CN102233431A - 一种制备镁合金材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用快速凝固技术制备镁合金医用可降解植入材料的方法，所述的镁合金医用可降解植入材料包括镁锌二元合金及镁锌钙三元合金，将熔融的镁合金在高压惰性气体流(如Ar或He)的突发冲击作用下，射向用高导热率材料制成的急冷盘上，镁合金雾化凝固成细粒向周围散开，通过装在盘四周的气体喷嘴喷吹惰性气体加速冷却，或将熔融的合金液自钳锅底孔射向一高速旋转的、以高导热系数材料制成的辊子表面，液态合金在辊面上凝固为一条很薄的条带。快速凝固法的优点是克服了传统熔铸法生产的镁合金力学性能、抗氧化及耐蚀性能较差的缺点，大幅度地提高镁合金的力学性能和物理性能。

Description

一种制备镁合金材料的方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金材料的制备方法，具体地说，涉及一种镁合金医用可降解植入材料的制备方法。

背景技术

在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。

常规工艺下金属的冷却速度一般不会超过10²℃/S，例如，大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为10^-6-10^-3℃/S；中等铸件及铸锭约为10^-3-10⁰℃/S；薄壁铸件、压铸件、普通雾化约为10⁰-10²℃/S。

快速凝固的金属冷却速度一般要达到10⁴-10⁹℃/S。经过快速凝固的合金，会出现一系列独特的结构与组织现象。1960年美国加州理工学院Duwez等人采用一种特殊的熔体急冷技术，首次使液态合金在大于10⁷℃/S的冷却速度下凝固。通过研究发现，在这样快的冷却速度下，本来是属于共晶系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分Au-Si(X_Si＝25％)合金竟然凝固为非晶态的结构，因而可称为金属玻璃。这些发现，在世界物理冶金和材料科学工作者面前展现了一个新的广阔的研究领域。

镁合金是一种很有前景的医用可降解植入材料。镁作为植入材料，与现已投入临床使用的各宗金属植入材料相比，具有十分突出的优点。镁在生命过程中可以促进骨及细胞的形成，催化或激活机体300多种酶系，参与体内能量代谢，并且在能量的输送、贮存和利用中起关键作用。镁在体内三大代谢中通过调节核糖体DNA(Deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸)和RNA(Ribonucleic acid，核糖核酸)的结构来影响蛋白质的合成。镁在水介质中发生化学反应转变为镁离子，镁离子通过体内的吸收和肾脏的代谢来调节平衡，从而使镁合金材料在体内逐渐被降解吸收。

常规铸造镁合金由于其微观组织比较粗大，且析出相和沉淀相也比较粗大，并在高温下极易粗化，从而其室温力学性能与耐蚀性不理想，难以满足作为人体植入高性能材料的需求。快速凝固镁合金组织具有如下特征：(1)扩大固溶度；(2)细化凝固组织，形成弥散相；(3)形成新的亚稳相，改变相结构；(4)减小成分偏析；(5)形成金属玻璃，因而大幅度提高镁合金的力学性能和耐蚀性，从而满足植入材料的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能的镁合金医用可降解植入材料的制备方法。

为了实现本发明目的，本发明的一种制备镁合金材料的方法，其用惰性气体将熔融的镁合金射向导热系数为356W/mK～401W/mK的旋转表面。

前述的方法，其是用5kPa～7kPa的惰性气体将熔融的合金射向表面线速度为100m/s～120m/s的以导热系数为376W/mK～386W/mK材料制成的急冷盘上，在离心力作用下，合金雾化凝固成细粒向周围散开，通过装在盘四周的气体喷嘴喷吹惰性气体加以冷却，最后将粉末模压成型。采用该方法制得的合金颗粒尺寸一般为2-100μm。

前述的方法，其中急冷盘优选为铜制。

前述的方法，其是用5kPa～7kPa的惰性气体将熔融的合金射向转速为2500～3000rpm的以导热系数为386W/mK～401W/mK材料制成的辊子表面，液态合金在辊面上凝固为一条带，其冷却速度可达10⁶-10⁷℃/S。合金条带在凝固时是与辊面紧密相贴，从而使其快速冷却得到连续、致密的合金条带。

前述的方法，其中辊子优选为铜制。

前述的方法，其中所述镁合金医用可降解植入材料包括镁锌二元合金及镁锌钙三元合金。

前述的方法，其中所述镁锌二元合金中锌的含量为0.01-10％。

前述的方法，其中所述镁锌钙三元合金中钙的含量为0.01-15％。

前述的方法，其中所述惰性气体为氩气或氦气。

本发明的优点是克服了传统熔铸法生产的镁合金力学性能、抗氧化及耐蚀性能较差的缺点，并且大幅度提高镁合金的力学性能和耐蚀性。

附图说明

图1为采用本发明实施例1的方法制备镁合金的示意图，1为炉座，2为石英管，3为感应装置，4为气体管道，5为急冷盘；

图2为采用本发明实施例2和3的方法制备镁合金的示意图，1为气体管道，2为石英管，3为感应装置，4为转轮。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

将6g Mg₉₄Zn₆医用可降解植入合金放入直径为15mm，喷嘴宽为0.6mm的石英管中，设备抽真空至5.0×10^-3Pa后反充20kPa的氩气，利用高频感应加热装置加热。待合金熔化过热50℃左右用5kPa的氩气将熔融液体喷射到高速运转的铜制急冷盘上，其表面线速度为100m/s，在离心力作用下，合金雾化凝固成细粒向周围散开，通过装在盘四周的气体喷嘴喷吹氩气加速冷却，如图1所示，最后将粉末用模压法成型。快速凝固镁锌合金在60℃屈服强度比铸造并锻造后相同成分合金增加了120MPa，抗拉强度增加了60MPa，同时还具有很好的塑性。

实施例2

将5g Mg-5Zn-0.5Ca医用可降解植入合金的放入直径为15mm，喷嘴宽为0.6mm的石英管中，设备抽真空至5.0×10^-3Pa后反充20kPa的氦气，利用高频感应加热装置加热。待合金熔化过热50℃左右，用5kPa的氦气将熔融液体喷射到高速运转的铜辊表面，铜辊转速2500rpm，铜辊直径220mm，液态合金在铜辊表面急速冷却，并沿着铜辊转动方向甩出，形成厚度为90μm，宽度为5mm的薄带，如图2所示。Mg-5Zn-0.5Ca薄带拉伸屈服强度为490～520MPa，理论期望值可达630MPa，具有高强度与高延展性。

实施例3

将质量为5g Mg-8Zn-0.5Ca医用可降解植入合金的放入直径为15mm，喷嘴宽为0.6mm的石英管中，设备抽真空至5.0×10^-3Pa后反充20kPa的氩气，利用高频感应加热装置加热。待合金熔化过热50℃左右用5kPa的氩气将熔融液体喷射到高速运转的铜辊表面，铜辊转速3000rpm，铜辊直径220mm，液态合金在铜辊表面急速冷却，并沿着铜辊转动方向甩出，形成厚度为70μm，宽度为5mm的薄带，如图2所示Mg-8Zn-0.5Ca薄带中，凝固时若冷却速度大于10⁶K/s，可使强度增加明显，且韧性提高3倍。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种制备镁合金材料的方法，其特征在于，用惰性气体将熔融的镁合金射向导热系数为356W/mK～401W/mK的旋转表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用5kPa～7kPa的惰性气体将熔融的合金射向表面线速度为100m/s～120m/s的以导热系数为376W/mK～386W/mK材料制成的急冷盘上，在离心力作用下，合金雾化凝固成细粒向周围散开，通过装在盘四周的气体喷嘴喷吹惰性气体加以冷却，最后将粉末模压成型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用5kPa～7kPa的惰性气体将熔融的合金射向转速为2500～3000rpm的以导热系数为386W/mK～401W/mK材料制成的辊子表面，液态合金在辊面上凝固为一条带，其冷却速度为10⁶-10⁷℃/S。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述镁合金医用可降解植入材料包括镁锌二元合金及镁锌钙三元合金。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述镁锌二元合金中锌的含量为0.01-10％。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述镁锌钙三元合金中钙的含量为0.01-15％。

7.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气或氦气。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的急冷盘为铜制。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的辊子为铜制。

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