CN103667838A - Mg-Sn-Mn系变形镁合金及其制备方法 - Google Patents

Mg-Sn-Mn系变形镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Mg-Sn-Mn变形镁合金及其制备方法。所述镁合金组分及质量配比如下：锡0.5～2%，锰0.5～1.5%，其余为镁；其制备工艺为：1）按照合金成分准备原材料，2）将所选取的原材料熔炼并浇铸或将熔体直接冷却成型获得铸锭，3）均匀化处理所得铸锭，4）挤压加工均匀化处理后的铸锭即得变形镁合金成品。本发明的变形镁合金制备方法简单、成本低廉、综合力学性能优异、生物相容性好、降解速度和力学性能可调，可作为医用材料使用，也可作为普通结构材料使用。

Description

Mg-Sn-Mn系变形镁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金领域，涉及一种镁基合金，特别涉及一种Mg-Sn-Mn系变形镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金用途十分广泛，目前商用镁合金大致可分为铸造镁合金和变形镁合金，铸造镁合金能够成型复杂形状的构件，但室温塑性差，应用范围受限；变形镁合金综合力学性能有所提高，然而现有变形镁合金大多含铝或稀土，含铝镁合金高温性能差，只能在室温下使用，含稀土元素的镁合金虽能在高温下使用，但价格昂贵，使用仍然受到限制。
另外，近年来，镁合金作为骨科植入材料引起了研究人员的广泛兴趣。然而，目前研究较多的医用镁合金，大都含有Al和/或稀土元素，其中合金中的铝是神经毒性元素，而稀土对人体健康的影响也存在争议，一般认为稀土元素在体内的累积将表现出毒性作用。因此，开发一种新型无毒可降解镁合金就显得尤为必要。
因此，有必要开发一种成本低廉，生物相容性好，力学性能优异的新型镁合金。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种成本低廉，生物相容性好，力学性能优异的新型镁合金。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
Mg-Sn-Mn系变形镁合金，按质量计，由以下组分组成：Sn：0.5～2%，Mn：0.5～1.5%，其余为Mg。
进一步，按质量计，由以下组分组成：Sn：0.8-1.2%，Mn：0.5～1%，其余为Mg。
一种制备如权利要求1所述Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，包括以下步骤：
1）原料准备：按所述配比称取纯镁、纯锡和镁锰中间合金；
2）熔炼：将所称取的原材料加热到720-760℃并保温10-30分钟熔炼得镁合金熔体；
3）浇铸：将镁合金熔体浇铸到250-350℃预热后的模具中，冷却得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭加热到400～520℃，保温10-24小时后水冷淬火；
5）挤压加工：200～350℃预热步骤4）的镁合金铸锭，然后在预热温度下挤压，挤压时挤压速度为0.5～3.0m/min，挤压比为10-80:1。
一种制备如权利要求1所述Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，包括以下步骤：
1）原料准备：按所述配比称取纯镁、纯锡和镁锰中间合金；
2）熔炼：将所称取的原材料加入坩埚用电磁感应炉熔化后保温1-10分钟得镁合金熔体；
3）冷却成型：将装有镁合金熔体的坩埚于盐水中冷却得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭加热到400～520℃，保温10-24小时后水冷淬火；
5）挤压加工：200～350℃预热步骤4）的镁合金铸锭，然后在预热温度下挤压，挤压时挤压速度为0.5～3.0m/min，挤压比为10-80:1。
进一步，浇铸前还包括搅拌、静置及除渣步骤，搅拌时间为2-10min，静置时间为5～10min。
进一步，熔炼和浇铸步骤在SF6和CO2混合气体保护下进行。
进一步，所述镁锰中间合金中Mn的质量百分比为4%-6%。
进一步，熔炼和冷却成型步骤在SF6和CO2混合气体保护下进行。
根据所述制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法所制得的镁合金。
本发明的有益效果在于：1）本发明的变形镁合金原料简单易得，制备工艺简单，生产成本低；2）本发明的变形镁合金中含有高熔点的Mg2Sn相，能够在高温环境使用；3）本发明的变形镁合金抗综合力学性能优异；4）本发明的变形镁合金中含锰元素，可降低杂质元素影响，提高镁合金的耐腐蚀性；5）本发明的变形镁合金元素均为人体必需元素，具有无毒性的优点；6）本发明的变形镁合金可被人体降解吸收，通过合理设计成份及挤压加工工艺可以控制降解速率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为实施例1-3所制得的Mg-1Sn-0.5Mn，Mg-1Sn-1Mn和Mg-2Sn-1Mn合金的应力应变曲线图；
图2为实施例4和实施例5所制得的Mg-1Sn-0.5Mn和Mg-1Sn-1Mn的应力应变曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，以下实施例中的比例均为质量百分比。
实施例1：
本实施例制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，包括以下步骤：
1）原料准备：选取纯镁、纯锡和镁锰中间合金，其中镁锰中间合金中锰的质量百分比为5%。适当调节各原材料含量，使合金成分满足：Sn：1%，Mn：0.5%，其余为镁。
2）熔炼：在SF6和CO2气体的保护下，将纯镁锭加热到740℃熔化；接着将100-200℃预热后的纯锡和镁锰中间合金加入镁熔体中进行熔炼；最后将合金熔体在740℃保温30分钟，充分搅拌3分钟后，静置5分钟，并打掉表面浮渣。
3）浇铸：在SF6和CO2混合气体保护下，将镁合金熔体浇铸到经350℃预热的铁质模具中，冷却得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭用石墨粉覆盖后加热到520℃进行均匀化处理，保温24小时后在冷水中淬火，得到均匀化处理的镁锭。
5）挤压加工：首先车皮去除均匀化处理后所得镁合金铸锭的表皮，然后将车皮后的铸锭在250℃预热2小时，最后在250℃挤压铸锭即得变形镁合金，本实施例中挤压加工时挤压速度为0.9～1.2m/min，挤压比为25:1。经测量，本实施例所制得的变形镁合金性能如图1所示（Mg-1Sn-0.5Mn对应的曲线），其综合力学性能优异，抗拉强度为252MPa，屈服强度为205MPa，延伸率为27%。
实施例2：
本实施例制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，包括以下步骤：
1）原料准备：选取纯镁、纯锡和镁锰中间合金，其中镁锰中间合金中锰的质量百分比为5%。适当调节各原材料含量，使合金成分满足：Sn：1%，Mn：1%，其余为镁。
2）熔炼：在SF6和CO2气体的保护下，将纯镁锭加热到740℃熔化；接着将100-200℃预热后的纯锡和镁锰中间合金加入镁熔体中进行熔炼；最后将合金熔体在740℃保温30分钟，充分搅拌3分钟后，静置5分钟，并打掉表面浮渣。
3）浇铸：在SF6和CO2混合气体保护下，将镁合金熔体浇铸到经350℃预热的铁质模具中，冷却得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭用石墨粉覆盖后加热到520℃进行均匀化处理，保温24小时后在冷水中淬火，得到均匀化处理的镁锭。
5）挤压加工：首先车皮去除均匀化处理后所得镁合金铸锭的表皮，然后将车皮后的铸锭在250℃预热2小时，最后在250℃挤压铸锭即得变形镁合金，本实施例中挤压加工时挤压速度为0.9～1.2m/min，挤压比为25:1。经测量，本实施例所制得的变形镁合金性能如图1所示（Mg-1Sn-1Mn对应的曲线），其综合力学性能优异，抗拉强度为271MPa，屈服强度为239MPa，延伸率为26%。
实施例3：
本实施例制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，包括以下步骤：
1）原料准备：选取纯镁、纯锡和镁锰中间合金，其中镁锰中间合金中锰的质量百分比为5%。适当调节各原材料含量，使合金成分满足：Sn：2%，Mn：1%，其余为镁。
2）熔炼：在SF6和CO2气体的保护下，将纯镁锭加热到740℃熔化；接着将100-200℃预热后的纯锡和镁锰中间合金加入镁熔体中进行熔炼；最后将合金熔体在740℃保温30分钟，充分搅拌3分钟后，静置5分钟，并打掉表面浮渣。
3）浇铸：在SF6和CO2混合气体保护下，将镁合金熔体浇铸到经350℃预热的铁质模具中，冷却得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭用石墨粉覆盖后加热到520℃进行均匀化处理，保温24小时后在冷水中淬火，得到均匀化处理的镁锭。
5）挤压加工：首先车皮去除均匀化处理后所得镁合金铸锭的表皮，然后将车皮后的铸锭在250℃预热2小时，最后在250℃挤压铸锭即得变形镁合金，本实施例中挤压加工时挤压速度为0.9～1.2m/min，挤压比为25:1。经测量，本实施例所制得的变形镁合金性能如图1所示（Mg-2Sn-1Mn对应的曲线），其综合力学性能优异，抗拉强度为285MPa，屈服强度为245MPa，延伸率为20%。
实施例4：
本实施例制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，包括以下步骤：
1）原料准备：选取纯镁、纯锡和镁锰中间合金，其中镁锰中间合金中锰的质量百分比为4%。适当调节各原材料含量，使合金成分满足：Sn：1%，Mn：0.5%，其余为镁。
2）熔炼：在SF6和CO2气体的保护下，将纯镁，纯锡和镁锰中间合金加入坩埚用电磁感应炉熔化，待完全熔化后保温5分钟。
3）冷却成型：在SF6和CO2混合气体保护下，将装有镁合金熔体的坩埚在盐水中冷却即得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭用石墨粉覆盖后加热到520℃进行均匀化处理，保温24小时后在冷水中淬火，得到均匀化处理的镁锭。
5）挤压加工：首先车皮去除均匀化处理后所得镁合金铸锭的表皮，然后将车皮后的铸锭在300℃预热2小时，最后在300℃挤压铸锭即得变形镁合金，本实施例中挤压加工时挤压速度为0.9～1.2m/min，挤压比为25:1。经测量，本实施例所制得的变形镁合金性能如图2所示（Mg-1Sn-0.5Mn对应的曲线），其综合力学性能优异，抗拉强度为260MPa，屈服强度为226MPa，延伸率为21%。
实施例5：
本实施例制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，包括以下步骤：
1）原料准备：选取纯镁、纯锡和镁锰中间合金，其中镁锰中间合金中锰的质量百分比为4%。适当调节各原材料含量，使合金成分满足：Sn：1%，Mn：1%，其余为镁。
2）熔炼：在SF6和CO2气体的保护下，将纯镁，纯锡和镁锰中间合金加入坩埚用电磁感应炉熔化，待完全熔化后保温5分钟；
3）冷却成型：在SF6和CO2混合气体保护下，将装有镁合金熔体的坩埚在盐水中冷却即得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭用石墨粉覆盖后加热到520℃进行均匀化处理，保温24小时后在冷水中淬火，得到均匀化处理的镁锭。
5）挤压加工：首先车皮去除均匀化处理后所得镁合金铸锭的表皮，然后将车皮后的铸锭在300℃预热2小时，最后在300℃挤压铸锭即得变形镁合金，本实施例中挤压加工时挤压速度为0.9～1.2m/min，挤压比为25:1。经测量，本实施例所制得的变形镁合金性能如图2所示（Mg-1Sn-1Mn对应的曲线），其综合力学性能优异，抗拉强度为270MPa，屈服强度为243MPa，延伸率为22%。
需要进一步说明的是：首先，以上各实施例的SF6和CO2混合气体中六氟化硫体积百分比为0.5%～1.5%，纯镁中镁含量高于99.95%，纯锡锡含量高于99.5%，镁锰中间合金中锰的质量百分比还可以是4-6%之间的任意值。其次，本发明合金的成份也不限于上述实施例所公开的值。事实上，只要合金成分满足：Sn：0.5～2%，Mn：0.5～1.5%，其余为Mg时均可以解决本发明的技术问题；当然，本发明的镁合金也可以含有常规量不可避免的杂质。最后，制备本发明镁合金时熔炼温度为720-760℃，保温10-30分钟，浇铸时模具预热温度为250-350℃，均匀化处理时加热温度为400-520℃，保温时间为10-24小时，挤压前预热温度为200～350℃，预热时间为1-2小时，挤压温度为200～350℃，挤压速度为0.5～3.0m/min，挤压比为10-80:1时均能实现本发明目的。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围，均在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.Mg-Sn-Mn系变形镁合金，其特征在于，按质量计，由以下组分组成：Sn：0.5～2%，Mn：0.5～1.5%，其余为Mg。
2.根据权利要求1所述Mg-Sn-Mn系变形镁合金，其特征在于，按质量计，由以下组分组成：Sn：0.8-1.2%，Mn：0.5～1%，其余为Mg。
3.一种制备如权利要求1所述Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）原料准备：按所述配比称取纯镁、纯锡和镁锰中间合金；
2）熔炼：将所称取的原材料加热到720-760℃并保温10-30分钟熔炼得镁合金熔体；
3）浇铸：将镁合金熔体浇铸到250-350℃预热后的模具中，冷却得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭加热到400～520℃，保温10-24小时后水冷淬火；
5）挤压加工：200～350℃预热步骤4）的镁合金铸锭，然后在预热温度下挤压，挤压时挤压速度为0.5～3.0m/min，挤压比为10-80:1。
4.一种制备如权利要求1所述Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）原料准备：按所述配比称取纯镁、纯锡和镁锰中间合金；
2）熔炼：将所称原材料加入坩埚在电磁感应炉熔化后保温1-10分钟得镁合金熔体；
3）冷却成型：将装有镁合金熔体的坩埚于盐水中冷却得镁合金铸锭；
4）均匀化处理：将镁合金铸锭加热到400～520℃，保温10-24小时后水冷淬火；
5）挤压加工：200～350℃预热步骤4）的镁合金铸锭，然后在预热温度下挤压，挤压时挤压速度为0.5～3.0m/min，挤压比为10-80:1。
5.根据权利要求3所述制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，其特征在于：浇铸前还包括搅拌、静置及除渣步骤，搅拌时间为2-10min，静置时间为5～10min。
6.根据权利要求3所述制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，其特征在于：熔炼和浇铸步骤在SF6和CO2混合气体保护下进行。
7.根据权利要求3或4所述制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，其特征在于：所述镁锰中间合金中Mn的质量百分比为4%-6%。
8.根据权利要求4所述制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法，其特征在于：熔炼和冷却成型步骤在SF6和CO2混合气体保护下进行。
9.根据权利要求3-8任意一项制备Mg-Sn-Mn系变形镁合金的方法所制得的镁合金。
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