低模数耐蚀合金及其用途制造技术

本发明专利技术主要提供一种低模数耐蚀合金，其由五种主要元素组成，其中所述五种主要元素为Zr、Nb、Ti、Mo和Sn。依据本发明专利技术的设计，其至少由大于或等于31wt％的Zr、18～50wt％的Nb、10～40wt％的Ti、4～10wt％的Mo以及1.5～15wt％的Sn等多种元素所组成；其中，Zr与Ti的重量百分比总和小于或等于80wt％。实验数据显示，本发明专利技术的低模数耐蚀合金的多个样品皆具有以下性质：维氏硬度大于HV250、杨氏模量小于100GPa、屈服强度大于600MPa以及孔蚀电位大于1.3V。因此，实验数据证明，本发明专利技术的低模数耐蚀合金具有应用于制作外科植入材料或医疗器械的高度潜力，亦可应用于如弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材等各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。

Low modulus corrosion resistant alloy and its application

【技术实现步骤摘要】
低模数耐蚀合金及其用途


[0001]本专利技术是关于合金材料的相关
，尤指一种低模数耐蚀合金。

技术介绍

[0002]生医材料为一种具有生物兼容性且可植入活体系统中用以取代或修补活体系统之部分的材料，包括：合金材料、高分子材料以及陶瓷材料。其中，常见的合金生医材料(Alloy as biomedical material) 可进一步分为：不锈钢、钴基合金以及钛合金。不锈钢具有易加工、价格低廉和高屈服强度的特性，因此最早被开发应用为生医材料。
[0003]不锈钢是由铁、铬、碳及其它众多元素所组成的合金，其中，铁与铬为不锈钢组成的主要元素，且铬的重量百分比至少要11wt％。通用型号304不锈钢为18Cr
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8Ni的合金钢，其被加工制造为骨板及骨钉。补充说明的是，18和8指的是铬(Cr)和镍(Ni)的重量百分比的数值，且304不锈钢为Stainless Steel 304，其缩写为SS304或SUS304。相较于304不锈钢，316不锈钢被进一步添加了含量为2
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3wt％的钼 (Mo)，因此具有更好的耐酸、耐腐蚀(氯化物)与耐高温性质。另一方面，通过将316不锈钢的碳含量由0.08wt％降低至0.03wt％即获得通用型号为316L的低碳不锈钢。目前，316L不锈钢常用于人工关节的制作。可惜的是，临床数据显示，在长时间植入人体后，316L不锈钢会因为受到腐蚀或磨损而导致金属离子释出至血液或组织之中，从而引起造成人体不良反应。同时，临床数据亦指出，316L不锈钢的密度及杨氏模量较大，因此会引起应力遮蔽效应(stress shielding effect) 从而影响骨骼正常发展。
[0004]钴基合金为由钴、铬、钼及其它众多元素所组成的合金，其耐腐蚀性比不锈钢高40倍。Co
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28Cr
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6Mo合金是钴基合金的一种，一般采用铸造工艺(Co
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Cr
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Mo合金(F75))、锻造工艺(Co
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Cr
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W
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Ni合金(F90)、 Co
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Ni
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Cr
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Cr
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Mo合金(F562)、Co
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Ni
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Cr
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Mo
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W
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Fe合金(F563))和粉末冶金技术等工艺制造，主要被用于人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉、与骨针的制作。由于钴基合金在人体内多保持钝化状态，因此具有极佳的耐蚀性。可惜的是，临床案例指出，在植入由钴基合金制成的髋关节二至三年后，患者感到关节周围疼痛和植入物松脱等症状发生。另一方面，Co
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28Cr
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6Mo密度约8.25g/cm3且杨氏模量约220MPa，两者皆高于316L不锈钢，其力学兼容性表现差于316L 不锈钢。
[0005]钛及钛合金的密度在4.5g/cm3左右，约为不锈钢和钴基合金的一半，接近人体硬组织，且其生物兼容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴基合金，为目前已知生物兼容性最佳的金属生医材料，其中又以Ti
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6A1
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4V钛合金获得最多的生医材料应用。在植入人体后，其生成在其表面得氧化钛(TiO2)具有诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨结合能力，适合作为骨内埋植物。可惜的是，Ti
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6A1
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4V表面生成的氧化层(TiO2+Al2O3)为不均质且具多孔性，氧化层和晶粒易破裂及剥落，产生严重氧化磨耗及剥层磨耗。故而，相较于不锈钢与钴基合金，Ti
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6A1
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4V钛合金显示出的强度不够以及磨耗阻抗能力不佳等缺点。此外，Ti
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6A1
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4V钛合金和骨骼的杨氏模量分别为116GPa与30GPa，两者之杨氏模量差距容易引发应力遮蔽效应。
[0006]由上述说明可知，现有的合金生医材料于实务应用上存在着以下缺陷：
[0007](1)强度不够及磨耗阻抗能力不佳；
[0008](2)高杨氏模量易引发应力遮蔽效应；以及
[0009](3)耐腐蚀性不佳。
[0010]换句话说，现有的合金生医材料仍具有诸多需要加以改善之处。有鉴于此，本案的专利技术人极力加以研究专利技术，而终于研发完成一种低模数耐蚀合金及其用途。

技术实现思路

[0011]本专利技术的主要目的在于提供一种低模数耐蚀合金，其由五种主要元素组成，其中所述五种主要元素为Zr、Nb、Ti、Mo和Sn。依据本专利技术的设计，其至少由大于或等于31wt％的Zr、18～50wt％的Nb、10～40wt％的Ti、4～10wt％的Mo以及1.5～15wt％的Sn等多种元素所组成；其中， Zr与Ti的重量百分比总和小于或等于80wt％。实验数据显示，本专利技术的低模数耐蚀合金的多个样品皆具有以下性质：维氏硬度大于HV250、杨氏模量小于100GPa、屈服强度大于600MPa以及孔蚀电位大于1.3V。因此，实验数据证明，本专利技术的低模数耐蚀合金具有应用于制作外科植入材料或医疗器械的高度潜力，亦可应用于如弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材等各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。
[0012]为达成上述目的，本专利技术提出所述低模数耐蚀合金的一第一实施例，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa 的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为 xZr
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yNb
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zTi
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aMo
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bSn；
[0013]其中，x、y、z、a和b皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a 和b满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5 ≦b≦15以及x+z≦80。
[0014]并且，本专利技术同时提出所述低模数耐蚀合金的一第二实施例，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为 xZr
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yNb
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zTi
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aMo
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bSn
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sM。
[0015]其中，M为选自于由钽(Ta)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)、钒(V)、镍(Ni)、铜(Cu)、钴(Co)、碳(C)和氧(O)所组成群组之中的至少一种元素；
[0016]其中，x、y、z、a、b和s皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a、b和s满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15、s≦5以及x+z≦80。
[0017]为达成上述目的，本专利技术同时提出所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低模数耐蚀合金，具有大于HV250的维氏硬度、小于100GPa的杨氏模量、大于600MPa的屈服强度、以及大于1.3V的孔蚀电位，且其组成为xZr
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yNb
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zTi
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aMo
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bSn；其中，x、y、z、a和b皆为重量百分比的数值，且x、y、z、a和b满足以下不等式：x≧31、18≦y≦50、10≦z≦40、4≦a≦10、1.5≦b≦15以及x+z≦80。2.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，其铸造态、滚轧态或退火态的一主相晶体结构皆为体心立方结构。3.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，还包括至少一元素M，而使其组成为xZr
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yNb
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zTi
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aMo
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bSn
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sM；其中，M为选自于由钽、铂、银、金、铝、钒、镍、铜、钴、碳和氧所组成群组之中的至少一种元素，且s为重量百分比的数值并其满足不等式s≦5。4.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，其特征在于，所述低模数耐蚀合金利用选自于由真空电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。5.根据权利要求1所述的低模数耐蚀合金，其特征在于，所述低模数耐蚀合金的形态为下列任一者：粉末、线材、棒材、板材、焊条或块材。6.一种根据权利要求1
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5中任一项所述的低模数耐蚀合金的用途，其用于一外科植入材料或一医疗器械的制造，亦可用于弹簧、线圈、导线、夹具、扣件、叶片、阀件、弹性片、镜框、运动器材各式工业领域及高强度低模数耐蚀结构材料。7.一种低模数耐蚀合金，具有大于HV250的维氏硬度、小...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶均蔚，
申请(专利权)人：叶均蔚，
类型：发明
国别省市：