURGII I MATERIALOVEDENIA IMENI A A BIKOVA ROSSIISKOI AKADEMII NAUK; INSTITUT METALLURGII I MATERIALOVEDENIA IMENI A A BAIKOVA ROSSIISKOI AKADEMII NAUK
Current assignee: INST METALLURG I MATERIALOVEDE; INST METALLURGII I MATERIALOVEDENIA IMENI A A BIKOVA ROSSIISKOI AKADEMII NAUK; INSTITUT METALLURGII I MATERIALOVEDENIA IMENI A A BAIKOVA ROSSIISKOI AKADEMII NAUK
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US6783727B2; EP1191116B1; DE60100730D1; JP2003531297A; US20030039574A1; DE60100730T2; EP1191116A1; WO2001081644A8; RU2158319C1; AU5688901A; EP1191116A4; JP4387079B2; ATE249529T1; WO2001081644A1

Abstract

【課題】機械的強度が大きく、耐食姓と耐摩耗性と塑性が高く、且つ、人体組織に不活性である非磁性鋼を提供する。
【解決手段】炭素、クロム、シリコン、マンガン、窒素、及び鉄を含む鋼であって、重量％で以下のような関係で、上記成分からなり、炭素０．０１から０．０４、クロム２１．００から２４．００、シリコン０．２５から０．６５、マンガン０．１９から０．７０、窒素１．００から１．４０、鉄残部、鋼中のフェライト形成成分、即ち、シリコンとクロムの全含有量と、オーステナイト形成成分、即ち炭素、窒素及びマンガンの全含有量とが、以下の条件に従い、即ち
【数４】

ここに、［Ｓｉ］［Ｃｒ］［Ｃ］［Ｎ］［Ｍｎ］は、鋼中のシリコン、クロム、炭素、窒素、及びマンガンのそれぞれ重量％で表した含有量であることを特徴とする鋼。
【選択図】なし

Description

本発明は、冶金の分野に関して、特に、耐食性耐摩耗性鋼に関する。

この分野では、医療技術、例えば、補綴材料、インプラント、医療器具などに関連した製品の製造に使用される各種の鋼が知られている。上記目的に使用する鋼は、そのような鋼から作った製品と人体組織との反応の観点から、及び、その物理的機械的特性の観点の両方から明らかな要件を満たさなければならない。

然しながら、医療用に使用される公知の鋼の強度と耐摩耗性とは、十分でなく、それ故、公知の鋼から製造した補綴材料、インプラント、医療器具は、それらの動作の過程で必要な安全性と信頼性とを保証できずに、急速に摩耗してしまう。人体組織と長期にわたり接触する場合には、医療用に使用される公知の鋼は、人の組織に対してアレルギー反応を誘発する。

医療目的に使用する鋼の種類には、International Translator of Modern Steels and Alloys（Prof. V. S. Kershenbaum 編集 "International Engineering Encyclopedia" series モスクワ、(ロシア) １９９２年）に記載された耐食性オーステナイト鋼があり、例えば、ＡＩＳＩ（米国）の鋼種３１６Ｈは、重量で０．０４−０．１０％の炭素、重量で１６．０−１８．０％のクロム、重量で１０．０−１４．０％のニッケル、重量で２．０−３．０％のモリブデン、重量で１．０％以下のシリコン、重量で２．０％以下のマンガン、重量で０．０３％以下のイオウ、残部が鉄を含んでいおり、また、ＤＩＮ１７４４０（ドイツ）の鋼種は、重量で０．１％以下の炭素、重量で１．０％以下のシリコン、重量で２．０％以下のマンガン、重量で０．０４５％のリン、重量で０．０３％以下のイオウ、重量で１６．５−１８．５％のクロム、重量で１２．０−１４．０％のニッケル、重量で５％未満のチタンと、重量で２．０−３．０％のモリブデンを含んでいる。

上記の鋼は、単相オーステナイト組織であるが、かなりの量の重大な高価なニッケルを含んでおり、ニッケルは、とりわけ、その鋼が医療用に使用されたときには人体組織にアレルギー反応を生じさせ、さらに、その鋼は、人の血液と反応するマンガンを含んでいる。

さらに、上記の鋼は、強度が小さく（σ_Ｂが５２０ＭＰａ以下より低く、σ_０．２が２５０ＭＰａより小さい）、また、十分な耐磨耗性がないので、医療技術用に使用される材料の要件を満たしていない。

本発明の鋼に化学組成が最も近い鋼は、１９８７年５月６日のＥＰ特許０１２３０５４に開示されている耐食鋼である。この鋼は、重量％で、０．０１から０．５の炭素、３．０から４５．０のクロム、１０．０までのニオブ、２．０までのシリコン、０．１０までのマンガン、１０．０までのモリブデン、５．０までのバナジウム、２．０までのチタン、ニオブ及び／又はタンタル、１．０までのセリウム、０．３までのアルミニウム、０．２から５．０までの窒素、及び、残部鉄を含む。

この鋼は、オーステナイト−フエライト組織を有し、磁化が可能である。４００℃で、この鋼は、４００Ｎ／ｍｍ^２より低い降伏点Ｒ_Ｐ０．２（σ_０．２）があり、６００℃で、２５０Ｎ／ｍｍ^２より低い降伏点Ｒ_Ｐ０．２（σ_０．２）がある。記載の鋼は、その耐熱性からガスタービン及び蒸気タービンの製造用である。

上記の鋼は、医療技術用に使用する製品の製造には適当でない。その理由は、第１に、その金属組織が少なくとも５０％の強磁性成分を含み、鉄イオンを含む人の血液と反応し、第２に、その鋼は、人体組織に接触したときアレルギー反応を起こすマンガンとニッケルを含むからである。

本発明は、機械的強度が大きく、耐食姓と耐摩耗性と塑性が高く、且つ、人体組織に不活性である非磁性鋼の提供を目的とするものである。

この目的は、炭素、クロム、シリコン、マンガン、窒素、及び鉄を含む鋼の提供により達成されるもので、本発明の鋼は、上記成分を以下のような関係で含むものであり、即ち、重量％で、
炭素０．０１から０．０４
クロム２１．００から２４．００
シリコン０．２５から０．６５
マンガン０．２５から０．７０
窒素１．００から１．４０
鉄残部
であり、鋼中のフェライト形成成分、即ち、シリコンとクロムの全含有量と、オーステナイト形成成分、即ち炭素、窒素及びマンガンの全含有量とが、以下の条件に従い、即ち

ここに、［Ｓｉ］［Ｃｒ］［Ｃ］［Ｎ］［Ｍｎ］は、鋼中のシリコン、クロム、炭素、窒素、及びマンガンのそれぞれ重量％で表した含有量である。

発明の提案の鋼は、１１９０ないし１２３０℃の温度で水焼入れされるか、または１１９０から１２３０℃で水焼入れされその後に４００〜４３０℃で３ないし３．５時間の焼戻しの後に空冷して得られ、降伏点σ_０．２が、７００から９００ＭＰａであり、破壊点σ_Ｂが１１００から１２５０ＭＰａであり、単相のオーステナイト組織を有する。

本発明によれば、単相組織の非磁性鋼は、高い機械的強度と高い耐食・耐摩耗性と、塑性と、を備えて、人体組織に不活性である。

本発明のさらなる目的と利点は、提案したオーステナイト鋼の以下に述べる詳細な説明と特定組成の実施例とから明らかになろう。

単相のオーステナイト組織を有し、高い機械的強度と塑性と高い耐食・耐摩耗性と、を備えて、医療技術に使用される製品、例えば、補綴材料、インプラントや医療器具などの製造に適した非磁性鋼を開発した。

本発明で請求項記載の鋼は、重量で０．０１から０．０４％の炭素と、重量で２１．００から２４．００％のクロムと、重量で０．２５から０．６５％のシリコンと、重量で０．２５から０．７０％のマンガンと、重量で１．００から１．４０％の窒素と、残部鉄とを含有し、鋼中のフェライト形成成分、即ち、シリコンとクロムの全含有量と、オーステナイト形成成分、即ち炭素、窒素及びマンガンの全含有量とが、以下の条件に従う、即ち

我々の研究結果は、鋼中に重量で１．０％より少ない窒素では、組織中に均質なγ−固溶体（オーステナイト）が得られず、他方、窒素が重量で１．４％を越えると、この鋼を溶解し加工する条件が複雑になることを示している。即ち、特定量の窒素が存在すると、高の降伏点が２倍から３倍増加でき、身体の組織に接触してアレルギー反応を生じさせるがこれまで添加されてきたニッケルとマンガンの導入を除外できる。

請求の範囲に記載のように重量で２１．００から２４．００％のクロムは、この鋼の耐食性を改善し、溶解条件では、窒素の溶解度は、８倍に増加できる。重量で０．０１％未満の炭素にするには、冶金操作を追加しないと達成困難であり、これは高価になる。炭素含有量が、請求の範囲の０．０４％を越えると、鋼の塑性やその粒内腐食の抵抗性を低下させるような粒界に添ったＣｒ_２３Ｃ_６型粗大炭化物粒子や炭窒化物の形成をするので、これを分離する処理を設けることによって窒素オーステナイトの均質組織とすることができるが、この均質組織の形成条件が実質的に複雑になる。

クロム含有量を請求した重量で２１．００％未満とするのは、上述のように重量で１．００から１．４０％の範囲の請求の窒素含有量で鋼を溶解して、δ−フェライトやα‐マルテンサイトの磁性相を含まずに均一なオーステナイト組織の達成を焼戻し後に保証する条件を複雑にする。重量で２４％を越えるクロム含有量では、δ−相と窒化物が鋼組織中に現れて鋼の機械的性質を低下させるが、これらは技術的に達成困難な温度でおいてのみ溶解できるものである。

我々の研究では、請求した鋼の安定したオーステナイト組織を得るために、鋼中のフェライト形成成分、即ち、シリコンとクロムの全含有量の和と、オーステナイト形成成分、即ち炭素、窒素及びマンガンの全含有量の和と、の比もまた、重要であることを示した。それ故、

(0.48[Si]+[Cr])/(30[C]+18[N]+0.01[Mn]) < 0.8

であるときには、完全なオーステナイト組織が得られず、また、

(0.48[Si]+[Cr])/(30[C]+18[N]+0.01[Mn]) > 1.3

である場合には、δ−フェライトが鋼組織中に現れることが判った。

γ−固溶体の均一化には１１９０〜１２３０℃の温度での水焼入れで十分である。１２３０℃を越えると結晶粒成長とδ−フェライトの出現が起こり、１１９０℃より低い温度であると鋼の粘性と塑性を低下させるような窒化物の完全溶解が達成できない。４３０℃から３〜３．５時間程度の焼戻しは、オーステナイトの分解とオーステナイトの窒素消耗が起こらない。４００℃を越えない温度では、鋼の強度は、害されない。３〜３．５時間の保持で、鋼の組織の均質化を確保するのに十分である。

本発明で請求するオーステナイト鋼は、高い物理的機械的性質を持っている。降伏点σ_０．２が７００から９００ＭＰａであり、破壊点σ_Ｂが１１００から１２５０ＭＰａであり、高い塑性でかなりの耐磨耗性(abrasive resistance)を有し、δが２８−５１％で、Ψが２０．５〜３９．０％である。この特性は、股関節大腿骨用補綴材料などの高い負荷がかかるインプラントを含め、この鋼からの構造物と製品に高い使用寿命と信頼性を与える。

請求した鋼は、血栓に関与する炭素含有量を最小にし、アレルギー反応や湿疹を生じるニッケルをなくし、鋼を非磁性にした（強磁性材料が鉄イオンを含む血液と活発に反応するから）点で、先行技術より優れた利点がある。

それ故、請求したオーステナイト鋼は、例えば、補綴材料、インプラント、医療器具、その他に関連した製品の製造に、強度が高く耐摩耗耐食性で非磁性の材料をとして利用することができ、患者の術後期間を短縮し、炎症性隆起の発現を抑制することができる。

請求した鋼は、機器製造、電力設備技術、ジーゼル設備、超低温技術に良好に適用できる。

本発明のより良い理解のために、特別な実施形態の例を以下に示す。

オーステナイト鋼の溶解は、窒素ガスで２２気圧の下で、高周波炉で行った（溶解１〜４、溶解１は、ＥＰ特許１２３０５４号記載の鋼に相当し、溶解２〜４は、本発明の請求項記載の鋼に相当する）。溶解１〜４で得られた鋼の機械的性質と粒内腐食に対する抵抗性とを測定するために、以下の試料が１２００℃で鍛造し、１３×１３ｍｍの棒（溶解１、２．１、２．２、３、４）と、大きい試料（溶解２．３）にし、大きい試料から、５０×５０ｍｍの試片を切り出し、その鋼の機械的性質と耐粒内腐食性を測定した。

溶解１〜４で得られた鋼の中のオーステナイト量とマルテンサイト量とを、Ｘ線回折装置で測定した。機械引張試験を、直径５ｍｍの作動面を有する円柱試料に対して１ｍｍ／ｍｉｎの伸び速度で行なった。耐粒内腐食性は、０．５Ｈ_２ＳＯ_４−０．０１ＫＳＣＮ（ｍｏｌ／ｌｉｔｅｒ）電解液中で、マイナス０．５からプラス０．３Ｖでの分極電位で、２．５×１０^−３Ｖ／ｓｅｃの掃引速度で、動的電位再活性化（potentiodynamic reactivation）の方法により、測定した。耐粒内腐食性の測定値は、不動態電荷に対する再活性化電荷の比（Ｋ）であると仮定した。

請求の範囲の鋼（溶解３、４）と公知の鋼Ａ１２８ＭＢ２(International Translator of Modern Steels and Alloys（Prof. V. S. Kershenbaum 編集) "International Engineering Encyclopedia" Series, モスクワ、(ロシア) １９９２年）との比較を、研究室段階で、固着した研磨剤を用いて耐摩耗性について、実施した。

試料は、同じ条件で試し研摩の後、コランダム系の研摩紙に対して端面部を前後移動させて行なった。試料の一行程の長さを０．１３ｍとし、一試験当たりの試料摩擦距離は、０．１５８ｍ／ｓｅｃに等しい移動速度で、７８ｍであった。試料の往復当たり研摩紙の横方向変位は、０．００１２ｍであった。試料上の通常の荷重は、９８Ｎ（比荷重は１００ＭＰａ）であった。採用した試験条件は、試料の作動面の顕著でない加熱を保証した。試験の前後で、０．１ｍｇの測定目盛りで、分析用天秤で、重量を測定した。研磨剤摩耗での相対的耐摩耗性を、以下の式を使って、２つの並列的な試験の結果の算術平均として求めた。

ε＝Ｍｒ／Ｍｔ
ここで、Ｍｒは、基準試料の絶対質量摩耗量ｇ、Ｍｔは、試験試料の絶対質量摩耗量ｇである。

Ａ１２８Ｂ２鋼種の試料を基準試料として選んだが、この鋼は１１００℃の温度で水焼入れして焼戻しした後、高い負荷を受ける製品と構造物のための耐摩耗性材料として広く使用されている。

次の表１、２、および３は、溶解鋼の化学組成を重量％で示し（表１）、表１に示した化学組成の鋼の熱処理後の機械的性質と耐粒内腐食性を示し（表２）、さらに、表１に示した組成の鋼の摩耗試験結果を示している（表３）。

Ｋ＜０．１１で、合金は、粒内腐食を受けにくい。

請求に係るオーステナイト鋼は、医療技術、例えば、炎症性隆起物の発生を防止した補綴材料、インプラント、医療器具などに関連した製品の製造に適用するもので、請求した鋼は、機器製造、電力設備技術、ジーゼル設備、超低温技術に良好に適用できる。

Claims

炭素、クロム、シリコン、マンガン、窒素、及び鉄を含む鋼であって、当該鋼がオーステナイト単層組織を有し、重量％で以下のような関係で、上記成分からなり、
炭素０．０１から０．０４
クロム２１．００から２４．００
シリコン０．２５から０．６５
マンガン０．１９から０．７０
窒素１．００から１．４０
鉄残部
鋼中のフェライト形成成分、即ち、シリコンとクロムの全含有量と、オーステナイト形成成分、即ち炭素、窒素及びマンガンの全含有量とが、以下の条件に従い、即ち

ここに、［Ｓｉ］［Ｃｒ］［Ｃ］［Ｎ］［Ｍｎ］は、鋼中のシリコン、クロム、炭素、窒素、及びマンガンのそれぞれ重量％で表した含有量であることを特徴とする鋼。
上記の鋼が、降伏点σ_０．２が７００から９００ＭＰａであり、破壊点σ_Ｂが１１００から１２５０ＭＰａである請求項１の鋼。
上記の鋼が１１９０から１２３０℃の温度で水焼入れした後に得られたオーステナイト単相組織を有する請求項１の鋼。
上記の鋼が、１１９０から１２３０℃の温度で水焼入れした後、４００から４３０℃で３から３．５時間の焼戻しをし空冷して得られたオーステナイト単相組織を有する請求項１の鋼。