醫用高氮無鎳奧氏體不銹鋼材料及制備方法技術

本發明專利技術涉及一種醫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，其各組分的質量百分比為：Cr：15～18%；Mn：10～16%；Mo：1.5～2.5%；N：0.4～0.7%；RE：0.02～0.08；不可避免的雜質≤0.06%；其余為Fe。該材料不含毒性鎳元素，細胞毒性和致熱源性測定性能好，具有優良的力學性能，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。

【技術實現步驟摘要】
醫用高氮無鎳奧氏體不銹鋼材料及制備方法
本專利技術涉及一種醫用不銹鋼材料，具體地說是一種醫用高氮無鎳奧氏體不銹鋼材料及制備方法。
技術介紹
醫用不銹鋼是醫用生物材料中應用最多、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用不銹鋼316L含鎳質量百分比12%～15%、317L含鎳11%～15%，鎳在體內可能抑制巨噬細胞的吞噬功能和殺菌作用，能破壞細胞內的細胞器，改變細胞狀態，降低細胞數量。當鎳離子在高濃度時可以誘發毒性效應，導致細胞破壞和炎癥反應，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，發病率較高。醫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，在病人體內由于鎳合金植入件腐蝕造成的鎳離子最大的釋放率約20μg/kg/day。國內外許多國家針對鎳的危害，已制定和頒布了相關文件及標準來限制生物醫用金屬中的鎳含量。研究和發展性能優良的醫用無鎳不銹鋼成為醫用金屬發展的一大趨勢。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性能和耐蝕性能，應用于各類不銹鋼、耐熱鋼中，以取代并節省昂貴的鎳元素。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用于生物醫學，也專利技術了一些該類型的生物醫用不銹鋼，專利CN101077425A、CN1519387A公開了兩種不同氮含量的生物醫用高氮不銹鋼，但其中的銅對耐蝕性的貢獻可以通過提高純凈度的措施替代。同時高氮無鎳生物醫用不銹鋼在國內的開展時間不長，其種類正在發展之中，這些年國內多家科研院所也正在研究發展新的生物醫用高氮不銹鋼，在成分配比和制備方法上還正處于發展階段，并且目前的醫用奧氏體不銹鋼均未討論和涉及細胞毒性的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種醫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，細胞毒性和致熱源性測定性能好，具有優良的力學性能，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。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：醫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，其各組分的質量百分比為：Cr：15～18%；Mn：10～16%；Mo：1.5～2.5%；N：0.4～0.7%；RE：0.02～0.08；不可避免的雜質≤0.07%；其余為Fe。所述不可避免的雜質為Ni、Ti、C、S、P，其總量≤0.06。所述RE為Ce。按質量百分比計，其中不可避免的雜質鎳Ni≤0.010，鈦Ti≤0.5，碳C≤0.02，硫S≤0.010，磷P≤0.010。本專利技術所提供的生物醫用高氮不銹鋼材料中，應控制鎳Ni≤0.01%，盡量控制在更低的水平，由于鎳含量非常低，基本可以忽略，因此在冶金行業通常認為這種含量該金屬材料不含鎳。其余雜質元素含量均滿足外科植入不銹鋼通用技術規范要求。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，鉻的含量質量百分比控制在15%～18%。錳可以增加奧氏體的穩定性，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，影響不銹鋼的力學性能。錳含量質量百分比控制在10%～16%。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蝕性能，但含量過多會降低鋼的韌性，鉬含量的質量百分比優化在1.5wt%～2.5wt%范圍。氮是穩定和促進奧氏體的元素，氮的奧氏體化能力可高達約鎳的30倍，氮代替鎳可去除對人體有害的元素鎳，節約貴重金屬鎳，并形成并穩定奧氏體，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，但過多的碳會嚴重影響鋼的塑性和耐蝕性，因此碳含量的質量百分比嚴格控制在≤0.02%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性能，因此應控制鈦質量百分比≤0.5%。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，優化控制在質量百分比0.02wt%～0.08wt%范圍。硫和磷是雜質元素，會損害不銹鋼的綜合性能，各自均應控制在質量百分比≤0.010%范圍。醫用高氮無鎳不銹鋼材料制備方法如下：1）熔煉：氮氣保護，1450℃～1500℃下精煉，氮氣壓力保持在0.25～0.35MPa，澆注溫度1420℃～1440℃，得真空錠，真空錠用電渣重熔精煉，熔煉電流≤4000A，電壓≥38V，熔煉完畢前應至少熱補縮3次，使電渣錠頭部得到良好補縮，得到Φ160mm電渣錠；2）均勻化處理：步驟1）所述電渣錠于1050～1120℃下熱處理4～6小時；3）鍛造：鍛造初始溫度1050～1150℃，終鍛溫度不低于900℃，鍛坯；４）熱軋：將鍛坯加熱至1050～1150℃，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，或將棒材冷拉成線材。冷軋冷拉過程中，需進行1050℃～1080℃退火處理消除加工硬化。本專利技術生物醫用高氮無鎳不銹鋼的產品形式為符合人體需要的型材、線材或板帶材。本專利技術完全拋棄了有致敏、誘發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的含鎳醫用不銹鋼，具有更好的耐磨耐蝕性能和更為優良的強韌性組合，并由于采用氮元素代替了鎳元素，其成本較低，可用于骨關節承力部件等人體植入物、醫療器械、食品餐飲器械、首飾及其它與人體經常接觸的不銹鋼產品方面，并可廣泛應用于新能源、化工及環保等領域。在以氮代鎳新型醫用奧氏體不銹鋼的專利技術方面，本專利技術與CN1519387A相比以下幾方面的本質差異：一是本專利技術材料的力學性能較CN1519387A公布的力學性能更加優良，作為醫用植入材料，可達到承受更高強度，更耐使用的效果，比已公布的專利技術材料更具有廣泛應用前景。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。三是本專利技術主要的特點是該材料的細胞毒性和致熱源性測定性能好，主要用于體內肌肉、骨關節等地方的固定植入。具體實施方式實施例1醫用高氮無鎳不銹鋼材料各組分的重量百分比見表1。表1醫用高氮無鎳不銹鋼材料化學組成（以下為質量百分含量）編號CrMnMoCTiNCeSP116.0813.562.060.0210.0130.420.030.0060.009217.3414.692.100.00750.0220.540.050.0030.006317.6215.342.100.00560.0130.600.070.0010.007實施例2取實施例1的成分配方，用下列方法得到本專利技術所述醫用高氮無鎳不銹鋼材料。本專利技術醫用高氮無鎳不銹鋼采用真空感應爐冶煉和電渣爐精煉，經鍛造、軋制、拉拔等工序，加工成不同產品形式的不銹鋼，加工及熱處理過程如下：熔煉：采用真空感應冶煉和電渣爐重熔精煉，真空感應冶煉時精煉溫度1450～1500℃，精煉過程中加入氮氣保護的壓本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種醫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，其各組分的質量百分比為：Cr：？？？？15～18%；Mn：？？？？10～16%；Mo：？？？？1.5～2.5%；N：？？？？？0.4～0.7%；RE：？？？？0.02～0.08；不可避免的雜質≤0.06%；其余為Fe。

【技術特征摘要】
1.一種醫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，其各組分的質量百分比為：Cr：15～18%；Mn：10～16%；Mo：1.5～2.5%；N：0.4～0.7%；RE：0.02～0.08%；不可避免的雜質≤0.06%；其余為Fe，所述RE為Ce，采用以下制備方法得到：1）熔煉：氮氣保護，1450℃～1500℃下精煉，氮氣壓力保持在0.25～0.35MPa，澆注溫度1420℃～1440℃，得真空錠，然后用惰性氣體保護電渣重熔，得到表面質量較光滑的電渣錠；2）均勻化處理：步驟1）所述電渣錠于1050～1120℃下熱處理4～6小時；3）鍛造：鍛造初始溫度1050～1150℃，終鍛溫度不低于900℃，鍛坯；４）熱軋：將鍛坯加熱至1050～1150℃，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，或將棒材冷拉成線材。2.根據權利要求1所述的材料，其特征在于：所述不可避免的雜質為Ni、Ti、C、S、P，其總量≤0.06%。3.權利要求1所述的醫用高氮無鎳不銹鋼材料的制備方法，其特征在于，該材料...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄒興政，王宏，李方，張十慶，郭衛民，唐銳，趙安中，王東哲，
申請(專利權)人：重慶材料研究院，
類型：發明
國別省市：