專利名稱：醫(yī)用高氮無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，具體地說是一種醫(yī)用高氮無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)，對生物體有致畸、致癌的危害性。鎳及其化合物對人類最常見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。國內(nèi)外許多國家針對鎳的危害，已制定和頒布了相關(guān)文件及標(biāo)準(zhǔn)來限制生物醫(yī)用金屬中的鎳含量。研究和發(fā)展性能優(yōu)良的醫(yī)用無鎳不銹鋼成為醫(yī)用金屬發(fā)展的一大趨勢。氮是鋼中強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人體的毒副作用以及高氮不銹鋼的深入研究，最近幾年國內(nèi)外許多研究者提出將高氮含量的Fe-Cr-Mn-Mo-N無鎳奧氏體不銹鋼應(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，但其中的銅對耐蝕性的貢獻(xiàn)可以通過提高純凈度的措施替代。同時高氮無鎳生物醫(yī)用不銹鋼在國內(nèi)的開展時間不長，其種類正在發(fā)展之中，這些年國內(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，尤其是抗點蝕和抗晶間腐蝕，而且具有較高的耐磨性。為實現(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，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，過多則使凝固過程中組織粗大，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蝕性能，但含量過多會降低鋼的韌性，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，但過多的碳會嚴(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，但鈦過多則會影響鋼的力學(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)用高氮無鎳不銹鋼材料制備方法如下
1)熔煉氮氣保護(hù)，1450°c 1500°c下精煉，氮氣壓力保持在O.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)至少熱補縮3次,使電洛錠頭部得到良好補縮,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；
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，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，不加銅元素可以改善材料加工過程中整個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，通過提高冶金純度及添加稀土的方式來滿足耐蝕性的需求。三是本發(fā)明主要的特點是該材料的細(xì)胞毒性和致熱源性測定性能好，主要用于體內(nèi)肌肉、骨關(guān)節(jié)等地方的固定植入。
具體實施例方式實施例I
醫(yī)用高氮無鎳不銹鋼材料各組分的重量百分比見表I。表I醫(yī)用高氮無鎳不銹鋼材料化學(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)熔煉氮氣保護(hù)，1450°C 1500°C下精煉，氮氣壓力保持在O.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； 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，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，尤其是抗點蝕和抗晶間腐蝕，而且具有較高的耐磨性。
文檔編號A61L27/04GK102888566SQ20121043784
公開日2013年1月23日 申請日期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 申請人:重慶材料研究院