[发明专利]一种用于医学领域含Pt纳米孪晶钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于医学金属材料领域，提供了一种同时具有良好力学性能与生物医学降解特性可用于医学领域的含Pt纳米孪晶钢及其制备方法。

背景技术

作为医学应用的金属支架或者移植材料除了具有良好的生物医学降解特性，还需要良好的力学性能，如超高强度和良好的塑性以及显著的加工硬化率，保证金属支架的均匀扩张而减少对身体的刺激。相比较传统的钛铝合金以及316L不锈钢等医学金属材料，近年来开发的形变孪晶诱导高塑性钢（Twinning Induced Plasticity, TWIP钢），在变形过程中产生形变孪晶具有TWIP效应，因而具备良好的机械性能，如同时具有高强度高塑性，是一种潜在的医学领域用金属材料，然而普通Fe-Mn-C或者Fe-Mn-C-Al系TWIP钢材料的生物医学降解速率较低不适宜选做医学材料，本发明提供了一种同时具有良好力学性能和良好生物医学腐蚀及降解特性可用于医学领域含Pt纳米孪晶钢及其制备方法。

发明内容

本发明提供一种可降解生物金属合金材料Fe-Mn-Al-C-Pt系含Pt纳米孪晶钢及其制备方法。本发明材料的组成成分以质量分数表示为：碳（C）：0.6-1.2%，锰（Mn）：17-21%，铝（Al）：0.6-2%，磷（P）<0.004%，硫（S）<0.004%，氮（<0.02%），铂（Pt）含0.6-2%。

当碳含量少于0.6%时，材料的层错能过低，材料变形过程容易产生马氏体相变，连铸及轧制过程中容易产生裂纹且钢种的塑性有所下降，同时降低材料的生物医学降解速率。当碳含量高于1.2%时，层错能迅速增加，材料的变形机制由形变孪晶和位错滑移混合变形模式变成位错滑移，材料形变过程不产生孪晶，不具备TWIP效应。锰含量在17-21%范围，锰含量超过21%时，会导致热轧过程中裂纹大量产生，由于锰是贵金属，因而同时增加生产成本，小于17%，无法确保材料的物相稳定在奥氏体。铝元素的含量应该控制在0.6-2%，由于铝元素是铁素体稳定元素，增加铝含量提高材料的塑性，同时增加材料的层错能，当铝含量高于2.0%时，层错能迅速增加，材料变形过程中不再由形变孪晶主导，转变成位错滑移。同时铝元素的加入可明显改善TWIP钢的延迟断裂问题。

Pt(铂)元素不仅影响材料的腐蚀特性及生物医学降解速率，铂元素减少电极化抗力，增加生物医学降解速率，保证24小时内生物医学降解速率（单位面积的质量损失）超过0.5mg/cm²,48小时内生物医学降解速率达到1.5mg/cm²以上，同时也影响材料的微观结构和力学性能，铂元素提高材料的层错能，本发明中使用铂元素形成析出物，铂质量分数控制在0.6-2%，当其质量分数小于0.6%时，析出物量过少，析出物强化效果不明显，同时材料的腐蚀和生物医学降解效果不明显，当质量分数超过2%形成大量的析出物恶化材料的塑性。同时析出物的尺寸控制在15-100纳米左右，析出物的强化效果最为明显。

磷元素和硫元素都是有害元素，应该控制在0.004%以下。氮元素与铝元素形成金属间化合物Al_xN_y可以细化晶粒，提高材料的强度和塑性，当氮元素含量超过0.02%时会产生大量的金属间化合物Al_xN_y恶化材料的成形性和延伸率等材料力学性能。

该钢中生产工序为：炼钢+连铸+加热炉均质化处理+热轧+临界区退火处理+卷曲+温轧+冷轧+连续退火处理，炼钢过程降低全氧含量，进而降低钢种夹杂物的数量，同时使得钢种的S、P质量分数控制在0.004%以下，全氧含量在0.0025%以下。合金化过程提高Mn、Al、Pt等合金元素收得率，连铸过程尽量采用低过热度、低拉速浇铸，过热度控制在5℃-15℃之间，拉速控制在0.5/min-1.2m/min，同时浇铸过程采用结晶器电磁搅拌和铸坯末端电磁搅拌双搅拌器手段，使得铸坯组织均匀，铸坯中心缺陷控制在0-2级，等轴晶比率在80%以上。凝固末端电磁搅拌等方式铸造使得材料组织更加均匀，C元素中心偏析度控制在1.0-1.1之间，P、S两种元素中心偏析度控制在1.0-1.15之间，Mn元素中心偏析度控制在1.0-1.2之间。