CN103725942B - 一种Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金,按质量计由以下组分组成:Zn:0.01~8%;Sr:0.01~2%;Ca:0.01~2%;其余为Mg。本发明还公开了另一种Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金,按质量计由以下组分组成:Zn:0.01~8%;Sr:0.01~2%;Ca:0.01~2%;Mn:≤1%;其余为Mg。本发明还公开了一种制备所述镁合金的方法:首先按照合金成分准备原材料,然后将所选原材料熔炼并浇铸,接着均匀化处理浇铸所得铸锭,最后挤压加工均匀化处理后的铸锭即得变形镁合金成品。本发明的镁合金降解速度和力学性能可调,生物相容性好,对人体无毒害作用,可作生物材料使用。
Description
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-Zn-Sr-Ca系镁合金及其制备方法。
背景技术
近年来,镁合金作为骨科植入材料受到广泛关注。镁合金作为骨科植入材料具有密度和弹性模量与人骨相近、比强度和比刚度高、可生物降解等优点。然而,目前研究较多的医用镁合金通常源于工业镁合金(如AZ31,AZ91,WE43,LAE442等),大都含有Al和/或稀土元素,生物相容性差,合金中Al对人体健康有害,而稀土对人体健康的影响也存在争议。因此,有必要开发一种新型无毒可降解镁合金。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种无毒可生物降解的镁合金,本发明还提供一种制备所述镁合金的方法。
为达到上述目的,本发明提供一种Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金,按质量计由以下组分组成:Zn:0.01~8%;Sr:0.01~2%;Ca:0.01~2%;其余为Mg。
进一步,所述镁合金按质量计由以下组分组成:Zn:1-3%;Sr:0.2-1%;Ca:0.2-0.5%;其余为Mg。
进一步,所述镁合金按质量计由以下组分组成:Zn:1%;Sr:0.5%;Ca:0.5%;其余为Mg。
本发明还提供另一种Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金,按质量计由以下组分组成:Zn:0.01~8%;Sr:0.01~2%;Ca:0.01~2%;Mn:≤1%;其余为Mg。
进一步,所述镁合金按质量计由以下组分组成:Zn:1%;Sr:0.2%;Ca:0.2%;Mn:1%;其余为Mg。
本发明制备所述Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,包括以下步骤:
1)原料准备:选取纯镁、纯锌、纯锶和镁钙中间合金;
2)熔炼:将所选原材料加热到720-760℃并保温熔炼得镁合金熔体;
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300-420℃保温10-24小时后水冷淬火;
5)挤压加工:300-380℃预热挤压加工步骤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。
本发明还提供另一种制备所述Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,包括以下步骤:
1)原料准备:选取纯镁、纯锌、纯锶、镁钙中间合金和镁锰中间合金;
2)熔炼:将所选原材料加热到720-760℃并保温熔炼得镁合金熔体;
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300-420℃保温10-24小时后水冷淬火;
5)挤压加工:300-380℃预热挤压加工步骤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,熔炼和浇铸步骤在SF6和CO2混合气体保护下进行。
本发明的有益效果在于:
1.本发明Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金可被人体降解吸收,合金中的锌、钙、锶和锰均为人体必需元素,该系镁合金生物相容性好。
2.本发明Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金具有优异的综合性能,锌、锶和锰可以改善镁合金的耐腐蚀性,锶还可促进骨的生长,抑制骨的吸收,加速骨的愈合。
3.本发明通过合理的设计合金成分及挤压加工工艺,所制得的Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的降解速度和力学性能可调,可作骨板、骨钉等骨科外固定材料及骨缺损修复材料使用。
4.本发明Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金不含稀土元素和贵金属元素如锆等,成本低。
5.本发明Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金变形处理后的综合力学性能优异,还可作为工业结构材料使用。
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1-4所制备镁合金的应力应变曲线。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1:
本实施例制备Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,包括以下步骤:
1)原料准备:选取纯镁、纯锌、纯锶和镁钙中间合金;其中镁钙中间合金中钙的质量百分比为30%,适当调节各原材料含量,使合金成分满足:Zn:1%;Sr:0.5%,Ca: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150℃预热后的纯锌、纯锶和镁钙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350℃预热后的铁质模具中,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420℃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350℃预热2小时,最后在350℃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-1Zn-0.5Sr-0.5Ca对应的曲线),其综合力学性能优异,抗拉强度为306MPa,屈服强度为268MPa,延伸率为15%。
实施例2:
本实施例制备Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,包括以下步骤:
1)原料准备:选取纯镁、纯锌、纯锶和镁钙中间合金;其中镁钙中间合金中钙的质量百分比为30%,适当调节各原材料含量,使合金成分满足:Zn:1%;Sr:1%,Ca: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150℃预热后的纯锌、纯锶和镁钙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350℃预热后的铁质模具中,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420℃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350℃预热1.5小时,最后在350℃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-1Zn-1Sr-0.5Ca对应的曲线),其综合力学性能优异,抗拉强度为290MPa,屈服强度为267MPa,延伸率为11%。
实施例3:
本实施例制备Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,包括以下步骤:
1)原料准备:选取纯镁、纯锌、纯锶和镁钙中间合金;其中镁钙中间合金中钙的质量百分比为30%,适当调节各原材料含量,使最终合金成分满足:Zn:3%;Sr:0.5%,Ca:0.2%,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150℃预热后的纯锌、纯锶和镁钙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350℃预热后的铁质模具中,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420℃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350℃预热1小时,最后在350℃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-3Zn-0.5Sr-0.2Ca对应的曲线),其综合力学性能优异,抗拉强度为295MPa,屈服强度为253MPa,延伸率为17%。
实施例4:
本实施例制备Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,包括以下步骤:
1)原料准备:选取原料采用纯镁、纯锌、纯锶、镁钙中间合金和镁锰中间合金;其中镁钙中间合金中钙的质量百分比为30%,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:Zn:1%;Sr:0.2%;Ca:0.2%;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150℃预热后的纯锌、纯锶和镁钙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350℃预热后的铁质模具中,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420℃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350℃预热2小时,最后在350℃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-1Zn-0.2Ca-0.2Sr-1Mn对应的曲线),其综合力学性能优异,抗拉强度为267MPa,屈服强度为184MPa,延伸率为22%。
需要进一步说明的是:首先,以上各实施例所述SF6和CO2混合气体中六氟化硫体积百分比为0.5%~1.5%;所述纯镁是指纯度高于99.95%镁,纯锌是指纯度高于99.99%的锌,纯锶是指纯度高于99.5%的锶,所述钙镁中间合金中钙的质量百分比还可以是25-35%之间的任意值,所述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:Zn:0.01~8%;Sr:0.01~2%;Ca:0.01~2%;其余为Mg;或者Zn:0.01~8%;Sr:0.01~2%;Ca:0.01~2%;Mn:≤1%;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,本发明镁合金的制备方法中熔炼温度为720-760℃,浇铸时模具预热温度为250-350℃,均匀化处理时加热温度为300-420℃,保温时间为10-24小时,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 (3)
1.一种Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金,其特征在于,所述镁合金按质量计由以下组分组成:Zn:1%;Sr:0.5%;Ca:0.5%;其余为Mg。
2.一种制备如权利要求1所述Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)原料准备:选取纯镁、纯锌、纯锶和镁钙中间合金;
2)熔炼:将所选原材料加热到720-760℃并保温熔炼得镁合金熔体;
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300-420℃,保温10-24小时后水冷淬火;
5)挤压加工:300-380℃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。
3.根据权利要求2所述制备Mg-Zn-Sr-Ca系镁合金的方法,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。
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