專利名稱：醫(yī)用高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用不銹鋼材料，具體地說(shuō)是一種醫(yī)用高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼材料及制備方法。
背景技術(shù)：
醫(yī)用不銹鋼是醫(yī)用生物材料中應(yīng)用最多、最廣的一類材料，但因其含具有毒性的鎳元素，給使用該類材料的生物體帶來(lái)較大的影響。例如，目前臨床上常用的醫(yī)用不銹鋼316L含鎳質(zhì)量百分比12% 15%、317L含鎳11% 15%，鎳在體內(nèi)可能抑制巨噬細(xì)胞的吞噬功能和殺菌作用，能破壞細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器，改變細(xì)胞狀態(tài)，降低細(xì)胞數(shù)量。當(dāng)鎳離子在高濃 度時(shí)可以誘發(fā)毒性效應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞破壞和炎癥反應(yīng)，對(duì)生物體有致畸、致癌的危害性。鎳及其化合物對(duì)人類最常見(jiàn)損害是鎳接觸性皮炎，發(fā)病率較高。醫(yī)用金屬材料植入人體后，由于植入件的腐蝕，許多金屬離子釋放到臨近的組織中，在植入316L不銹鋼板和螺栓臨近的組織中的鎳離子濃度大體分布在116-1200mg/L，在病人體內(nèi)由于鎳合金植入件腐蝕造成的鎳離子最大的釋放率約20 μ g/kg/day。國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家針對(duì)鎳的危害，已制定和頒布了相關(guān)文件及標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制生物醫(yī)用金屬中的鎳含量。研究和發(fā)展性能優(yōu)良的醫(yī)用無(wú)鎳不銹鋼成為醫(yī)用金屬發(fā)展的一大趨勢(shì)。氮是鋼中強(qiáng)烈的奧氏體形成元素，在一些鋼中作為有益元素加入，可以顯著地提高鋼的力學(xué)性能和耐蝕性能，應(yīng)用于各類不銹鋼、耐熱鋼中，以取代并節(jié)省昂貴的鎳元素。由于奧氏體不銹鋼中鎳對(duì)人體的毒副作用以及高氮不銹鋼的深入研究，最近幾年國(guó)內(nèi)外許多研究者提出將高氮含量的Fe-Cr-Mn-Mo-N無(wú)鎳奧氏體不銹鋼應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，也發(fā)明了一些該類型的生物醫(yī)用不銹鋼，專利CN101077425A、CN1519387A公開(kāi)了兩種不同氮含量的生物醫(yī)用高氮不銹鋼，但其中的銅對(duì)耐蝕性的貢獻(xiàn)可以通過(guò)提高純凈度的措施替代。同時(shí)高氮無(wú)鎳生物醫(yī)用不銹鋼在國(guó)內(nèi)的開(kāi)展時(shí)間不長(zhǎng)，其種類正在發(fā)展之中，這些年國(guó)內(nèi)多家科研院所也正在研究發(fā)展新的生物醫(yī)用高氮不銹鋼，在成分配比和制備方法上還正處于發(fā)展階段，并且目前的醫(yī)用奧氏體不銹鋼均未討論和涉及細(xì)胞毒性的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼材料及制備方法，該材料不含毒性鎳元素，細(xì)胞毒性和致熱源性測(cè)定性能好，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕能力，尤其是抗點(diǎn)蝕和抗晶間腐蝕，而且具有較高的耐磨性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼材料，其特征在于，該材料為單相奧氏體組織，其各組分的質(zhì)量百分比為Cr :15 18% ；Mn :10 16% ；Mo :1. 5 2. 5% ；N :0. 4 O. 7% ；RE :0. 02 O. 08 ;不可避免的雜質(zhì)< O. 07% ;其余為Fe。所述不可避免的雜質(zhì)為Ni、Ti、C、S、P，其總量彡0.06。所述RE 為 Ce。
按質(zhì)量百分比計(jì)，其中不可避免的雜質(zhì)鎳Ni < O. 010，鈦Ti < O. 5，碳C < O. 02，硫 S 彡 O. 010，磷 P 彡 O. 010。本發(fā)明所提供的生物醫(yī)用高氮不銹鋼材料中，應(yīng)控制鎳Ni ( O. 01%，盡量控制在更低的水平，由于鎳含量非常低，基本可以忽略，因此在冶金行業(yè)通常認(rèn)為這種含量該金屬材料不含鎳。其余雜質(zhì)元素含量均滿足外科植入不銹鋼通用技術(shù)規(guī)范要求。鉻是決定不銹鋼性能的主要元素，起提高耐蝕性，同時(shí)也提高氮的溶解度，鉻的含量質(zhì)量百分比控制在15% 18%。錳可以增加奧氏體的穩(wěn)定性，適量可增加氮在鋼中的溶解度，過(guò)多則使凝固過(guò)程中組織粗大，增加材料的脆性，影響不銹鋼的力學(xué)性能。錳含量質(zhì)量百分比控制在10% 16%。 鑰的加入可提高氮的溶解度，與氮相互作用可提高鋼的耐點(diǎn)蝕性能，但含量過(guò)多會(huì)降低鋼的韌性，鑰含量的質(zhì)量百分比優(yōu)化在I. 5wt% 2. 5wt%范圍。氮是穩(wěn)定和促進(jìn)奧氏體的元素，氮的奧氏體化能力可高達(dá)約鎳的30倍，氮代替鎳可去除對(duì)人體有害的元素鎳，節(jié)約貴重金屬鎳，并形成并穩(wěn)定奧氏體，且擴(kuò)大奧氏體，可以抑制碳化物的析出和形成。碳也是重要的奧氏體化元素，但過(guò)多的碳會(huì)嚴(yán)重影響鋼的塑性和耐蝕性，因此碳含量的質(zhì)量百分比嚴(yán)格控制在< O. 02%的較低水平。鈦可以提高不銹鋼耐晶間腐蝕性能，但鈦過(guò)多則會(huì)影響鋼的力學(xué)性能，因此應(yīng)控制鈦質(zhì)量百分比彡O. 5%。稀土鈰可改善不銹鋼制備的工藝性能，少量存在主要用于改善不銹鋼的鍛造性能，優(yōu)化控制在質(zhì)量百分比O. 02wt% O. 08wt%范圍。硫和磷是雜質(zhì)元素，會(huì)損害不銹鋼的綜合性能，各自均應(yīng)控制在質(zhì)量百分比(O. 010% 范圍。醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼材料制備方法如下
1)熔煉氮?dú)獗Ｗo(hù)，1450°c 1500°c下精煉，氮?dú)鈮毫Ρ３衷贠.25 O. 35MPa，澆注溫度1420°C 1440°C，得真空錠，真空錠用電渣重熔精煉，熔煉電流彡4000A,電壓彡38V，熔煉完畢前應(yīng)至少熱補(bǔ)縮3次,使電洛錠頭部得到良好補(bǔ)縮,得到Φ 160mm電洛錠；
2)均勻化處理步驟I)所述電渣錠于1050 1120°C下熱處理4 6小時(shí)；
3)鍛造鍛造初始溫度1050 1150°C，終鍛溫度不低于90(TC，鍛坯；
4)熱軋將鍛坯加熱至1050 1150°C，熱軋加工成板材或棒材，空冷至室溫；
5)冷軋冷拉將板坯冷軋成冷軋板帶材，或?qū)舨睦淅删€材。冷軋冷拉過(guò)程中，需進(jìn)行1050°C 1080°C退火處理消除加工硬化。本發(fā)明生物醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼的產(chǎn)品形式為符合人體需要的型材、線材或板帶材。本發(fā)明完全拋棄了有致敏、誘發(fā)血栓形成和致癌作用的毒性元素鎳，作為人體植入材料具有極大的優(yōu)勢(shì)，將大大提高生物植入材料的長(zhǎng)期使用安全性。這種不銹鋼相對(duì)于傳統(tǒng)的含鎳醫(yī)用不銹鋼，具有更好的耐磨耐蝕性能和更為優(yōu)良的強(qiáng)韌性組合，并由于采用氮元素代替了鎳元素，其成本較低，可用于骨關(guān)節(jié)承力部件等人體植入物、醫(yī)療器械、食品餐飲器械、首飾及其它與人體經(jīng)常接觸的不銹鋼產(chǎn)品方面，并可廣泛應(yīng)用于新能源、化工及環(huán)保等領(lǐng)域。在以氮代鎳新型醫(yī)用奧氏體不銹鋼的發(fā)明方面，本發(fā)明與CN1519387A相比以下幾方面的本質(zhì)差異一是本發(fā)明材料的力學(xué)性能較CN1519387A公布的力學(xué)性能更加優(yōu)良，作為醫(yī)用植入材料，可達(dá)到承受更高強(qiáng)度，更耐使用的效果，比已公布的發(fā)明材料更具有廣泛應(yīng)用前景。同時(shí)，不加銅元素可以改善材料加工過(guò)程中整個(gè)冶金體系的不被污染。二是成分里含量范圍不一樣，且不需要添加銅元素，通過(guò)提高冶金純度及添加稀土的方式來(lái)滿足耐蝕性的需求。三是本發(fā)明主要的特點(diǎn)是該材料的細(xì)胞毒性和致熱源性測(cè)定性能好，主要用于體內(nèi)肌肉、骨關(guān)節(jié)等地方的固定植入。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼材料各組分的重量百分比見(jiàn)表I。表I醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼材料化學(xué)組成(以下為質(zhì)量百分含量)
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼材料，其特征在于，該材料為單相奧氏體組織，其各組分的質(zhì)量百分比為 Cr 15 18% ； Mn 10 16% ； Mo I. 5 2. 5% ； N O. 4 O. 7% ； RE O. 02 O. 08 ； 不可避免的雜質(zhì)彡O. 06% ； 其余為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的材料，其特征在于所述不可避免的雜質(zhì)為Ni、Ti、C、S、P，其總量< O. 06。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的材料，其特征在于所述RE為Ce。
4.制備權(quán)利要求1-3任一所述的醫(yī)用高氮無(wú)鎳不銹鋼材料的方法，其特征在于，該方法有以下步驟 1)熔煉氮?dú)獗Ｗo(hù)，1450°C 1500°C下精煉，氮?dú)鈮毫Ρ３衷贠.25 O. 35MPa，澆注溫度1420°C 1440°C，得真空錠，然后用惰性氣體保護(hù)電渣重熔，得到表面質(zhì)量較光滑的電洛錠； 2)均勻化處理步驟I)所述電渣錠于1050 1120°C下熱處理4 6小時(shí)； 3)鍛造鍛造初始溫度1050 1150°C，終鍛溫度不低于90(TC，鍛坯； 4)熱軋將鍛坯加熱至1050 1150°C，熱軋加工成板材或棒材，空冷至室溫； 5)冷軋冷拉將板坯冷軋成冷軋板帶材，或?qū)舨睦淅删€材。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟5)冷軋、冷拉時(shí)，采用1050°C 1080°C退火消除加工硬化。
6.權(quán)利要求1-3任一所述醫(yī)用無(wú)鎳高氮不銹鋼材料在制備醫(yī)學(xué)材料、醫(yī)療器械、食品餐飲器物、飾品及其它與人體經(jīng)常接觸的產(chǎn)品中應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用高氮無(wú)鎳奧氏體不銹鋼材料及制備方法，該材料為單相奧氏體組織，其各組分的質(zhì)量百分比為Cr15～18%；Mn10～16%；Mo1.5～2.5%；N0.4～0.7%；RE0.02～0.08；不可避免的雜質(zhì)≤0.06%；其余為Fe。該材料不含毒性鎳元素，細(xì)胞毒性和致熱源性測(cè)定性能好，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕能力，尤其是抗點(diǎn)蝕和抗晶間腐蝕，而且具有較高的耐磨性。
文檔編號(hào)A61L27/04GK102888566SQ20121043784
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者鄒興政, 王宏, 李方, 張十慶, 郭衛(wèi)民, 唐銳, 趙安中, 王東哲 申請(qǐng)人:重慶材料研究院