CN105779909B - 一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，属于生物医学领域，具体步骤包括：(1)制备母合金；(2)制备非晶条带；(3)制备非晶粉末；(4)冷挤压；(5)热挤压。本发明所用合金成分属于易形成非晶合金成分；热挤压所用的非晶合金粉末大小可以通过球磨时间控制；热挤压温度较低，在水的沸点附近，挤压完成后仍然为非晶结构；多孔非晶合金的孔隙率可以控制；非晶合金具有强度与韧性、大的弹性极限、无加工硬化、优异的耐蚀性等特点。
Description
技术领域
本发明属于生物医学领域，特别涉及一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法。
背景技术
多孔大块非晶合金具有高的强度与韧性、大的弹性极限、无加工硬化、优异的耐蚀性等特点在生物医用人工骨骼领域具有广泛的应用前景。非晶合金在热力学上处于亚稳态，在加热条件下可转变成结构更加稳定的晶态合金，从而导致其优良性能的丧失。在过冷液相区内能够很容易的加工非晶合金，这是非晶合金走向应用的重要一步。而非晶合金在其过冷液相区的热稳定性大小，是决定此种非晶合金是否适合加工和加工工艺选择的重要依据。由于非晶合金在其对应的过冷液相区不发生膨胀，所以非晶合金的精度高，充型性能好。多孔非晶合金表面粗糙，适合羟基磷灰石附着生长，在制备人工骨骼方面就有广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种骨骼用多孔Mg基非晶合金制备方法。其目的是将非晶合金的强度与韧性、大的弹性极限、无加工硬化、优异的耐蚀性等特点与多孔金属相结合，使制备的材料易于羟基磷灰石生长附着，具有良好的生物相容性。
一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备母合金：
(1)原料清洗风干后，放入水冷铜模坩埚中；其中，原料按质量比为Mg：Zn：Ca＝(15～20)：(3～5)：(1～3)，进行配料；
(2)将装好配料的坩埚置于真空熔炼炉，当真空度大于等于5.0×10-3Pa时，通入氩气，将石墨电极靠近原料1～2mm，通电引弧；所有的金属都熔化后，断开电源；随炉冷却后，将合金锭翻面；
(3)重复步骤1(2)的操作3～5次；制得直径40～60mm、厚度为3～5mm纽扣型的母合金；
步骤2，制备非晶条带：
(1)将母合金去氧化皮、压碎后，装入带喷口的石英管内，将石英管放入真空甩带机中；
(2)当真空度达到5.0×10-3Pa时，启动感应熔炼，使母合金全部熔化；
(3)采用高纯氩气，将石英管内熔融的母合金液喷到旋转的铜辊表面，形成宽为5～6mm、厚为0.1～0.3mm的非晶条带；其中，铜辊转速为3000～5000r/min；
步骤3，制备非晶粉末：将非晶条带破碎，球磨3～5min，制得粒度为200～400目的非晶合金粉末；
步骤4，冷挤压：将非晶合金粉末放入挤压模具中，在室温、60～80Mpa的挤压力下，预成型，制得直径为10～20mm、高为20～30mm的冷压预制体；
步骤5，热挤压：将冷压预制体放入挤压模具中，在100～110℃，挤压力为100～300Mpa下，等温挤压，制得直径为10～20mm、高为10～20mm的骨骼用多孔Mg基非晶合金。
所述的步骤1中，母合金中所含Mg，Zn和Ca三种金属元素按照非晶合金成分设计原则：合金至少存在三种以上的元素；各元素原子半径差别较大，至少要大于10％；三个组元具有负的混合焓；从液态熔体到形成非晶结构，不发生化学变化；
所述的步骤1(2)中，采用翻勺将合金锭翻面；当引弧所用电流不足以使金属熔化时，慢慢加大电流；
所述的步骤2中，石英管喷口的孔径为2～3mm；
所述的步骤3中，破碎方法为将非晶条带加工成每段长为4～5cm的条带；球磨所用的装置为球磨机；球磨机靠强烈的公转和自转使磨球产生强烈的冲击作用，将非晶条带破碎成粉末；为防止球磨过程中非晶的结构发生改变，尽量缩短球磨时间；
所述的步骤4和步骤5中，冷挤压和热挤压采用的设备均为挤压机；
所述的步骤5中，热挤压温度设定为骨骼用多孔Mg基非晶合金的过冷液相区内，通过温控器控制热挤压温度；挤压模具四周套上陶瓷加热套，加热套内部为电炉丝；挤压模具打孔放入热电偶，测量挤压模具温度。
本发明的骨骼用多孔Mg基非晶合金制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
1.本发明的骨骼用多孔Mg基非晶合金制备方法，所用合金成分属于易形成非晶合金成分；
2.本发明的骨骼用多孔Mg基非晶合金制备方法，热挤压所用的非晶合金粉末大小可以通过球磨时间控制；
3.本发明的骨骼用多孔Mg基非晶合金制备方法，热挤压温度较低，在水的沸点附近，挤压完成后仍然为非晶结构；
4.本发明的骨骼用多孔Mg基非晶合金制备方法，多孔非晶合金的孔隙率可以控制；
5.本发明的骨骼用多孔Mg基非晶合金制备方法，与传统晶态合金相比，非晶合金具有强度与韧性、大的弹性极限、无加工硬化、优异的耐蚀性等特点。
附图说明
图1本发明实施例中母合金制备装置示意图；其中，1-转盘，2-翻勺，3-合金，4-炉盖，5-电极；
图2本发明实施例中铜辊甩带制备非晶合金条带装置示意图；其中，6-氩气通入口，7-石英管，8-非晶条带，9-感应线圈，10-石英管喷口；
图3本发明实施例2中非晶粉末放大20倍显微图片；
图4本发明实施例制备骨骼用多孔Mg基非晶合金的流程图；
图5为本发明实施例2的制得的骨骼用多孔Mg基非晶合金的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。本发明实施例中母合金制备装置示意图如图1所示；本发明实施例中铜辊甩带制备非晶合金条带装置示意图如图2所示；本发明实施例制备骨骼用多孔Mg基非晶合金的流程图如图4所示。
实施例1
一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备母合金：
(1)原料清洗风干后，放入水冷铜模坩埚中；其中，原料按质量比为Mg：Zn：Ca＝15:5:1，进行配料；
(2)将装好配料的坩埚置于真空熔炼炉，当真空度大于等于5.0×10-3Pa时，通入氩气，将石墨电极靠近原料1～2mm，通电引弧；所有的金属都熔化后，断开电源；随炉冷却后，采用翻勺将合金锭翻面；
(3)重复步骤1(2)的操作3次；制得直径40mm、厚度为5mm纽扣型的母合金；
步骤2，制备非晶条带：
(1)将母合金去氧化皮、压碎后，装入带喷口的石英管内，将石英管放入真空甩带机中；其中，石英管喷口的孔径为2mm；
(2)当真空度达到5.0×10-3Pa时，启动感应熔炼，使母合金全部熔化；
(3)采用高纯氩气，将石英管内熔融的母合金液喷到旋转的铜辊表面，形成宽为5mm、厚为0.1mm的非晶条带；其中，铜辊转速为5000r/min；
步骤3，制备非晶粉末：将非晶条带加工成每段长为5cm的条带，放入球磨机中，球磨破碎3min，制得粒度为200目的非晶合金粉末；
步骤4，冷挤压：将非晶合金粉末放入挤压模具中，采用挤压机，在室温、60Mpa的挤压力下，预成型，制得直径为20mm、高为30mm的冷压预制体；
步骤5，热挤压：将冷压预制体放入挤压模具中，采用挤压机，在100℃，挤压力为100Mpa下，等温挤压，制得直径为10mm、高为20mm的骨骼用多孔Mg基非晶合金。
实施例2
一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备母合金：
(1)原料清洗风干后，放入水冷铜模坩埚中；其中，原料按质量比为Mg：Zn：Ca＝17:4:1，进行配料；
(2)将装好配料的坩埚置于真空熔炼炉，当真空度大于等于5.0×10-3Pa时，通入氩气，将石墨电极靠近原料1～2mm，通电引弧；所有的金属都熔化后，断开电源；随炉冷却后，采用翻勺将合金锭翻面；
(3)重复步骤1(2)的操作4次；制得直径50mm、厚度为4mm纽扣型的母合金；
步骤2，制备非晶条带：
(1)将母合金去氧化皮、压碎后，装入带喷口的石英管内，将石英管放入真空甩带机中；其中，石英管喷口的孔径为2mm；
(2)当真空度达到5.0×10-3Pa时，启动感应熔炼，使母合金全部熔化；
(3)采用高纯氩气，将石英管内熔融的母合金液喷到旋转的铜辊表面，形成宽为5mm、厚为0.3mm的非晶条带；其中，铜辊转速为3000r/min；
步骤3，制备非晶粉末：将非晶条带加工成每段长为4cm的条带，放入球磨机中，球磨破碎5min，制得粒度为400目的非晶合金粉末；非晶粉末放大20倍显微图片如图3所示；从图中可以看出，非晶粉末为形状不规则的立方体；
步骤4，冷挤压：将非晶合金粉末放入挤压模具中，采用挤压机，在室温、80Mpa的挤压力下，预成型，制得直径为10mm、高为20mm的冷压预制体；
步骤5，热挤压：将冷压预制体放入挤压模具中，采用挤压机，在110℃，挤压力为300Mpa下，等温挤压，制得直径为20mm、高为10mm的骨骼用多孔Mg基非晶合金。
制得的骨骼用多孔Mg基非晶合金的XRD图谱如图5所示，从图中可以看出，制备出的材料为非晶合金。
实施例3
一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备母合金：
(1)原料清洗风干后，放入水冷铜模坩埚中；其中，原料按质量比为Mg：Zn：Ca＝20:3:3，进行配料；
(2)将装好配料的坩埚置于真空熔炼炉，当真空度大于等于5.0×10-3Pa时，通入氩气，将石墨电极靠近原料1～2mm，通电引弧；所有的金属都熔化后，断开电源；随炉冷却后，采用翻勺将合金锭翻面；
(3)重复步骤1(2)的操作5次；制得直径60mm、厚度为3mm纽扣型的母合金；
步骤2，制备非晶条带：
(1)将母合金去氧化皮、压碎后，装入带喷口的石英管内，将石英管放入真空甩带机中；其中，石英管喷口的孔径为2mm；
(2)当真空度达到5.0×10-3Pa时，启动感应熔炼，使母合金全部熔化；
(3)采用高纯氩气，将石英管内熔融的母合金液喷到旋转的铜辊表面，形成宽为6mm、厚为0.2mm的非晶条带；其中，铜辊转速为4000r/min；
步骤3，制备非晶粉末：将非晶条带加工成每段长为5cm的条带，放入球磨机中，球磨破碎4min，制得粒度为300目的非晶合金粉末；
步骤4，冷挤压：将非晶合金粉末放入挤压模具中，采用挤压机，在室温、70Mpa的挤压力下，预成型，制得直径为15mm、高为25mm的冷压预制体；
步骤5，热挤压：将冷压预制体放入挤压模具中，采用挤压机，在105℃，挤压力为200Mpa下，等温挤压，制得直径为15mm、高为15mm的骨骼用多孔Mg基非晶合金。
实施例4
一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备母合金：
(1)原料清洗风干后，放入水冷铜模坩埚中；其中，原料按质量比为Mg：Zn：Ca＝19:4:2，进行配料；
(2)将装好配料的坩埚置于真空熔炼炉，当真空度大于等于5.0×10-3Pa时，通入氩气，将石墨电极靠近原料1～2mm，通电引弧；所有的金属都熔化后，断开电源；随炉冷却后，采用翻勺将合金锭翻面；
(3)重复步骤1(2)的操作3次；制得直径50mm、厚度为5mm纽扣型的母合金；
步骤2，制备非晶条带：
(1)将母合金去氧化皮、压碎后，装入带喷口的石英管内，将石英管放入真空甩带机中；其中，石英管喷口的孔径为3mm；
(2)当真空度达到5.0×10-3Pa时，启动感应熔炼，使母合金全部熔化；
(3)采用高纯氩气，将石英管内熔融的母合金液喷到旋转的铜辊表面，形成宽为5mm、厚为0.1mm的非晶条带；其中，铜辊转速为3000r/min；
步骤3，制备非晶粉末：将非晶条带加工成每段长为4cm的条带，放入球磨机中，球磨破碎5min，制得粒度为400目的非晶合金粉末；
步骤4，冷挤压：将非晶合金粉末放入挤压模具中，采用挤压机，在室温、80Mpa的挤压力下，预成型，制得直径为20mm、高为25mm的冷压预制体；
步骤5，热挤压：将冷压预制体放入挤压模具中，采用挤压机，在110℃，挤压力为150Mpa下，等温挤压，制得直径为10mm、高为15mm的骨骼用多孔Mg基非晶合金。
Claims (3)
1.一种骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备母合金：
(1)原料清洗风干后，放入水冷铜模坩埚中；其中，原料按质量比为Mg：Zn：Ca＝(15～20)：(3～5)：(1～3)，进行配料；
(2)将装好配料的坩埚置于真空熔炼炉，当真空度大于等于5.0×10-3Pa时，通入氩气，将石墨电极靠近原料1～2mm，通电引弧；所有的金属都熔化后，断开电源；随炉冷却后，将合金锭翻面；
(3)重复步骤1(2)的操作3～5次；制得直径40～60mm、厚度为3～5mm纽扣型的母合金；
步骤2，制备非晶条带：
(1)将母合金去氧化皮、压碎后，装入带喷口的石英管内，将石英管放入真空甩带机中；其中石英管喷口的孔径为2～3mm；
(2)当真空度达到5.0×10-3Pa时，启动感应熔炼，使母合金全部熔化；
(3)采用高纯氩气，将石英管内熔融的母合金液喷到旋转的铜辊表面，形成宽为5～6mm、厚为0.1～0.3mm的非晶条带；其中，铜辊转速为3000～5000r/min；
步骤3，制备非晶粉末：将非晶条带破碎，球磨3～5min，制得粒度为200～400目的非晶合金粉末；破碎方法为将非晶条带加工成每段长为4～5cm的条带；球磨所用的装置为球磨机；
步骤4，冷挤压：将非晶合金粉末放入挤压模具中，在室温、60～80MPa的挤压力下，预成型，制得直径为10～20mm、高为20～30mm的冷压预制体；
步骤5，热挤压：将冷压预制体放入挤压模具中，在100～110℃，挤压力为100～300MPa下，等温挤压，制得直径为10～20mm、高为10～20mm的骨骼用多孔Mg基非晶合金。
2.根据权利要求1所述的骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，采用翻勺将合金锭翻面。
3.根据权利要求1所述的骨骼用多孔Mg基非晶合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤4和步骤5中，冷挤压和热挤压采用的设备均为挤压机。
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Families Citing this family (1)
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Citations (2)
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| CN103305709A (zh) * | 2013-05-27 | 2013-09-18 | 河北工业大学 | 医用镁基非晶材料的制备方法 |
Family Cites Families (1)
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2016
- 2016-03-29 CN CN201610188134.XA patent/CN105779909B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 镁基非晶合金可降解性能的研究;肖同娜;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20150715(第07期);第B022-78页 * |
Also Published As
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| CN105779909A (zh) | 2016-07-20 |
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