一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢，该材料为单相的奥氏体组织，其中各元素的重量百分比为：Cr：13～18%，Mn：8～12%，Mo：2～4%，N：0.6～2.5%，Ni≤0.36%，余量为铁和不可避免的杂质，其中，不可避免的杂质≤0.43%。本发明专利技术还公开了一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢的制备方法。本发明专利技术的医用高氮无镍奥氏体不锈钢非常适合用作医用植入材料，医疗工具材料，首饰及其他人体经常接触的不锈钢产品方面，而且也可用于化工和环保方面，例如，高温液体或气体的固体颗粒过滤器，污水处理和流体分布装置等。

Medical high nitrogen nickel free austenitic stainless steel and preparation method thereof

The invention discloses a medical nickel free austenitic stainless steel, the material is austenite phase, wherein the weight percentage of each element is Cr:13 ~ 18%, Mn:8 ~ 12%, Mo:2 ~ 4%, N:0.6 ~ 2.5%, Ni = 0.36%, the balance of iron and unavoidable impurities, the inevitable impurities is less than or equal to 0.43%. The invention also discloses a preparation method of the medical high nitrogen nickel free austenitic stainless steel. Medical high nitrogen nickel free austenitic stainless steel of the invention is suitable to be used as medical implant materials, medical tool materials, stainless steel jewelry and other products of human touch, but also can be used in chemical industry and environmental protection, for example, solid particle filter high temperature liquid or gas, sewage treatment and fluid distribution device.

【技术实现步骤摘要】
一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢及其制备方法
本专利技术属于医用不锈钢材料制备
，尤其涉及一种基于高温渗氮的医用高氮无镍奥氏体不锈钢及其制备方法。
技术介绍
不锈钢是应用最早的一类医用金属材料，已经应用于临床有半个多世纪的历史。近几十年来，由于镍离子对人体的危害，许多国家已经禁止在医用材料中含有镍，促进了研究和开发高氮无镍奥氏体不锈钢——一种新型医用材料。氮是一种奥氏体形成元素，氮能强烈促进奥氏体的形成，稳定并扩大奥氏体相区，在显著提高奥氏体不锈钢强度的同时，能保持其断裂韧性，并能提高耐蚀性能。作为生物植入材料，制造人工骨头或者人工关节时，必须要考虑它受力的特殊性。弹性模量是金属生物材料最重要的性能之一，也是生物医用材料力学相容性的重要组成部分。致密的块体奥氏体不锈钢材料的弹性模量为200GPa左右，远高于皮质骨的4-30GPa和松质骨的0.01-2GPa，这样很容易产生应力屏蔽效应。所以，对于金属植入材料来讲，降低它的弹性模量，尽量使其弹性模量与人骨接近或想匹配是至关重要的。本专利技术制备多孔结构的医用植入材料，不仅可以降低弹性模量来改善它的力学相容性，多孔的结构还有利于细胞的长入、分裂和增值，从而提高材料的生物相容性。20世纪80年代，高氮不锈钢的研究与开发受到了国际冶金界的高度重视，并陆续研制出热等静压(H工P)、加压感应炉熔炼、加压电渣熔炼(PESR)等高压冶炼高氮不锈钢制备技术，但这些冶炼过程均存在着能耗高、需要复杂设备等缺点。关于生产高氮无镍不锈钢材料，专利CN1480550A和专利CN10288566A采用真空感应炉冶炼工艺制备致密的块体材料无镍高氮奥氏体不锈钢，弹性模量偏高，与人体骨骼不匹配，不适用于人体植入材料。而粉末冶金具有节约材料、环境洁净、成分均匀且重现性好、可生产高质量且形状复杂的零件等优点。到目前为止，用铁铬锰钼系不锈钢粉末压制成型的生坯在氢气氛中进行氢还原反应，随后在氮气中进行氮化反应，生产无镍高氮奥氏体不锈钢粉末的专利尚未见公开。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢，特别是涉及一种替代致密骨组织的医用植入医用高氮无镍奥氏体不锈钢及其制备方法，解决含镍不锈钢存在的镍价格昂贵以及医用含镍不锈钢对人体健康的危害等问题，获得了单一奥氏体组织，具有高的生物力学相容性的资源节约型无镍不锈钢材料，降低工艺成本。同时，本专利技术也提供了一种还原工艺与高温气固渗氮相结合制备高氮钢的工艺。本专利技术可通过如下技术方案实现：一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢，该材料为单相的奥氏体组织，其中各元素的重量百分比为：Cr：13～18%，Mn：8～12%，Mo：2～4%，N：0.6～2.5%，Ni≤0.36%，余量为铁和不可避免的杂质，其中，不可避免的杂质≤0.43%。进一步地，所述不可避免的杂质为O。一种如所述的医用高氮无镍奥氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：1）配比、混粉：含氮无镍双相不锈钢粉末X15CrMn和造孔剂按照一定质量分数比称量好后，倒入塑料瓶混合，然后捆绑在V型混粉机上进行充分混合，混合时间12～48h；2）模压成型：混合好的粉末在CMT5105电子万能试验机上进行模压成型，压制压力200～750MPa；3）预烧结：在200oC保温30～120min，去除造孔剂，流动高纯氢气保护气氛下进行；4）还原工艺：还原温度是600～850oC，保温时间是1～4h，气体流量为300～600ml/min，流动高纯氢气保护下进行；5）高温烧结工艺：烧结温度是1100～1300oC，保温时间是30～150min，气体流量为400～1000ml/min，流动氮气保护气氛下进行；6）固溶处理：氮气保护气氛下加热到1000～1150oC，保温30～120min，氮气保护气氛下水淬冷却到室温。进一步地，加热时以1～20oC/min的速度升温至200～1300oC。进一步地，所述含氮无镍双相不锈钢粉末X15CrMn和造孔剂NH4HCO3的质量分数比为50～90：50～10。进一步地，：X15CrMn双相不锈钢粉末的粒度大小为-600、-500、-400、-325或-300目。进一步地，所述的造孔剂为NH4HCO3。本专利技术的烧结过程是在管式炉中进行，全程通流动性气体，从室温至还原工艺过程结束通的是高纯氢气，还原工艺过程结束至高温烧结直至随炉缓慢冷却过程中通入的是氮气。多孔高氮无镍奥氏体不锈钢的粉末冶金成形工艺采用原材料是含氮双相不锈钢粉末，其粒度大小为-600、-500、-400、-325、-300目。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1．由于钢中氮在固态中的溶解度远大于在钢液中的溶解度。采用粉末冶金方法进行固溶渗氮，能够获得含氮量高的不锈钢材料。粉末冶金以粉末为原料进行材料制备，能够较为容易地获得较高的氮含量和均匀的氮的分布。以直接气固渗氮工艺制得了氮含量大于0.2wt%的奥氏体不锈钢材料。2．本专利技术以含氮无镍双相不锈钢为原料，经过还原+气固渗氮方法，制备高氮无镍奥氏体不锈钢，解决了含镍奥氏体不锈钢应用于医学领域所出现过敏反应，并且能够降低含镍不锈钢的产品成本。氮代替镍作为奥氏体不锈钢中的合金元素，节省资源，环境友好，经济环保。3．本专利技术通过制备多孔高氮无镍不锈钢材料，最低弹性模量可达30GPa，非常接近人骨的弹性模量，抗压强度可达140MPa。多孔材料的制备，不仅可以降低弹性模量来改善它的力学相容性，多孔的结构还有利于细胞的长入、分裂和增值，从而提高材料的生物相容性，并且有一定的强度以支撑人体重量。4.本专利技术在最终高温烧结工艺之前，利用强还原性的氢气气氛作为还原剂，在合适的温度下，还原掉生坯里面的粉末颗粒表面的氧化物，极大的促进了原始粉末颗粒之间的致密化行为，原始粉末颗粒边界逐渐消失不见，此外，还对氮的吸收有极大的促进作用。氮含量的增加，大大增加了材料中的奥氏体的含量，铁素体含量逐渐减少，最终转变为单相的奥氏体组织。附图说明图1为原材料和造孔剂混合物的生坯模压成形示意图。图2为预烧结、还原、高温烧结工艺装备的示意图图3为预烧结、还原、高温烧结工艺过程示意图。图4为所制备的奥氏体不锈钢的XRD图谱。图5为所制备的奥氏体不锈钢显微组织的SEM图。图6为所制备的奥氏体不锈钢压缩工程应力-应变曲线。图7为所制备的奥氏体不锈钢的原位纳米压痕仪-压痕深度和力加载曲线。图中所示为：1-气压阀；2-流动性气体；3-管式炉；4-刚玉管；5-原始粉末和造孔剂混合物的生坯；6-去除造孔剂后的生坯；7-被还原后的生坯；8-孔洞；9-烧结样；10-CMT5105电子万能试验机。具体实施方式为更好理解本专利技术，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明，但是本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。实施例1一种医用高氮无镍奥氏不锈钢的制备方法，包括步骤：1）将粒度大小为-500目的含氮无镍双相不锈钢粉末X15CrMn和造孔剂NH4HCO3按照70:30的质量分数在V型混粉机中混合24h至粉末充分混合均匀后的混合粉末倒入钢模中，所述含氮无镍双相不锈钢粉末X15CrMn的化学成分（wt.%）为：Mn：10.84，Cr：17.5，Mo：3.400，N：0.44，Ni：0.36，C：0.059，O：0.134，其余为Fe本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢，其特征在于，该材料为单相的奥氏体组织，其中各元素的重量百分比为：Cr：13～18%，Mn：8～12%，Mo：2～4%，N：0.6～2.5%，Ni≤0.36%，余量为铁和不可避免的杂质，其中，不可避免的杂质≤0.43%。

【技术特征摘要】
1.一种医用高氮无镍奥氏体不锈钢，其特征在于，该材料为单相的奥氏体组织，其中各元素的重量百分比为：Cr：13～18%，Mn：8～12%，Mo：2～4%，N：0.6～2.5%，Ni≤0.36%，余量为铁和不可避免的杂质，其中，不可避免的杂质≤0.43%。2.根据权利要求1所述的高氮无镍奥氏体不锈钢，其特征在于：所述不可避免的杂质为O。3.一种如权利要求1或2所述的医用高氮无镍奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）配比、混粉：将含氮无镍双相不锈钢粉末X15CrMn和造孔剂按照一定质量分数比称量好后，倒入塑料瓶混合，然后捆绑在V型混粉机上进行充分混合，混合时间12～48h；2）模压成型：混合好的粉末在CMT5105电子万能试验机上进行模压成型，压制压力200～750MPa；3）预烧结：在200oC保温30～120min，去除造孔剂，流动高纯氢气保护气氛下进行；4）还原工艺：还原温度是6...

【专利技术属性】
技术研发人员：李烈军，胡玲，倪东惠，彭政务，彭翰林，周峰，熊超，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44