KR20060015473A

KR20060015473A - 석출 경화형 마르텐사이트계 스테인레스강의 용도

Info

Publication number: KR20060015473A
Application number: KR1020057016626A
Authority: KR
Inventors: 베른트 블랑케; 마티아스 괴켄
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2006-02-17
Also published as: SE522813C2; DE502004000839D1; SE0300644L; US20070023108A1; EP1601389B1; WO2004078224A1; CN1758928A; ATE330645T1; JP2006523482A; EP1601389A1; SE0300644D0

Abstract

본 발명은, 크롬 10 ~ 14 질량 %, 니켈 7 ~ 11 질량 %, 몰리브덴 0.5 ~ 6 질량 %, 구리 0.5 ~ 4 질량 %, 알루미늄 0.05 ~ 0.55 질량 %, 티타튬 0.4 ~ 1.4 질량 %, 탄소 + 질소 0.3 질량 % 이하, 황 0.05 질량 % 미만, 인 0.05 질량 % 미만, 망간 0.5 질량 % 이하, 규소 0.5 질량 % 이하, 탄탈륨, 니오븀, 바나듐 및 텅스텐 각각 0.2 질량 % 이하, 포함시 코발트 0.9 질량 %, 포함시 붕소 0.0001 ~ 0.1 질량 % 의 조성을 가지며 나머지는 철 및 통상의 불순물인 크롬-니켈 마르텐사이트계 석출 경화형 스테인레스강의 용도에 관한 것이다. 상기 강은 인체 내외부에서 단기 또는 장기동안 사용되는 외과적 임플란트, 골접합술 제품을 제조하는데에 사용된다.

Description

석출 경화형 마르텐사이트계 스테인레스강의 용도{USE OF MARTENSITIC PRECIPITATION HARDENING STAINLESS STEEL}

본 발명은 석출 경화형 마르텐사이트계 (martensitic) 스테인레스강의 용도, 특히 인체에 적용되어 남게 되는 임플란트 (implant) 및 골접합술 (osteosynthesis) 제품과 같은 의료 분야에서의 용도에 관한 것이다.

석출 경화형 마르텐사이트계 스테인레스강은 WO 93/07303 에 공지되어 있다. 이 공보는 매우 높은 저항성 (resistance) 과 우수한 연성 (ductility) 을 동시에 갖는 스테인레스강의 조성을 기재하고 있다. 이러한 강은 주사 바늘 (injection cannulae), 치과용 기구 및 의료 기구의 제조에 특히 적합한 것으로 기재되어 있다.

WO 01/14601 A1 에는, 석출 경화 (precipitation hardening), 뜨임 (tempering), 담금질 (quenching) 및 경화를 포함하는 일련의 공정 단계를 통해 의료용 또는 치과용 기구를 제조하는 방법을 제시하고 있으며, 그 결과 최소 450 HV 의 균일한 경도를 얻는다.

예컨대, WO 01/14601 A1 에서 특정된 공정을 통해 석출 경화가능한 마르텐사이트계 스테인레스강이 의료 기구 제조에 사용될 수 있다.

임플란트 및 골접합술 제품과 같은 의료 용도에서의 강 (steel) 의 특정 적용을 위해 반드시 충족되어야 하는 다수의 경계 조건 (boundary condition) 이 있다.

적용 목적에 따라 플레이트 (plate) 와 같은 임플란트 및 골접합술 제품, 나사와 못과 같은 고정 부재는 매우 부적절한 형상, 즉 예를 들어 두께 및/또는 직경에 대한 길이의 부적절한 비를 갖는다. 그들의 부적절한 형상으로 인해, 그러한 임플란트, 골접합술 제품은, 실제 사용시 빈번히 가해지는 작거나 큰 굽힘 하중 (bending load) 에 매우 민감하다. 임플란트 및/또는 골접할술 제품의 거의 인식할 수 없는 경미한 굽힘조차 다음에 하중이 가해질 때 상기 임플란트나 제품이 파손되도록할 수 있다. 실제 사용시의 빈번하고 매우 큰 굽힘 하중으로 인해, 때때로 임플란트와 골접합술 제품이 파손된다. 이는 상기 임플란트와 제품이 짧은 수명을 가질 뿐만 아니라 환자에게 상처를 줄 위험이 있음을 의미한다.

따라서, 높은 경도 및 내부식성을 가지며 동시에 공지의 임플란트, 골접합술 제품에 비해 잘 균열되지 않는 임플란트, 골접합술 제품에 대한 절박한 요구가 있다. 경도와 내균열성과는 별도로, 내부식성 및 생체적합성 (biocompatibility) 을 동시에 갖는 것이 매우 중요하다. 사용시의 부식성 매체 (corrosive media) 의 예로는 혈액 및 다른 체액 (doby fluid) 이 있다. 따라서, 그러한 임플란트, 골접합술 제품이 부식에 의해 손상되거나, 공격을 받으면, 환자가 부식 잔류물에 의해 오염되고, 또한 위험한 수술 후 합병증 (postoperative complication) 으로 악화될 위험이 있게된다.

또다른 전형적인 용도는 외과 수술에 있다. 소위 골접합술 제품이라 불리는 금속 플레이트, 못 및 나사가 균열된 뼈 또는 수술로 절단된 뼈를 접합하기 위하여 흔히 사용, 즉 이식된다. 이들 임플란트는 보통, 뼈가 완전히 치료될 때까지 그리고 환자의 체내에 잔류한다. 시판되고 있는 공지의 골접합술 제품은, 상기 언급한 강 등급 (steel grade) 과 같은 소위 스테인레스강으로 제조된다. 그러한 골접합술 제품에 대해서는 기계적 및 부식 특성 외에 생체적합성도 크게 요구되기 때문에, 이들 제품의 제조에 사용될 수 있는 재료에 대해 제한적인 선택만이 가능하다 (아래의 표 1 에 나타난 모든 재료가 이 조건을 만족시키는 것은 아니다). 특히 장기간의 내재 (indwelling) 후 공지의 임플란트의 내균열성 (fracture resistance) 는 좋지 않다는 것이 알려졌다. 이러한 이유 때문에, 초기에, 환자들은 수술 후 주의하고 그러한 골접합술 제품을 지닌 뼈에 약한 하중만이 가해지도록 해야한다. 사용 부족으로 인한 근육조직의 퇴행을 방지하기 위하여, 완전한 방지는 어렵다 하더라도, 가능한한 빨리 병원의 물리치료를 통해 상기 퇴행을 지연시킬 필요가 있다. 환자가 수술한 뼈에 필요한 주의를 기울이지 않아서, 또는 부적절한 동작으로 인해, 상기 골접합술 제품 또는 임플란트에 굽힘 하중이 가해질 수 있으며, 결국에는 파손될 수 있다. 이 결과 상기 임플란트의 사용으로 의도한 뼈조각의 접합이 상실될 뿐만 아니라, 종종 날카로운 가장자리의 임플란트가 환자에게 심각한 상처를 줄 수 있다. 어떠한 경우든, 임플란트의 파손이 있으면, 손상을 고치기 위한 추가적 수술이 환자에게 필요하다. 상기 제품의 낮은 저항성 때문에, 나사 고정된 플레이트가 미세 진동 (micro- oscillation) 에 의해 느슨해져서 뼈의 치료를 지연시키게 되는 추가적 위험이 있다.

따라서, 높은 강도와 우수한 연성을 동시에 가지며, 안정적이고 내부식성 및 생체적합성을 갖는 골접합술 제품 또는 임플란트에 대한 절박한 필요성이 있다.

현재, 잘 알려지고 잘 연구된 일군의 합금이 , 그러한 골접합술 제품 및 임플란트의 성형 및 제조에 사용된다. 이들 합금은 마르텐사이트계 스테인레스강, 오스테나이트계 (austenitic) 스테인레스강, 및 석출 경화형 스테인레스강을 포함한다. 이들 공지 합금 각각은, 내부식성, 강도, 전성 (malleability) 및/또는 연성 (ductility) 등의 재료 특성이 우수하지만, 그러나 각각의 합금은 또한 나름대로의 단점을 가지며, 어떤 제품 요건은 만족시키지 못한다. 현재 시판되고 있는 외과 수술용 플레이트 (surgical plate), 나사, 및 못 등의 회전식 도구 (rotary tool), 외과 수술용 임플란트 (surgical implant), 외과용 골접합술 제품의 실제 사용과 관련하여 복잡한 문제점 및 단점들이 알려져 있다.

아래 표는 흔히 사용되는 다양한 강의 조성을 나타낸다.

중량 % 로 표시된 다양한 공지 강 (steel) 의 조성, 나머지는 철

AISI 420 등급과 같은 마르텐사이트계 스테인레스강은 높은 강도를 제공할 수도 있으나, 연성을 갖지 않는다. AISI 300 시리즈와 같은 오스테나이트계 스테인레스강은 높은 강도와 함께 우수한 내부식성을 제공할 수 있으며 몇몇 용도에서는 허용가능한 연성을 제공하지만, 높은 강도를 얻기 위해서는, 상당한 냉간 압하 (severe cold reduction) 가 필요하며, 이는 반제품조차도 반드시 매우 높은 강도를 가져야 하며, 이는 이어서 나쁜 전성을 갖게 되는 것을 의미한다. 석출 경화형 스테인레스강의 그룹은 다수의 다른 등급과 다른 특성을 포함한다. 그러나, 이들 스테인레스강은 많은 공통점을 갖는데, 예를 들어, 그들 대부분은 일방향, 또는 보다 흔하게는 진공에서 2 방향 공정으로 용해되며, 2 방향 공정에서 제2 단계는 진공하에서의 용해를 포함한다. 이와는 별도로, 알루미늄, 니오븀, 탄탈륨 및 티타늄 또는 이들 원소의 조합물과 같은 다량의 석출-형성 원소가 필요하다. 여기서 "다량" 이란 표현은 1.5% 초과를 의미한다. 다량이면 강도가 좋아지지만, 연성 및 전성은 나쁘게 된다. 미국 특허 제3,408,871호에서 하나의 등급을 찾을 수 있다. 이 등급의 강은 완제품의 허용가능한 연성을 제공하지만, 그러나 그 강도는 단지 약 2,000 N/mm² 이다. 상기 등급의 강은 또한 반제품의 제조 중에 단점들을 갖는다. 예를 들어 상기 강은 풀림 상태에서 균열이 발생하기 쉽다.

본 발명의 일태양은, 아래에서 언급한 조성을 가지며, 인체에 적용되어 남게 되는 외과 수술용 임플란트, 외과용 골접합술 제품, 외과 수술용 플레이트, 나사 및 못의 제조에 사용되는 석출 경화형 마르텐사이트계 스테인레스강에 관한 것이다. 발견된 본 발명의 놀라운 효과의 하나는, 본 석출 경화형 마르텐사이트계 스테인레스강은 높은 내균열성 및 내굽힘성과 함께 경도 및 부식 특성이 매우 중요한 적용 분야에서 이점을 갖는다는 점이다.

발견된 본 발명의 다른 놀라운 효과는 유리하게도 아래에서 설명할 강의 우수한 생체 적합성과 부식 특성, 높은 연성, 우수한 전성 및 약 2,500 ~ 3,000 N/mm² 의 대단히 높은 강도를 모두 갖는다는 것이다. 따라서, 재료가 환자 인체에 비교적 짧거나 긴 시간동안 남게 되는 의료 분야에서 본 발명의 강이 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명에 기재된 석출 경화형 마르텐사이트계 스테인레스강은 반드시 아래의 조성을 가져야 하며, 나머지는 철과 통상의 불순물이다.

동일한 형상인 본 발명의 강 및 현재 회전식 공구에 사용되는 두 종류의 강의 경화된 고체 시편에 대하여 인장 강도, 파열 연신율 및 경도를 시험하였다.

시험된 본 발명의 강은 앞서 언급된 바람직한 실시예에 따라, 크롬 12.0 중량 %, 니켈 9.1 중량 %, 몰리브덴 4.0 중량 %, 구리 2.0 중량 %, 티타튬 0.9 중량 %, 알루미늄 0.35 중량 %, 탄소 0.12 중량 % 미만, 질소 0.012 중량 % 미만의 조성을 갖는다. 비교를 위하여 사용된 강은 등급 1.4112 및 1.4108 이며, 조성은 표 1 에 나타나 있다. 상기 시편은 직경 4.5 mm 의 원형 단면을 갖는 중실봉이다. 시험된 모든 시편은 석출 경화되었다. 본 발명의 강의 경화는 475℃ 에서 4 시간동안 수행되었다. 등급 1.4112 및 1.4108 의 경화는 이들 강에 대하여 규정된 경화 방법에 따라 수행되었다. 등급 1.4112 및 1.4108 의 경화는 1,000 ℃, 진공상태에서 40 ~ 60 분동안 수행되었다. 그리고 이들 등급은 질소분위기에서 50 ℃ 까지 냉각되었다. 재료1.4108 는 160 ℃ 에서 2 시간 동안 더 방치되었다. 상기 재료 각각의 경화는 모든 시험되는 재료들이 서로 비교될 수 있는 재료 경도를 갖도록 수행되었다. 4 개의 각 재료 시편이 시험되었다. 결과는 아래의 표 2 에 요약되었다.

DIN EN 10002-1 에 따른 인장 시험 결과

상기 시험된 재료의 파열점을 조사해 보면, 본 발명에 따른 강이 매우 질긴 균열 거동 (tough fracture behavior) 을 갖는 것을 알 수 있다. 상기 파열 표면은 소위 "깔때기 파열 (funnel fracture)" 형태를 갖는다. 이에 비해, 상기 재료 1.4112 및 1.4108 은 소위 거의 100% 의 취성 파열 (brittle fracture) 을 갖는 갈라진 틈 (fissure) 을 나타냈다. 본 발명에 따른 강의 우수한 파열 연신 거동 (elongation at rupture behavior) 에 재료 파괴 없는 높은 유연성 (pliability) 이 수반된다. 상기 시편은 파괴되지 않고 많은 횟수로 굽혀질 수 있다. 이에 비해, 재료 1.4112 및 1.4108 의 시편은 첫번째 굽힘에서 파괴되었다.

놀랍게도, 인체에 적용되어 남게 되는 외과 수술용 플레이트, 못 및 나사와 같은 임플란트, 골접합술 제품의 제조를 위하여 본 발명에 따른 강을 사용하는 것은, 종래 사용되는 강에 비하여 대단히 우수한 파단 연신 거동으로 인해 특별한 이점을 갖는다. 종래 사용되던 강에 있어서, 용도에 따라 생체 적합성 뿐만 아니라 경도 및 내부식성이, 특히, 가장 우선시되었으며, 내파열성과 관련해서는 절충이 허용되었다. 회전식 공구 및 골접합술 제품의 제조에 본 발명의 강을 사용하면, 종래 시판되는 제품의 균열 거동의 단점이 극복될 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 공구 및 골접합술 제품은 경도, 높은 내부식성, 우수한 생체적합성 및 매우 우수한 내파열성을 모두 갖는다. 굽혀졌을 때에도, 상기 제품은 파열이 생기지 않으며, 예를 들어 성형 수술용 임플란트에서, 그의 매우 우수한 물성을 잃지 않고 많은 횟수로 굽혀질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 강 등급은 경화 상태에서 기계 가공 및 밀링 (milling) 이 용이하며, 이는 제품 제조시에 장점이 된다. 인체에 적용되어 남게 되는 임플란트, 골접합술 제품의 제조에 본 발명의 강을 사용함으로써 얻게 되는 이점은, 경화 온도가 425 ~ 525 ℃ 로 비교적 낮아서 제조 중에 상당한 에너지 비용 절감이 가능케된다.

Claims

크롬 10 ~ 14 중량 %

니켈 7 ~ 11 중량 %

몰리브덴 0.5 ~ 6 중량 %

구리 0.5 ~ 4 중량 %

알루미늄 0.05 ~ 0.55 중량 %

티타늄 0.4 ~ 1.4 중량 %

구리 + 질소 0.3 중량 % 이하

황 0.05 중량 % 미만

인 0.05 중량 % 미만

망간 0.5 중량 % 이하

규소 0.5 중량 % 이하

탄탈륨, 니오븀, 바나듐, 텅스텐 각각 0.2 중량 % 이하

코발트 포함시 9.0 중량 % 이하

붕소 포함시 0.0001 ~ 0.1 중량 %

그리고 나머지는 철 및 통상의 불순물인 조성을 가지며, 인체에 적용되어 남게 되는 외과용 임플란트, 골접합술 제품의 제조에 사용되는 석출 경화형 마르텐사이트계 스테인레스 크롬 니켈강의 용도.