CN110129600A

CN110129600A - 一种多组元、高硬度生物医用Mg-Zn-Nd-Y-Zr-Ca合金及制备方法

Info

Publication number: CN110129600A
Application number: CN201910522071.0A
Authority: CN
Inventors: 张倩倩; 董桂馥; 林永威
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明涉及一种多组元、高硬度生物医用Mg‑Zn‑Nd‑Y‑Zr‑Ca合金及制备方法，具体涉及通过微合金化的方法，通过添加多种与人体生物相容性良好的合金元素，获得高硬度生物医用镁合金。该合金选用人体必需的微量元素Zn和在人体微量无毒的元素Nd、Y、Zr作为基合金，通过调整添加构成人骨的重要组分Ca，获得高硬度的新型医用镁合金。本发明的合金相比于其他镁合金硬度高，合金组分安全。通过在Mg‑Zn‑Nd‑Y‑Zr合金中添加适量Ca元素，可通过固溶强化和晶粒细化提高合金硬度。对生物医用镁合金在机械性能上的提高提供了有利的帮助。

Description

一种多组元、高硬度生物医用Mg-Zn-Nd-Y-Zr-Ca合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型高硬度镁合金材料，特别是涉及一种生物医用高硬度镁合金材料。

背景技术

镁合金由于其可降解性而成为生物医用的热门材料，开发适用于人体的高机械性能材料成为本领域的当务之急。合金化是改善镁合金的力学性能和耐腐蚀性能的重要手段。通过合金化使材料的显微组织发生改变，通过晶粒细化、固溶强化和沉淀强化提高合金的机械性能。目前所用的材料主要集中于二元或三元合金系的研究，而多组元合金系的研究结果还较少。与二元或三元合金系相比，多组元合金的作用机制复杂，各组元间存在相互作用和影响，能显著提高镁合金的综合性能。

发明内容

为弥补现有合金体系的不足，本发明提供一种通过多组元微合金化的方法设计一种新型的合金，该合金系可使镁合金的硬度得到较大的提高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。通过选用人体必需的微量元素Zn和在人体微量无毒的元素Nd、Y、Zr作为基合金，采用铸造的方法，将不同含量的Ca元素加入Mg-Zn-Nd-Y-Zr合金中，得到高硬度的新合金。

所述的合金采用如下方法制备：以纯镁(99.9％)、纯锌(99.9％)、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金为原料。将熔炼炉和坩埚预热至300℃，放入镁锭升温熔化，待其全部熔化后升温至780℃，依次加入纯Zn、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金，待其全部熔化后搅拌均匀，保温10min，降温至720℃浇入钢模空冷，获得所需合金。

进一步的，所述Mg-Zn-Nd-Y-Zr-Ca合金成分如下：Zn:2.0wt％，Nd:0.5wt％，Y:1.0wt％，Zr:0.5wt％，Ca:0.1-1.0wt％，Mg:余量。

优选的，Ca含量为1wt％。

本发明通过多组元微合金化向Mg-Zn-Nd-Y-Zr合金中加入微量Ca后，晶粒尺寸明显减小，Ca元素一部分固溶进入镁合金基体，提高基体的硬度，另一部分位于晶界形成新的高硬度相，抑制晶粒生长，提高了材料的强度和硬度。对生物医用镁合金在机械性能上的提高提供了有利的帮助。

本发明具有以下优点：

1、铸造法生产工艺简单，不需要特殊的设备，生产成本低，技术简单易掌握。

2、本发明通过在Mg-Zn-Nd-Y-Zr合金中引入Ca元素，可使其硬度提高2-3倍。

3、本发明通过合理控制含Ca量，达到最佳的硬度指标。

附图说明

图1为添加不同的Ca元素后，合金的微观组织图片。其中，(a)0％，(b)0.1wt％，(c)0.3wt％，(d)0.5wt％，(e)1.0wt％。

图2为Ca加入基体合金后显微硬度变化曲线图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从化学公司购买。下述实施例中Mg-20％Nd指Nd含量为20wt％的Mg-Nd中间合金，Mg-30％Y指Y含量为30wt％的Mg-Y中间合金，Mg-30％Zr指Zr含量为30wt％的Mg-Zr中间合金，Mg-20％Ca指Ca含量为20wt％的Mg-Ca中间合金。

实施例1

按计算好的比例，Zn：2wt％，Nd：0.5wt％，Y：1.0wt％，Zr：0.5wt％，Ca：0.1wt％，准备900克的纯镁(99.9％)、20克纯锌(99.9％)、25克Mg-20％Nd、33.3克Mg-30％Y、16.7克Mg-30％Zr和5克Mg-20％Ca中间合金原料。将熔炼炉和坩埚预热至300℃，放入镁锭升温熔化，待其全部熔化后升温至780℃，依次加入纯Zn、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金，待其全部熔化后搅拌均匀，保温10min，降温至720℃浇入钢模空冷，获得Mg-2Zn-0.5Nd-1.0Y-0.5Zr-0.1Ca合金。

实施例2

按计算好的比例，Zn：2wt％，Nd：0.5wt％，Y：1.0wt％，Zr：0.5wt％，Ca：0.3wt％，准备890克的纯镁(99.9％)、20克纯锌(99.9％)、25克Mg-20％Nd、33.3克Mg-30％Y、16.7克Mg-30％Zr和15克Mg-20％Ca中间合金原料。将熔炼炉和坩埚预热至300℃，放入镁锭升温熔化，待其全部熔化后升温至780℃，依次加入纯Zn、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金，待其全部熔化后搅拌均匀，保温10min，降温至720℃浇入钢模空冷，获得Mg-2Zn-0.5Nd-1.0Y-0.5Zr-0.3Ca合金。

实施例3

按计算好的比例，Zn：2wt％，Nd：0.5wt％，Y：1.0wt％，Zr：0.5wt％，Ca：0.5wt％，准备880克纯镁(99.9％)、20克纯锌(99.9％)、25克Mg-20％Nd、33.3克Mg-30％Y、16.7克Mg-30％Zr和25克Mg-20％Ca中间合金原料。将熔炼炉和坩埚预热至300℃，放入镁锭升温熔化，待其全部熔化后升温至780℃，依次加入纯Zn、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金，待其全部熔化后搅拌均匀，保温10min，降温至720℃浇入钢模空冷，获得Mg-2Zn-0.5Nd-1.0Y-0.5Zr-0.5Ca合金。

实施例4

按计算好的比例，Zn：2wt％，Nd：0.5wt％，Y：1.0wt％，Zr：0.5wt％，Ca：1.0wt％，准备855克的纯镁(99.9％)、20克纯锌(99.9％)、25克Mg-20％Nd、33.3克Mg-30％Y、16.7克Mg-30％Zr和50克Mg-20％Ca中间合金原料。将熔炼炉和坩埚预热至300℃，放入镁锭升温熔化，待其全部熔化后升温至780℃，依次加入纯Zn、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金，待其全部熔化后搅拌均匀，保温10min，降温至720℃浇入钢模空冷，获得Mg-2Zn-0.5Nd-1.0Y-0.5Zr-1.0Ca合金。

实施例5

图1为实施例1-4向Mg-Zn-Nd-Y-Zr合金加入不同含量的Ca之后的微观组织照片，随着Ca含量的增加，晶粒尺寸迅速减小。图2为不同Ca含量的合金的显微硬度变化曲线，随着Ca含量的增加，显微硬度迅速增加。综上可知，含Ca1.0％时的合金硬度最高。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种多组元、高硬度生物医用Mg-Zn-Nd-Y-Zr-Ca合金的制备方法，其特征在于：以纯镁、纯锌、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金为原料，将熔炼炉和坩埚预热至300℃，放入镁锭升温熔化，待其全部熔化后升温至780℃，依次加入纯Zn、Mg-20％Nd、Mg-30％Y、Mg-30％Zr和Mg-20％Ca中间合金，待其全部熔化后搅拌均匀，保温10min，降温至720℃浇入钢模空冷，获得所需合金。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纯镁为99.9％的镁，所述纯锌为99.9％的锌。

3.一种如权利要求1所述方法制备的Mg-Zn-Nd-Y-Zr-Ca合金，其特征在于：成分如下：Zn:2.0wt％，Nd:0.5wt％，Y:1.0wt％，Zr:0.5wt％，Ca:0.1-1.0wt％，Mg:余量。

4.根据权利要求3所述的合金，其特征在于：Ca含量为1wt％。