CN1708599A - 耐蚀马氏体时效钢的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是制造机械操纵的旋转工具，优选为制造钻孔、铣削、研磨和切削刀具，其具有稳定的耐腐蚀性和生物兼容性，还具有很高的机械强度性能和良好的延展性。为此，本发明涉及一种析出硬化马氏体不锈铬镍钢的用途，所述钢具有下列成分(单位为wt.－％)：铬：10到14，镍：7到11，钼：0.5到6，铜：0.5到4，铝：0.05到0.55，钛：0.4到1.4，碳+氮：最大为0.3，硫：小于0.05，磷：小于0.05，锰：最大为0.5，硅：最大为0.5，钽、铌、钒和钨：每个的最大含量为0.2，钴：适当时可达9.0，硼：适当时为0.0001到0.1，其余成分为铁和通常具有的杂质。

Description

耐蚀马氏体时效钢的用途
技术领域
本发明阐述了能够析出硬化的马氏体不锈钢用于制作旋转工具的一种新颖用途，该工具对高硬度和延展性的结合以及耐蚀性有很高的要求，例如是制做钻孔、铣削、研磨和切削刀具。
背景技术
析出硬化马氏体不锈钢在WO93/07303中已经为公众所知，其中描述了一种不锈钢的成分，该不锈钢具有非常高的强度，同时，又具有良好的延展性。这种钢材被描写为最适合制作注射套管，牙科器具和医疗器械，原材料是由上述种类的钢材制造的线材和带材。由于该钢种具有极高的硬度，所以进一步加工将被限制在最小程度。
在WO01/14601 A1中描写了一种工艺，用于制造具有复杂几何形状的部件，该工艺包括一系列的步骤：析出硬化，退火，淬火和硬化。其结果是均匀硬度至少达到450HV。通过实例人们得知，根据这种特定的工艺过程析出硬化，马氏体不锈钢可以被用来制作医疗器械。借助于特殊的加工工艺过程，在这种情况下，可加工性的问题得到了解决，但它还不能用于制作工具，特别是不能制作具有复杂几何形状的旋转工具。
一系列的边界条件必须得到满足之后才能用一种钢材来制作机械操纵的旋转工具，特别医疗用的旋转工具，尤其是牙科和外科器械。
钻孔、铣削、研磨和切削刀具根据其用途，具有非常小的直径，可能是小于1mm。但是其长度与其直径相比则太长了，这样才能够达到特定的工作深度，而且由于刀具要放在夹具或卡盘罩中，因此，其长度又进一步增加了。由于这种极端的长度/直径比例和由此而造成的不利转矩分布，因此，这种工具对于实际应用中所施加的弯曲负载十分敏感。钻头的稍微弯曲，即使是裸眼几乎看不见的弯曲，也会导致下一次准备手术时或下一次使用时动作不准确和不平衡。由于频繁地而且极高速地旋转，实践中这将造成手术期间钻头断裂掉。这意味着，钻头不仅寿命短，为了安全起见必须经常更换，而且对术者、患者和旁观者也有极大的危险，因为他们可能被飞过来的刀具碎片击中，也存在相当大的成本因素。
根据医疗产品法，尺寸特别小的工具被制造商称为一次性产品，这表明增加了使用者的费用。工具一经使用，不再允许第二次使用。使用者必须使用一个新的工具，这导致了不合理的高额费用。
因此，人们急切地要求具有或不具有规定的切削刃的机器操纵的旋转工具，特别能用于牙科和外科钻孔、铣削、研磨和切削刀具能有多种用途，这些工具都具有非常高的硬度、耐腐蚀，同时与已知的工具或器械相比，它们也抗断裂。除了硬度和抗断裂性外，瞬间耐腐蚀性也是至关重要的。牙科和外科器械每次使用后都要消毒处理，而且这些器械容易暴露于严重腐蚀的环境中(温度、水份、有机物和其它溶剂等)。此外，使用期间还有许多腐蚀媒介，诸如血液、体液，如果这些牙科和外科器械受到损坏或者受到腐蚀的侵袭，则存在着患者被腐蚀残余物污染的危险，并且容易患有危险的术后并发症。
因此，急切地需要一种稳定的、耐腐蚀而且生物兼容的机器操纵的旋转工具，诸如钻孔、铣削、研磨和切削工具。它同时具有高强度值并结合有良好的延展性性能。
目前，大量的已知并且已试验过的几种合金已被用来加工成形和制作这样的工具和器械。其中的一些金属是马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢析出硬化不锈钢。这些合金中的每一种都具有一系列的良好材料性能，诸如耐腐蚀性、强度、成型性和/或延展性，但是每种合金也具有缺点，而且不能满足特定的产品要求。目前市场上可以买到的旋转工具的缺点和存在的复杂问题在实践中是众所周知的。下表中标示出一些经常使用的钢种的化学成分。
                              表1：不同已知钢种的合金成分，wt.-％，其余成分为铁
   合金  C  Si  Mn  S  Cr  Zn  Mo Cu  Ti  N P
   AISI 420  0.360  0.15  0.30  ＜0.020  13.5  ＜0.3
   AISI 420F  0.220  0.58  1.58  0.175  13.0  0.80  1.2
   AISI 304  0.060  0.66  1.22  0.002  18.6  8.60  0.2
   1SO 5832-1-D  ＜0.03  ＜1.0  ＜2.0  ＜0.01  17.5  14.0  2.8 ＜0.5  ＜0.1 ＜0.025
   1S05832-9  0.080  ＜0.75  3.60  ＜0.01  20.5  10.0  2.5 ＜0.25  0.4 ＜0.025
   Carpenter455  0.006  0.07  0.03  0.004  11.40  8.30  ＜0.1 2.2  1.2
   C455(V)  0.004  0.04  0.15  0.002  11.80  9.10  ＜0.1 2.0  1.6
   1.4108  0.310  0.60  0.41  0.002  15.54  0.16  0.97  0.41 0.017
   1.4112  0.85-0.95  ＜1.0  ＜1.0  0.030  17.0-19.0  0.9-1.3 0.040
马氏体不锈钢，如AISI 420，能提供高强度，但不具有良好的延展性。奥氏体不锈钢，例如AISI 300系列，能够提供良好的耐蚀性，同时具有高强度和延展性，在某些用途上是可以接受的，但需要显著的冷轧来获得高强度。这就意味着半成品也要具有非常高的强度，转过来又导致较差的成型性。对于析出硬化不锈钢组，有许多具有不同性能的不同钢种。然而，它们具有某些共同的特性，例如，它们中的大部分钢种是真空冶炼的，以单向工艺或更多情况下通常以双向工艺过程冶炼的，其第二步骤是在真空条件下熔炼。此外，需要大量的，即＞1.5wt％的析出成形元素，诸如铅、铌、钼和钛，通常也需要这些元素的结合。大量的元素是有利于强度的，但降低了延展性和成型性。可以在美国专利3,408,871中找到这样的一个钢种。此钢种的成品中具有可以接受的延展性，并具有约2,000N/mm2的强度。在生产半成品期间，它也具有缺点，例如，这种钢在退火状态下容易产生裂纹。
发明内容
本发明的目的是克服上述的问题，和目前工艺水平的缺点。
根据本发明，通过使用具有下列化学成分(以wt-％为单位)的析出硬化马氏体不锈铬镍钢，用来制作机器操纵的旋转工具，可以达到此目的：
铬    10到14
镍    7到11
钼    0.5到6
铜    0.5到4
铝    0.05到0.55
钛    0.4到1.4
碳+氢 最大为0.3
硫    小于0.05
磷    小于0.05
锰    最大为0.5
硅    最大为0.5
钽、铌、钒和钨  每个的最大含量为0.2
钴  适当时可达到9.0
硼  适当时可为0.0001到0.1
剩余部分包括铁和通常的杂质。
根据本发明，通过提供由具有上述成分的析出硬化，马氏体不锈铬镍钢制作的机器操纵的旋转工具也能达到此目的。
根据本发明，旋转工具优选指用于转孔、铣削、研磨并且具有或不具有几何形状确定的切削刃的切削工具，特别根据DW8580规定的机器操纵的旋转切削机工具。通常，这样的一种工具包括轴、加工的工具头和一个安装件。工具做轴向和/或横向移动。本发明包括的一个惊人的效果是析出硬化马氏体不锈钢按照本发明使用之后在许多用途中都有优越性，其中高的抗断裂性和抗弯曲性与硬化和抗腐蚀性能相结合起到了决定性的作用。
本发明特别优选方案是用于制做旋转工具，这些工具是医疗工具和器械，主要用于牙科和外科。
本发明包括的另一个惊人的效果涉及到按照本发明使用的沉淀析出硬化，马氏体不锈钢的良好生物兼容性与良好的腐蚀性能、高延展性和约2,500到3000N/mm2的卓越的高强度的有利结合。这种结合使此种钢材在医疗领域得到有利的应用，其中，材料短期地或长期地保留在患者的体内。
根据本发明，特别适用的一种钢材的成分包含12.0wt.-％铬，9.1wt.-％镍，4.0wt.-％钼，2.0wt.-％铜，0.9wt.-％钛，0.35wt.-％铝，＜0.012wt.-％碳和＜0.012wt.-％氮。
具体实施方式
根据本发明的要求，使用本发明中所述钢种和两块目前用来制做旋转工具的其它钢种所制造的具有相同几何形状的充分硬化的固态材料工件，进行了断裂和硬度的抗张强度和延伸率试验。
根据本发明，试验钢种是具有表2中给出的766685材料成分的材料。其它具体内容详见表2。
                                    表2：本发明所述钢种化学成分的例子。
 材料  C  Si  Mn  P  S  Cr  Ni  Mo  Ti  Cu  Al
 766685  0.008  0.12  0.18  0.009  0.001  12.19  9.16  3.99  1.08  1.99  0.33
 766757  0.01  0.13  0.27  0.011  0.001  11.85  9.0  3.95  0.97  1.96  0.33
 451234  0.004  0.22  0.25  0.015  0.001  11.85  9.14  3.99  0.86  1.95  0.36
  769228   0.008   0.11   0.21   0.006   0.001   12.05   9.15   3.96   0.90   1.99   0.34
  768276   0.009   0.09   0.19   0.01   0.002   12.15   9.02   3.99   0.9   1.99   0.30
  769014   0.008   0.08   0.25   0.01   0.001   11.99   9.12   4.07   0.82   1.99   0.37
1.4112和1.4108号钢种的化学成分在表1中已经给出，它们被用作为比较钢种。试验的试样是固态材料的杆材，具有圆形断面，直径为4.5mm，所有的试验试样都是经过析出硬化处理的。根据本发明，钢材的硬化发生在475℃，持续4小时。根据对这些钢种规定的硬化工艺，1.4112和1.4108号钢种的硬化在真空状态下温度为1000℃条件下发生，持续40-60分钟。然后这两个钢种均在氮气中冷却到零下50℃。1.4108号钢种又额外在160℃温度下回火处理，持续2小时。所述用于制做和加工参考材料的工艺过程给出了硬度和延展性的最高可能值。
多种材料的硬化是以这样一种方式进行的，在硬化处理过程中，所有试验材料都达到了比较材料的硬度。对每种材料的4个试样进行了试验。按照DIN EN10002-1进行了抗拉试验，其结果归纳于下列表3。
                              表3：根据DIN EN10002-1所做抗拉试验的试验结果
    材料   抗拉强度[MPa]   断裂处延伸率[％]     洛氏硬度C
    766685     1935     9.1     52/53
    766685     1938     9.1     52/53
    766685     1941     9.1     52/53
    766685     1946     9.1     52/53
    1.4112     1989     ＜2     54/55
    1.4112     1981     ＜2     54/55
    1.4112     1987     ＜2     54/55
    1.4112     2000     ＜2     54/55
    1.4108     1323     ＜2     54/55
    1.4108     1263     ＜2     54/55
    1.4108     1153     ＜2     54/55
    1.4108     1312     ＜2     54/55
对试验材料的断裂点进行的检查清楚地表明本发明所述的钢材具有极高的韧性断裂特性。断裂面具有所谓的斗形断裂形状。相反，1.4112和1.4108号钢种表现出所谓的裂碎现象，几乎是100％脆断。用本发明规定的钢种冶炼成的试样具有良好的断裂延伸性能，这与其较高的柔韧性和无材料断裂有关。试样可以反复地弯曲而不断裂。相反，用1.4112和1.4108号材料冶炼的试样第一次弯曲时就断裂了。后附的图2表明，在相同的试验条件下的1.4108号比较材料的断裂表面(A)和弯曲的本发明所述材料(B)。
显示的结果是惊人的，使用本发明所述钢种来制作具有和没有规定的切削刃的机器操纵的旋转工具，诸如钻孔、铣削、研磨和切削刀具，可以提供特殊的优越性，尤其是用于牙科和外科，原因是与迄今所用的钢材相比，它具有卓越的最佳断裂延伸性能。在迄今所用的钢材中，尤其是在硬度和耐腐蚀性以及根据不同的用途所要求的生物兼容性方面，本发明所述钢种都处于显著的地位。在抗拉强度方面，对已知的钢材已经接受了所表方法。通过使用本发明规定的钢材来制作机器操纵的旋转工具，诸如钻孔、铣削、研磨和切削刀具，有和没有规定的切削刀，在市场上可以买到的产品的断裂性能所造成的不利因素现在也已经得到了克服。根据本发明所生产的工具结合了硬度、最大耐蚀性、良好的生物兼容性和制作的产品中卓越的断裂强度。在被弯曲时，产品仍保持着抗断裂性，可以被反复地弯曲，例如在整形外科中，不需要损失其卓越的材料性能。此外，本发明规定使用的钢种硬化时具有良好的可加工性和良好的研磨性，这提供了制作该产品的优越性。使用本发明规定使用的钢材的另一个优点是制作旋转工具的硬化温度相对较低，温度范围在425到525℃，其结果是制作期间大大地节省能源费用。
如果证明这些工具可以反复使用，那么它们必须特别满足对消毒期间钢材耐蚀性方面的极高要求，根据本发明的工具必须按照DIN1662的规定，对其耐蚀性进行试验。然后，将DIN1662中规定的试验条件转换为表4中所到的消毒剂，随后，对工具进行腐蚀痕迹的光学试验。表4也表明了光学评价的结果。试验是在具有不同表面光洁度的工具上进行的，即研磨的、铣成的、电抛光的和玻璃丸喷丸的或喷砂的表面。由于医疗界用于鉴别工具的特殊规定，为了防止使用中的错误，对相同的激光等同性给予特别的关注。热的作用以及受机械作用更强烈的区域，诸如上述旋转工具的切割面，在用于腐蚀媒介中和在消毒期间都受到影响。关于这些区域和上述合金的以往经验表明那里会出现缺陷，也是腐蚀的开始点。根据本发明，在上述腐蚀试验之后，对工具进行的光学评定结果表明没有发生任何材料的腐蚀和损失。
                               表4：根据本发明钢种所制做的工具的耐蚀性
  消毒剂溶液/商品名称     材料     光学评定
    Sekusept Plus 抗微生物活性成分，表面活化剂，抗腐蚀剂，磷酸盐，10％过硼酸钠，10％四乙酰基甘脲     无腐蚀迹象
    Sekumatic FNP 非离子表面活化剂，磷酸(25％以上)，抗腐蚀剂     无腐蚀迹象
    Sekumatic PRE 低于5％的非离子表面活化剂，30％以上的磷酸盐，酶     无腐蚀迹象
    Ringer溶液 氯化钠、氯化钾、氯化钙     无腐蚀迹象
    Nacl     无腐蚀迹象
    H2O2     无腐蚀迹象
    neodisher FA(清洁剂) 15-30％磷酸盐，15-30％硅酸钠和硅酸钾     无腐蚀迹象
    次氯酸盐 NaClO     无腐蚀迹象
因为腐蚀的结果表明该材料在使用酸和碱的条件下具有高的耐蚀性，所以，人们认为应该利用其优势，用该材料制作旋转工具，用于陶瓷材料、木材、塑料材料和钢材，并用于上述环境条件下。
附图说明
图1表明以钻头形式出现的本发明的一个可能形式
图2表明在相同试验条件下，1.4108号比较材料的断裂面(A)和弯曲的本发明所述材料(B)
图1表明本发明的一个实施例，其形式为外科使用的钻头。工具的长度与直径的比例为大约72∶1。这种长度与直径的比例对所用钢材的抗弯强度有特殊的要求，而本发明的钢材能够满足这些要求，同时也避免了上述的不利因素。
图2表明在相同试验条件下，上述材料1.4108在弯曲试验中得到的断裂表面(A)和在相同试验条件下弯曲的本发明材料(B)。

Claims (8)

1.一种析出硬化马氏体不锈铬镍钢的用途，所述钢具有下列成分(单位为wt.-％)：
铬：10到14
镍：7到11
钼：0.5到6
铜：0.5到4
铝：0.05到0.55
钛：0.4到1.4
碳+氮：最大为0.3
硫：小于0.05
磷：小于0.05
锰：最大为0.5
硅：最大为0.5
钽、铌、钒和钨：每个的最大含量为0.2
钴：适当时可达9.0
硼：适当时为0.0001到0.1
其余成分为铁和通常具有的杂质，
所述钢用于制造机械操纵的旋转工具，优选用于铣削、研磨和切削工具。
2.如权利要求1所述的用途，所述旋转工具具有几何上予以限定的切削刃。
3.如权利要求1所述的用途，所述旋转工具具有几何上没有予以限定的切削刃。
4.如权利要求1-3之一所述的用途，所述旋转工具为医疗工具和器械。
5.一种机器操纵的旋转工具，由析出硬化马氏体不锈铬镍钢制成，具有下列成分(单位：wt.-％)：
铬：10-14
镍：7-11
钼：0.5-6
铜：0.5-4
铝：0.05-0.55
钛：0.4-1.4
碳+氮：最大为0.3
硫：小于0.05
磷：小于0.05
锰：最大0.5
硅：最大0.5
钽、铌、钒和钨：各最大0.2
钴：必要时可达9.0
硼：必要时0.0001～0.1
其余成分为铁和通常具有的杂质。
6.如权利要求5所述的机器操纵的旋转工具，所述旋转工具具有几何上予以限定的切削刃。
7.如权利要求5所述的机器操纵的旋转工具，所述旋转工具具有几何上没有予以限定的切削刃。
8.如权利要求5-7之一所述的机器操纵的旋转工具，所述旋转工具为医疗工具和器械。
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