世界上有些人因为与金属的接触而导致过敏,一旦发生过敏,即可引起接触周围的皮肤红肿、瘙痒、湿疹、接触性皮炎等表现。最常见的致敏金属是镍。在日常生活合金制品中,很多都包含了镍,如硬币、各种合金制品、电镀物件、眼镜架、金属制的手表带、皮带扣、人造首饰、内衣扣等,直接和皮肤接触都会让镍过敏的人出现过敏现象,这是镍离子的释放带来的不良反应。据报道,在欧洲有超过20%的青年男性和超过6%的青年女性对镍过敏,且有上升趋势。近年我国发现镍过敏已占成人过敏的第一位。因此,很需要开发出一类植入人体或与人接触的无镍不锈钢或具有高耐蚀性的不锈钢,以尽量减少镍释放引起的过敏。
瑞士苏黎世联邦高等工业大学(ETH)开发出一种无镍高氮无磁性高耐蚀性的奥氏体不锈钢,牌号为PANACEA,对于植入人体或制作与人体接触的物品不会引起过敏,钢的化学成分和力学性能见表9.83。
PANACEA钢在成分设计时,参照图9.13,应使钢处于奥氏体区域,使钢无铁磁性,铬当量应尽量取高值以保证高的耐蚀性,镍当量选取适当值,使其具有良好的韧性。
图9.98为17Cr-10Mn-3Mo铁基合金与氮的伪二元状态图,可以看出,含氮0.9%的合金有很宽的y相区(1050~1300℃),加热至此温度范围,通过快速冷却可以得到单一的奥氏体组织。如果固溶温度过低或冷却速率较慢,将会析出Cr2N型的氮化物(图9.99)。Cr2N首先沿晶析出,然后在晶内析出,晶界析出的氮化物将严重损坏钢的韧性和耐蚀性。对于一些小型部件,如医用、牙科用、珠宝用及制表工业用的半成品,在技术上是没有什么问题的,甚至某些大的锻件也可以做到,但其焊接则不如含镍奥氏体不锈钢那样容易。
这种可以得到完全奥氏体的无镍奥氏体不锈钢(PANACEA)具有良好的力学性能,见表9.83,其屈服强度是常用316L不锈钢的2~3倍,进一步的冷变形可使其强度超过2000MPa,同时可以保持单一的奥氏体组织和没有铁磁性,其磁导率低于1.001H/m。
在6%FeCl3溶液中进行耐缝隙腐蚀试验,以Cr+3.3Mo+20N+20c作为缝隙腐蚀当量,则PANACEA钢的耐缝隙腐蚀临界温度 Tcoc(critical crevicecorrosion temperature)远高于常用的316L不锈钢、304不锈钢等。因此该钢用做外科植入材料时具有较常用的骨科生物材料好得多的耐蚀性,在用于与人类皮肤接触的珠宝或手表时也具有较常用的不锈钢优越得多的耐蚀性。PANACEA钢具有良好的生物相容性,已通过标准的细胞毒性试验。
PANACEA钢可以使用加压电渣重熔炉生产,也可以采用粉末注射成形(MIM)生产(图9.96),其致密度可以达到96%~97%,其力学性能与熔炼方法制取的钢基本相同(表9.83)。