[发明专利]一种新型外科植入用钴基合金及其应用

说明书

技术领域

本发明属于合金领域，特别提供一种新型外科植入用钴基合金及其应用。

背景技术

钴基合金是以钴为基体，添加铬、镍、钼和钨等元素形成的合金材料，钴基合金以钴铬钼合金为其典型代表，主要分为铸造和热锻加工两种基本类型，如铸造的CoCrMo合金，锻造的CoCrMo合金，CoNiCrMo等。钴基合金具有优良的耐磨性能和耐蚀性能，按使用用途分类钴基合金可以分为钴基耐磨损合金，钴基耐高温合金及钴基耐磨损合金。

医用钴基合金具有良好的耐腐蚀性能、耐磨损性能和抗热疲劳性能，热导率高，热膨胀系数较低，杨氏模量不随其强度变化而变化。模量范围220～234MPa，远高于其他材料如不锈钢和钛合金等。作为植入材料，其力学性能与骨相差较大，这将影响其植入效果。国际ISO医用钴基标准中共列出了作为外科植入材料的5种钴基合金，可铸造的钴铬钼(CoCrMo)合金(ISO5832-4)，可锻造的钴铬钼(CoCrMo)合金(5832-12)，可锻造的钴铬钨镍(CoCrWNi)合金(ISO5832-5)，可锻造的钴镍铬钼(CoNiCrMo)合金(ISO5832-6)，可锻造的钴镍铬钼钨铁(CoNiCrMoWFe)合金(ISO5832-7)，其中可铸造的钴铬钼(CoCrMo)合金(ISO5832-4)和可锻造的钴镍铬钼(CoNiCrMo)合金(ISO5832-6)，广泛用于制作植入体，可锻造的钴铬钨镍(CoCrWNi)合金(ISO5832-5)现在也广泛用于加工心血管支架。

在医用钴基合金的发展过程中，合金的选择与设计和工业领域用钴基合金密不可分，目前临床使用的大多数医用钴基合金都直接来自工业领域，其合金成分和加工工艺等都和工业用钴基合金接近，在重视材料性能的同时很少考虑生物安全性等问题。因此在现有的钴基合金中除了钴铬钼合金不含镍元素外，其他可锻造钴基合金均含有9%以上的镍元素，而镍离子对人体具有很大的潜在毒副作用，具有，致敏，致癌的危害。同时钴是一种重要战略资源，世界上大多数国家缺钴，导致钴的价格昂贵，钴基合金成本一直居高不下。

发明内容

本发明在钴铬钼合金基础上，降低钴和铬的含量，加入适量的铁元素和锰元素，同时加入氮元素来优化力学性能和耐蚀性能，研发出一种新型可锻造外科植入用钴基合金，该合金具有优良的力学性能和耐蚀性能，在避免镍的危害的同时，降低了合金的成本，并具有优良的强韧性组合和冷热加工性能，具有重要的社会和经济意义。

本发明具体提供了一种新型外科植入用钴基合金，其特征在于：按重量计其具体化学成分为：碳C≤0.08%，铬Cr：16～24%，铁Fe：10～20%，锰Mn：5～20%，钼Mo：2～6%，氮N：0.2～0.6%，镍Ni：≤0.1%，硅Si：≤0.5%，硫S：≤0.01%，磷P：≤0.02%，钴Co：余量。优选为碳C≤0.08%，铬Cr：18～22%，铁Fe：16-20%，锰Mn：14-18%，钼Mo：2-4%，氮N：0.3-0.6%，镍Ni：≤0.1%，硅Si：≤0.5%，硫S：≤0.01%，磷P：≤0.02%，钴Co：余量。

本发明所提供的外科植入用钴基合金中，为了避免镍元素的潜在致敏和致癌等危害，考虑到冶金原料中镍的残余含量，本发明钴基合金中控制镍Ni≤0.1wt%。

本发明所提供的钴基合金，为了保证优良的力学性能和耐蚀性能，特别是冷加工性能，严格控制合金中的碳含量。钴基合金中最主要的碳化物是Cr₂₃C₆，主要是铬元素和碳在一定的温度条件下，缓慢冷却时在晶界和枝晶间析出的细小弥散的碳化物，能阻止晶界滑移，对合金的强化效果明显，同时也提高合金的耐磨损性能，但是过多的碳化物严重降低合金的冷加工性能和耐蚀性能，因此本发明钴基合金中碳含量最好控制在C≤0.08wt%。

本发明所提供的钴基合金含有氮元素，首先氮是稳定奥氏体组织的合金元素，氮的奥氏体化能力大约是镍的20-30倍。其次合金中的氮有助于提高合金的强度和耐腐蚀性，根据点蚀和缝隙腐蚀抗力近似计算公式PREN=%Cr+3.3%Mo+(13-30)%N，可以看出氮和铬、钼共同作用是铬单独作用效果的20～30倍。第三，合金中的氮元素在人体内是宏量元素，对人体没有危害，而且腐蚀过程形成的NH⁴⁺或NH₃，可以改善局部环境的pH值，从而改善耐蚀性。但是合金中过多的氮影响合金的冷热加工性能，因此考虑到冶金学因素及对冷加工性及冷成形性能的影响，本发明钴基合金中氮含量控制在0.2～0.6%。