專利名稱：一種醫(yī)用植入奧氏體不銹鋼材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用植入無鎳奧氏體不銹鋼材料及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
醫(yī)用植入不銹鋼是生物醫(yī)用材料中應(yīng)用最多、最廣的一類材料，但是其中通常含有毒性鎳(Ni)元素。例如目前臨床上常用的醫(yī)用316L不銹鋼含鎳為10-14％，在其植入人體以后，由于腐蝕或磨損等原因造成其表面的鈍化層或保護(hù)層發(fā)生破壞，致使其中的金屬鎳離子很容易富集于植入物附近的組織中，影響生物體的正常代謝。鎳元素是一種潛在的致敏因子，對生物體有致畸、致癌的危害性，很早就有關(guān)于鎳過敏和癌變方面的報道。鎳離子在生物體內(nèi)植入物附近的富集可以誘發(fā)毒性效應(yīng)，發(fā)生細(xì)胞破壞和發(fā)炎反應(yīng)。最近研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼中含有鎳元素的副作用還影響到冠脈支架手術(shù)后的再狹窄。西方許多國家針對鎳的危害，早已制定和頒布相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)來限制生物醫(yī)用金屬中的鎳含量。因此針對醫(yī)用不銹鋼的應(yīng)用廣泛性和其中鎳的危害性，研究和發(fā)展性能優(yōu)良(不低于目前普遍應(yīng)用的鎳鉻醫(yī)用不銹鋼)的醫(yī)用無鎳不銹鋼成為必然趨勢。
結(jié)構(gòu)用無鎳不銹鋼材料早在上世紀(jì)50年代就得到發(fā)展和應(yīng)用，其優(yōu)良的綜合性能使其獲得了較好的應(yīng)用。由于鎳對人體的毒性，近幾十年發(fā)展醫(yī)用無鎳不銹鋼逐漸在國內(nèi)外展開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生物醫(yī)用植入不銹鋼材料，其不含毒性鎳元素，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性組合，且價格相對低廉的無鎳氮強(qiáng)化奧氏體不銹鋼。
本發(fā)明提供了一種高氮奧氏體不銹鋼，其特征在于化學(xué)成分組成重量百分比為鉻Cr 17～22，錳Mn 10～20，鉬Mo 1～3，銅Cu 0.5～1.5，氮N 0.40～0.7，鎳Ni≤0.02，碳C≤0.03，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025，鐵Fe余量。
本發(fā)明所提供的醫(yī)用植入奧氏體不銹鋼中，應(yīng)控制鎳≤0.02(wt)％。本發(fā)明醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼由于拋棄了貴重的鎳元素，所以廉價的氮元素就成為一種重要的合金元素，氮的奧氏體化能力大約是鎳的20-30倍。為保證鋼的單一奧氏體結(jié)構(gòu)，氮含量應(yīng)大于，鋼中加入太多的氮容易形成鋼中氣孔，而且提高煉鋼成本，建議氮含量控制在0.70(wt)％以下。同時氮還可提高鋼的耐點(diǎn)蝕性能。
碳也是重要的奧氏體化元素，但過多的碳會嚴(yán)重影響鋼的塑性和耐蝕性，因此碳含量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.03(wt)％以下。
錳是一種較弱的奧氏體化元素，可增加氮在鋼中的溶解度，因此應(yīng)至少有10(wt)％以上的錳元素，但過多的錳元素影響鋼的性能，所以錳應(yīng)控制在20(wt)％以下。
鉻是鐵素體形成元素，盡管如此，由于它是不銹鋼中主要的耐蝕元素，而且也提高氮的溶解度，鉻含量應(yīng)控制在不大于23(wt)％。
鉬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，但含量過多會降低鋼的韌性，因此控制在2-3(wt)％。
銅也是較弱的奧氏體化元素，還適當(dāng)提高耐蝕性，銅的含量若高于4(wt)％就會明顯影響鋼的可鍛性，所以必須控制銅含量不大于1.5(wt)％。
硅可促使鐵素體的形成，因此硅含量低于0.5(wt)％。
雜質(zhì)元素硫和磷應(yīng)分別控制在0.010(wt)％和0.020(wt)％以下，以提高鋼的綜合性能。
本發(fā)明還提供了上述醫(yī)用植入無鎳奧氏體不銹鋼的制備方法，其特征在于后處理工藝為熱加工鋼錠于1050～1150℃均勻化處理2～6小時，開坯，分多火鍛造成棒材和初軋坯料，終鍛溫度不低于950℃。
熱處理1100～1150℃固溶處理0.5～4小時，空冷或水冷至室溫，所得顯微組織為單相奧氏體。
本發(fā)明無鎳奧氏體醫(yī)用不銹鋼完全拋棄了有致敏、誘發(fā)血栓形成和致癌作用的毒性鎳元素，作為人體植入材料具有極大的優(yōu)勢，將大大提高生物植入材料的長期使用安全性。這種不銹鋼相對于傳統(tǒng)的鎳鉻醫(yī)用不銹鋼，具有更好的耐磨耐蝕性能(特別是點(diǎn)蝕)以及更為優(yōu)良的強(qiáng)韌性組合，并且成本較低，可用于骨關(guān)節(jié)等承力部件、牙科矯形件和管腔植入支架等長時期植入人體器件的主要使用材料。可用在人體植入物、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，并有可能逐步取代現(xiàn)有的鎳鉻醫(yī)用不銹鋼，而且也可廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保等領(lǐng)域。


圖1為無鎳高氮奧氏體不銹鋼熱處理后的金相照片，顯示出奧氏體單相組織，這為不銹鋼具有良好的綜合性能提供了結(jié)構(gòu)保證。
圖2為醫(yī)用無鎳不銹鋼和傳統(tǒng)醫(yī)用316L不銹鋼在37℃0.9％NaCl溶液中的陽極極化曲線，表明新型醫(yī)用無鎳不銹鋼的耐蝕性能和316L不銹鋼相比更為優(yōu)異，特別是耐點(diǎn)蝕性能，這為醫(yī)用金屬材料長期植入安全性提供了最基本前提。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼采用普通真空感應(yīng)爐(不加正壓)冶煉，冶煉所得不銹鋼經(jīng)過以下加工及熱處理熱加工鋼錠于1100℃±15℃均勻化處理2小時以上，開坯，分兩火鍛造成棒材和初軋坯料，終鍛溫度不低于950℃。初軋坯料在1100℃±15℃溫度開軋，經(jīng)多道次軋制成性能測試坯料。
熱處理1100℃±5℃固溶處理(1±0.1)小時，空冷或水冷至室溫，所得組織為單相奧氏體。
所得棒材和軋制板材的力學(xué)性能σb≥780MPa，σ0.2≥400MPa，δ5≥50％，ψ≥60％，Hv0.5＝190-320，ak≥120J/cm2。
實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明所設(shè)定的化學(xué)成分范圍，在25公斤容量真空感應(yīng)爐內(nèi)冶煉了4爐鋼，其具體化學(xué)成分如表1所示。這4爐鋼分別被澆注成φ120×450鋼錠各一個，并按以上加工及熱處理規(guī)范進(jìn)行加工。
所有測試試樣均沿垂直于軋制方向取樣，經(jīng)過以上熱處理后，本發(fā)明鋼在室溫狀態(tài)下為單一奧氏體組織(如圖1所示)，測得的力學(xué)性能如表2所示。采用電化學(xué)方法研究了醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼在37℃等效生理溶液中的陽極極化曲線，結(jié)果表明新型無鎳不銹鋼的耐蝕性能和醫(yī)用316L不銹鋼相比更為優(yōu)異，特別是耐點(diǎn)蝕性能，如圖2所示。測量新型醫(yī)用無鎳不銹鋼在37℃的人工血漿等效溶液中的耐點(diǎn)蝕電位約為550mv，而醫(yī)用316L不銹鋼約為370mv。從實(shí)施例可以看出，氮的添加有效地替代了鎳的作用，本發(fā)明醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼的強(qiáng)韌性和耐蝕性已達(dá)到和超過傳統(tǒng)鎳鉻醫(yī)用不銹鋼的水平。
表1 真空感應(yīng)爐冶煉的高氮鋼的化學(xué)成分

表2 真空感應(yīng)爐冶煉的高氮鋼的力學(xué)性能

工藝試驗表明，該醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼具有良好的熱加工和冷加工性能以及優(yōu)良的耐蝕性能。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用植入奧氏體不銹鋼材料，其特征在于化學(xué)成分組成重量百分比為鉻Cr 17～22，錳Mn 12～20，鉬Mo 1～3，銅Cu 0.5～1.5，氮N 0.40～0.70，鎳Ni≤0.02，碳C≤0.03，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025，鐵Fe余量。
2.一權(quán)利要求1所述醫(yī)用植入奧氏體不銹鋼材料的制備方法，其特征在于合金的后處理工藝為熱加工鋼錠于1050～1150℃均勻化處理2～6小時，開坯，分多火鍛造成棒材和初軋坯料，終鍛溫度不低于950℃。熱處理1100～1150℃固溶處理0.5～4小時，空冷或水冷至室溫，所得顯微組織為單相奧氏體。
3.權(quán)利要求1所述無鎳醫(yī)用植入不銹鋼材料，用在人體植入物、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，或者應(yīng)用于化工、環(huán)保等領(lǐng)域。
全文摘要
一種醫(yī)用植入奧氏體不銹鋼，其特征在于化學(xué)成分組成重量百分比為鉻Cr 17～22，錳Mn 12～20，鉬Mo 1～3，銅Cu 0.5～1.5，氮N 0.40～0.7，鎳Ni≤0.02，碳C≤0.03，硅Si≤0.75，硫S≤0.010，磷P≤0.025，鐵Fe余量。采用真空感應(yīng)爐冶煉，鋼中的氮通過粒狀高氮合金(如FeCrN、CrN、MnN)的方式加入。本發(fā)明醫(yī)用無鎳奧氏體不銹鋼不含毒性鎳元素，作為人體植入材料具有極大的優(yōu)勢，將大大提高生物植入材料的長期使用安全性。可用在人體植入物、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，而且也可廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保等領(lǐng)域。
文檔編號A61L27/00GK1519387SQ0311089
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者任伊賓, 楊柯, 張炳春, 梁勇, 王亞慶, 肖克沈, 楊慧賓 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所