CN110241380B - 一种医用无镍不锈钢的处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医用无镍不锈钢的处理工艺，对现有技术中的医用不锈钢制备工艺进行改进，采取分段加热后淬火并回火的热处理步骤，再采用渗氮表面处理工序，通过严格控制热处理制度以及表面改性的参数范围，确保不锈钢产品的表面涂层性能，使其兼具力学性能和耐腐蚀性的使用要求的同时，获得了优异的生物相容性，能够满足医用外科植入金属材料的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及金属热处理领域，具体的说，是涉及一种医用无镍不锈钢的处理工艺。
背景技术
生物医用材料是指用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相接合的材料，可用于诊断治疗，以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。在众多生物材料中，医用金属材料具有较高的韧性和强度，适用于修复、置换人体硬组织。已应用于临床的医用金属材料主要包括不锈钢、钴基合金、钛合金等几大类，此外还有纯金属类的金、银、铌、镐、钽为代表的贵金属，以及形状记忆合金等。
医用不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，是生物医学金属材料中应用最多、最广的一类材料。医用不锈钢在植入人体以后，由于腐蚀或磨损等原因造成表面的钝化层或保护层发生破坏时，其中金属离子很容易富集于植入物附近的组织中，影响生物体的正常代谢。医用无镍不锈钢具有优良的强韧性组合，良好的抗腐蚀能力，最重要的是钢中不含镍元素，从而可避免镍元素在人体内析出造成的致敏性及其它组织反应。
医用不锈钢在实际临床应用中依然存在着一些缺陷和不足。现有的医用不锈钢材料的强度和弹塑性性能与人体骨骼组织的力学性能要求还有一定差距，在植入人体后，长期的高应力无氧应用环境也会降低不锈钢的耐腐蚀性能和使用寿命。因而急需研究和开发一种新的医用不锈钢处理工艺，改善和提高其在临床应用中的不足。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种医用无镍不锈钢的处理工艺，该方法可以制备出具有良好的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性的医用不锈钢产品。
一种医用无镍不锈钢的处理工艺，所述工艺的步骤为：
（1）、根据医用材料产品设计的不锈钢坯料尺寸进行热锻制备所述坯料，然后对所述坯料进行轧制。
（2）、将轧制后的不锈钢在一定张力下入炉热处理，先以100～150℃/h的加热速度升温至500～700℃，保温1～2h，然后以400～850℃/min的加热速度升温至奥氏体化温度并保温0.5～1h。
（3）、在淬火油中进行淬火处理，并在不锈钢冷却至160～220℃后取出保温0.5～1h。
（4）、再将不锈钢加热至一定温度回火保温2～3h，冷却至室温。
（5）、将回火后的不锈钢材料进行清洗，放入离子氮化设备中的氮化工作台上，设备抽真空，当抽真空至10Pa时，加入氨气至400～450Pa。
（6）、将离子氮化设备升温至480～500℃保持5～10h，再调节至420～440℃，通入25%N2+75% H2混合气体并保持5～10h，最后冷却至室温，获得医用无镍不锈钢材。
所述不锈钢坯料的成分为C 0.05wt%，Cr 21.0wt%，Mn 8.0wt%，V 0.50wt%，Sn0.30wt%，Cu 0.25wt%，余量为铁和不可避免的杂质。
步骤（1）中，所述轧制为冷轧。
步骤（2）中，所述张力能确保控制不锈钢的延伸率在1.0％～5.0％。
步骤（3）中，所述奥氏体化温度为850～880℃。
步骤（4）中，所述回火温度为350～380℃。
步骤（5）中，设备抽真空时保持设备环境温度为400℃左右。
所述医用无镍不锈钢材成品的屈服强度为550～650MPa、抗拉强度为950～1050MPa、伸长率为52～56%。
所述医用无镍不锈钢材成品用于外科植入金属材料。
所述医用无镍不锈钢材成品为不锈钢骨固定器械和抗凝血不锈钢心血管支架的产品用钢。
与现有技术相比，本发明的优点是：对现有技术中的医用不锈钢制备工艺进行改进，采取分段加热后淬火并回火的热处理步骤，再采用渗氮表面处理工序，通过严格控制热处理制度以及表面改性的参数范围，确保不锈钢产品的表面涂层性能，使其兼具力学性能和耐腐蚀性的使用要求的同时，获得了优异的生物相容性，能够满足医用外科植入金属材料的应用需求。
具体实施方式
包括我国在内的很多国家已经下调了医用不锈钢中镍元素的标准含量，并发布了医用无镍不锈钢标准。无镍不锈钢作为一种新型的生物医用材料，由于其不含镍元素，且具有优异的综合性能，在多个领域中已经取得重要进展。作为冠脉支架植入材料，无镍不锈钢具有良好的血液相容性，同时对血管平滑肌细胞的增殖具有一定的抑制作用，对降低支架植入后引起的再狭窄具有十分重要的意义。随着对无镍不锈钢的生物安全性和力学性能等相关基础性研究的不断深入进行及逐步优化，医用无镍不锈钢正在逐渐取代传统医用不锈钢。
不同类型的抗菌不锈钢的杀菌机理会有所不同。根据抗菌剂的不同，抗菌机理主要有两种：离子型杀菌和光催化杀菌。对于合金型及表面镀有抗菌金属的表面改性型不锈钢，其主要抗菌机理为离子型杀菌。以含铜抗菌不锈钢为例，抗菌不锈钢在服役过程中由于不可避免地腐蚀作用，在其表面会微量和持续地释放出具有强烈杀菌作用的抗菌离子。不锈钢表面溶出的铜离子能够破坏细菌内蛋白质结构，抑制细菌DNA的复制和相关蛋白质/酶的合成，破坏细菌内的代谢活动，使细菌失去活性，导致细菌死亡。
表面改性是改善医用金属材料的耐腐蚀性和血液相容性的有效方法，其主要方法可分为两类：一类是在不锈钢表面制备生物相容性良好的生物陶瓷薄膜（或涂层），但存在基底－薄膜（或涂层）界面结合强度不高、在生理环境中长期植入的稳定性较差的问题；另一类是采用物理或化学方法进行原位表面改性，如机械抛光、粒子束注入、激光改性、表面化学处理和表面热处理等，这些方法在保留金属材料本身性能的同时能够改变材料表面的成分和结构。生物医用金属材料易磨损和腐蚀，因此利用表面改性技术可提高医用材料的生物相容性。尤其对骨、齿等硬组织植入物及心血管金属支架的表面改性，能够提高植入物的抗腐蚀性和血液相容性。
本发明医用无镍不锈钢材料的制作工艺完全摒弃了镍元素，采用氮元素来强化奥氏体基体，合适的热处理使不锈钢保证了单一、稳定的微观晶粒结构，即使在发生严重变形后仍能保持稳定结构。并且，本发明不锈钢产品在0.9wt% NaCl生理盐水和模拟血浆溶液中具有优异的耐蚀性，在其强度提高的同时，伸长率、断面收缩率仍保持了较高的水平。
下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
一种医用无镍不锈钢的处理工艺，所述工艺的步骤为：
（1）、根据医用材料产品设计的不锈钢坯料尺寸进行热锻制备所述坯料，然后对所述坯料进行轧制。
（2）、将冷轧后的不锈钢在一定张力下入炉热处理，所述张力能确保控制不锈钢的延伸率在1.0％，先以120℃/h的加热速度升温至550℃，保温2h，然后以850℃/min的加热速度升温至880℃并保温1h。
（3）、在淬火油中进行淬火处理，并在不锈钢冷却至180℃后取出保温0.5h。
（4）、再将不锈钢加热至360℃回火保温2h，冷却至室温。
（5）、将回火后的不锈钢材料进行清洗，放入离子氮化设备中的氮化工作台上，设备抽真空，保持设备环境温度为400℃左右，当抽真空至10Pa时，加入氨气至410Pa。
（6）、将离子氮化设备升温至480℃保持10h，再调节至420℃，通入25%N2+75% H2混合气体并保持8h，最后冷却至室温，获得医用无镍不锈钢材。
所述不锈钢坯料的成分为C 0.05wt%，Cr 21.0wt%，Mn 8.0wt%，V 0.50wt%，Sn0.30wt%，Cu 0.25wt%，余量为铁和不可避免的杂质。
所述医用无镍不锈钢材成品的屈服强度为550MPa、抗拉强度为950MPa、伸长率为56%。
所述医用无镍不锈钢材成品用于外科植入金属材料。
实施例2：
一种医用无镍不锈钢的处理工艺，所述工艺的步骤为：
（1）、根据医用材料产品设计的不锈钢坯料尺寸进行热锻制备所述坯料，然后对所述坯料进行轧制。
（2）、将冷轧后的不锈钢在一定张力下入炉热处理，所述张力能确保控制不锈钢的延伸率在4.0％，先以150℃/h的加热速度升温至600℃，保温2h，然后以450℃/min的加热速度升温至860℃并保温0.5h。
（3）、在淬火油中进行淬火处理，并在不锈钢冷却至190℃后取出保温0.5h。
（4）、再将不锈钢加热至380℃回火保温3h，冷却至室温。
（5）、将回火后的不锈钢材料进行清洗，放入离子氮化设备中的氮化工作台上，设备抽真空，保持设备环境温度为400℃左右，当抽真空至10Pa时，加入氨气至420Pa。
（6）、将离子氮化设备升温至500℃保持6h，再调节至420℃，通入25%N2+75% H2混合气体并保持5h，最后冷却至室温，获得医用无镍不锈钢材。
所述不锈钢坯料的成分为C 0.05wt%，Cr 21.0wt%，Mn 8.0wt%，V 0.50wt%，Sn0.30wt%，Cu 0.25wt%，余量为铁和不可避免的杂质。
所述医用无镍不锈钢材成品的屈服强度为600MPa、抗拉强度为1000MPa、伸长率为55%。
所述医用无镍不锈钢材成品为不锈钢骨固定器械的产品用钢。
实施例3：
一种医用无镍不锈钢的处理工艺，所述工艺的步骤为：
（1）、根据医用材料产品设计的不锈钢坯料尺寸进行热锻制备所述坯料，然后对所述坯料进行轧制。
（2）、将冷轧后的不锈钢在一定张力下入炉热处理，所述张力能确保控制不锈钢的延伸率在3.5％，先以130℃/h的加热速度升温至700℃，保温1.5h，然后以650℃/min的加热速度升温至850℃并保温0.5h。
（3）、在淬火油中进行淬火处理，并在不锈钢冷却至160℃后取出保温1h。
（4）、再将不锈钢加热至380℃回火保温3h，冷却至室温。
（5）、将回火后的不锈钢材料进行清洗，放入离子氮化设备中的氮化工作台上，设备抽真空，保持设备环境温度为400℃左右，当抽真空至10Pa时，加入氨气至450Pa。
（6）、将离子氮化设备升温至490℃保持10h，再调节至440℃，通入25%N2+75% H2混合气体并保持6h，最后冷却至室温，获得医用无镍不锈钢材。
所述不锈钢坯料的成分为C 0.05wt%，Cr 21.0wt%，Mn 8.0wt%，V 0.50wt%，Sn0.30wt%，Cu 0.25wt%，余量为铁和不可避免的杂质。
所述医用无镍不锈钢材成品的屈服强度为650MPa、抗拉强度为1050MPa、伸长率为52%。
所述医用无镍不锈钢材成品为抗凝血不锈钢心血管支架的产品用钢。
对比例1：
当热处理工艺制度发生改变时，将导致不锈钢的微观结构变化。例如加热制度不分段进行，将导致不锈钢存在冷轧残余应力，并且奥氏体化阶段晶粒粗大，局部成分不均匀。而本发明的元素比例是考虑的均衡力学性能和耐腐蚀、生物相容性的综合性能，当元素种类或含量发生变化时，将使最终不锈钢产品的力学性能、生物致敏性和细胞毒性发生劣化，同时也使热处理制度与之不相适应，无法取得优异的综合性能。
对比例2：
本发明的制造方法中，当改变表面处理工艺时，特别是氮化气氛和温度等工艺参数发生改变，将影响表面处理的效果，导致医用不锈钢最终产品的涂层质量不佳，在人体内高应力高腐蚀环境下使用寿命缩短。
由实施例1-3和对比例1和2可以看出，实验结果表明：本发明对现有技术中的医用不锈钢制备工艺进行改进，采取分段加热后淬火并回火的热处理步骤，再采用渗氮表面处理工序，通过严格控制热处理制度以及表面改性的参数范围，确保不锈钢产品的表面涂层性能，使其兼具力学性能和耐腐蚀性的使用要求的同时，获得了优异的生物相容性，能够满足医用外科植入金属材料的应用需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种医用无镍不锈钢的处理工艺，其特征在于，所述工艺的步骤为：
（1）、根据医用材料产品设计的不锈钢坯料尺寸进行热锻制备所述坯料，然后对所述坯料进行轧制；
（2）、将轧制后的不锈钢在一定张力下入炉热处理，所述张力能确保控制不锈钢的延伸率在1.0％～5.0％，所述热处理为先以100～150℃/h的加热速度升温至500～700℃，保温1～2h，然后以400～850℃/min的加热速度升温至奥氏体化温度并保温0.5～1h；
（3）、在淬火油中进行淬火处理，并在不锈钢冷却至160～220℃后取出保温0.5～1h；
（4）、再将不锈钢加热至一定温度回火保温2～3h，冷却至室温；
（5）、将回火后的不锈钢材料进行清洗，放入离子氮化设备中的氮化工作台上，设备抽真空，当抽真空至10Pa时，加入氨气至400～450Pa；
（6）、将离子氮化设备升温至480～500℃保持5～10h，再调节至420～440℃，通入25%N2+75% H2混合气体并保持5～10h，最后冷却至室温，获得医用无镍不锈钢材；
所述不锈钢坯料的成分为C 0.05wt%，Cr 21.0wt%，Mn 8.0wt%，V 0.50wt%，Sn0.30wt%，Cu 0.25wt%，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，步骤（1）中，所述轧制为冷轧。
3.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，步骤（3）中，所述奥氏体化温度为850～880℃。
4.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，步骤（4）中，所述回火温度为350～380℃。
5.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，步骤（5）中，设备抽真空时保持设备环境温度为400℃左右。
6.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，所述医用无镍不锈钢材的屈服强度为550～650MPa、抗拉强度为950～1050MPa、伸长率为52～56%。
7.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，所述医用无镍不锈钢材用于外科植入金属材料。
8.根据权利要求7所述的处理工艺，其特征在于，所述医用无镍不锈钢材为不锈钢骨固定器械和抗凝血不锈钢心血管支架的产品用钢。
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