CN114574791A - 镁合金空心螺钉及其制备方法 - Google Patents

镁合金空心螺钉及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种镁合金空心螺钉及其制备方法。该制备方法包括：获取镁合金棒坯；将镁合金棒坯放置于电磁感应加热线圈中，根据设定的温度以及变形量于旋锻机中进行锻造，以形成径向结构组织依次为表层细晶区、中部过渡区及芯部变形区的镁合金棒材；将镁合金棒材加工径向结构组织为细晶区的镁合金空心螺钉。本发明制备的镁合金空心螺钉的表面形成一层细晶硬化层，提高表层的强度及硬度，并且由于结构组织中无明显第二相，有效的降低了第二相对降解不均匀性的影响，减缓降解速率。

Description

镁合金空心螺钉及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种镁合金空心螺钉及其制备方法。
背景技术
空心螺钉在外科领域广泛用于关节内小骨块固定、关节内外骨折固定、矫形截骨固定、创伤及关节融合术等。传统的空心螺钉多为钛合金材质，植入人体后将长期留存，有可能溶出金属离子，引发周围过敏反应；且钛合金螺钉与人骨的弹性模量差异太大，容易引起应力遮挡效应，造成植入物周围骨质疏松。
随着镁基金属材料在骨科植入物方面研究的深入，镁基金属接骨螺钉逐渐获批并进入市场。但因为镁基金属材料本身强度较低，加工成空心螺钉后，其断裂扭转强度较实心螺钉进一步下降。而镁合金的低合金化虽然解决了因合金元素含量高，形成大量第二相导致降解加剧的问题。但是对于合金总质量分数小于2％的低合金化镁合金，目前处理无法析出足够的第二相，因此其拉伸强度很难得到进一步的提高。例如，常规技术手段如轧制、锻造获得的低合金化镁合金抗拉强度多在300MPa以下，如专利申请号201480054906.X及201810275833.7中的镁合金。
因此，现有技术中镁基空心螺钉存在强度低的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种镁合金空心螺钉及其制备方法。
本发明的一方面，提供一种镁合金空心螺钉，所述镁合金空心螺钉的横截面的结构组织为细晶区，晶粒尺寸为0.5μm至5μm；所述镁合金空心螺钉的内径不小于0.5mm，外径不大于10mm，螺钉壁厚最大值不超过2mm。
可选的，所述镁合金空心螺钉的降解速率不超过0.5mm/年。
本发明的一方面，一种制备上述镁合金空心螺钉的方法，包括：
获取镁合金棒坯；
将所述镁合金棒坯放置于电磁感应加热线圈中，根据设定的温度以及变形量于旋锻机中进行锻造，以形成径向结构组织依次为表层细晶区、中部过渡区及芯部变形区的镁合金棒材；
将所述镁合金棒材加工径向结构组织为细晶区的镁合金空心螺钉。
可选的，所述镁合金棒坯中合金元素包括锌、钙、锰、锶、钇中的一种或几种，且合金元素质量分数之和位于0.5％至1.5％之间，其余为总质量分数不超过0.02％的不可去除杂质。
可选的，所述电磁感应加热线圈的感应加热频率20KHz～40KHz；所述旋锻机的锻造温度为300℃～450℃，单次变形量为15％～40％。
可选的，若所述镁合金空心螺钉的壁厚大于1mm，所述电磁感应加热线圈的感应加热频率为20KHz～30KHz；所述旋锻机的锻造温度为300℃～450℃，且单次变形量为20％～40％。
可选的，若所述镁合金空心螺钉的壁厚不大于1mm时，所述感应加热频率为30KHz～40KHz；所述旋锻机的锻造温度为300℃～400℃，且单次变形量为15％～20％。
可选的，该镁合金棒坯直径不大于20mm，所述镁合金棒材与所述镁合金棒坯的直径比值为0.45～0.8，且所述镁合金棒材直径为3mm～10mm，长度300mm～5000mm。
可选的，所述镁合金棒材的表层细晶区晶粒尺寸为0.5μm至5μm，厚度0.5mm至3mm；所述过渡区晶粒尺寸为2μm至10μm，所述芯部变形区晶粒尺寸为5μm至30μm；所述镁合金棒材的金相组织中无第二相。
可选的，所述镁合金棒材的抗拉强度不小于300MPa，屈服强度不小于250MPa，延伸率大于10％。
本发明所提供的镁合金空心螺钉及其制备方法中，通过电磁感应加热线圈的感应加热频率、变形温度及变形量三者的匹配，使得镁合金棒材充分利用热旋锻过程以产生细晶区。该细晶区为表层硬化层，可以有效提高了镁合金空心螺钉的强度。进一步地，由于结构组织中无明显第二相，有效的降低了第二相对降解不均匀性的影响，减缓降解速率。
附图说明
图1为本发明的空心螺钉的结构示意图。
图2为本发明的旋锻棒材径向组织演变示意图。
图3至图5为本发明的镁合金棒材不同区域晶粒尺寸的表征图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
如图1所示，本发明实施例提供了一种镁合金空心螺钉。镁合金空心螺钉的截面的结构组织为细晶区，晶粒尺寸0.5μm～5μm，且所述结构组织中无第二相；镁合金空心螺钉的内径不小于0.5mm，外径不大于10mm，螺钉壁厚最大值不超过2mm。由于该镁合金空心螺钉的表面形成一层硬化的细晶层，有效提高表层的强度及硬度。
本发明实施例中，优选地，该镁合金空心螺钉采用低合金化镁合金，可以提高空心螺钉的强度。具体地，该镁合金空心螺钉的合金元素包括锌、钙、锰、锶、钇中的一种或几种。其中合金元素质量分数之和大于等于0.5％且不超过1.5％，其余为总质量分数不超过0.02％的不可去除杂质，并且低合金化镁合金空心螺钉的金相结构组织中无明显第二相，有效的降低了第二相对降解不均匀性的影响，减缓降解速率。其中，该镁合金空心螺钉在体内降解速率不超过0.5mm/年。
本发明一实施例还提供了一种制备上述镁合金空心螺钉的方法，具体包括如下步骤：
S01，获取镁合金棒坯。
为了显微组织及力学性能的空心螺钉，该镁合金棒坯采用低合金化镁合金，其中，合金元素包括锌、钙、锰、锶、钇中的一种或几种。由于镁合金材料中合金元素过高，其基体中固溶的合金元素或材料中第二相体积分数增加，导致后续旋锻变形困难，且析出的第二相亦会导致降解加速；而合金元素含量低，旋锻变形过程中因溶质数量不足导致无法形成足够的位错密度和再结晶晶粒数量，变形后晶粒尺寸偏大，材料力学性能低。因此，这里优选合金元素总质量分数大于等于0.5％且不超过1.5％，其余为总质量分数不超过0.02％的不可去除杂质。
其中，这里的镁合金棒坯可通过铸造、挤压、轧制或锻造方式获得。在该步骤中，镁合金棒坯优选采用直径不大于20mm的挤压棒、轧制棒或者锻造棒。
S02，将镁合金棒坯放置于电磁感应加热线圈中，根据设定的温度以及变形量于旋锻机中进行锻造，以形成径向结构组织依次为表层细晶区、中部过渡区及芯部变形区的镁合金棒材。
在该步骤中，电磁感应加热线圈利用物体内部所产生的涡流对镁合金棒坯直接加热。与传统的炉内加热方式相比，电磁感应加热线圈加热速度快、效率高，易于实现自动化生产。重要的是，在感应加热过程中，因涡流密度在工件表面分布不均，表层最大，中心轴线处最小，从表面至轴线连续变化，造成表面和中心温度不均，产生集肤效应。其中，优选地，电磁感应加热线圈的频率可调，且电磁感应加热频率为20KHz～40KHz，线圈直径为镁合金棒坯直径的5～10倍。
旋锻是一种小规格棒材回转成形工艺，利用高频锤头锻打材料表面，在一定温度和变形量的基础上实现金属塑性变形和动态再结晶，使得材料内部位错密度增加、晶粒细化，有利于提高材料的力学性能。但该方法从棒材表面到芯部的变形量逐渐变小，易导致棒材从外到内组织不均匀，棒材内部存在较大的应力。当温度太低时，无法达到镁合金再结晶温度，容易形成大量孪晶或动态再结晶与孪晶混合组织，引起降解加速；而温度太高时，则再结晶晶粒长大导致力学性能下降。同样的，变形量太小，表层细晶区厚度不够；变形量太大则导致表面至心部应力变大，易产生旋锻微裂纹。
因此，为获得组织均匀、由再结晶晶粒组成的表层细晶区，优选地，旋锻机的锻造温度300℃～450℃，单次变形量15％～40％。通过锻造温度与变形量相匹配，可以获得表层细小的再结晶组织，且控制表层晶粒尺寸0.5μm～5μm，表层细晶区厚度0.5mm～3mm，过渡区晶粒尺寸为2μm至10μm，芯部变形区晶粒尺寸为5μm至30μm；且镁合金棒材的金相组织中无第二相。
这里的，旋锻机的锻造温度和单次变形量需要根据螺钉壁的厚度来确定具体的范围。由于镁合金棒材后续车削加工成镁合金空心螺钉的外螺纹过程中，会损失一部分表层细晶层，因此螺钉壁厚最大值，即外螺纹半径与中心孔半径的最大差值应不超过该棒材表层细晶区最大厚度。优选螺钉壁厚最大值不超过2mm。
其中，当螺钉壁厚大于1mm时，棒材制备时感应加热频率20KHz～30KHz，锻造温度为300℃～450℃，单次变形量为20％～40％。当螺钉壁厚不大于1mm时，棒材制备时感应加热频率30KHz～40KHz，锻造温度为300℃～400℃，单次变形量为15％～20％。镁合金棒坯在模具中变形时，可以通过单道次或者多道次旋锻，使镁合金棒坯伸长而形成为镁合金棒材。其中，镁合金棒材直径与镁合金棒坯直径比值为0.45～0.8。
具体地，旋锻机通过多道次将镁合金棒坯旋锻至镁合金棒材。若镁合金空心螺钉的壁厚大于1mm时，每道次的变形量为前一道次变形量的80％～120％；每道次的温度为前一道次温度的100％～120％，从而获得从棒材外表面至芯部的径向再结晶细晶区尺寸1.5～3mm，再结晶晶粒尺寸不大于5μm。若镁合金空心螺钉的壁厚不大于1mm时，旋锻机通过多道次将镁合金棒坯旋锻至镁合金棒材，且每道次的变形量为前一道次变形量的80％～120％；每道次的温度为前一道次温度的100％～120％；获得从棒材外表面至芯部的径向再结晶细晶区尺寸0.5～1.5mm，再结晶晶粒尺寸不大于5μm。
而由于本发明制备的镁合金棒材合金元素含量低，在旋锻成形过程中第二相被充分破碎、固溶，使得微观组织中无明显第二相，可有效的降低了第二相对降解不均匀性的影响，减缓降解速率。
其中，优选地，将上述镁合金棒坯制备成直径3mm至10mm，长度300mm至5000mm的高强度镁合金棒材。
S03，将镁合金棒材加工径向结构组织为细晶区的镁合金空心螺钉。
将成型的镁合金棒材通过车削完成螺钉外形、内孔和外螺纹加工，制备出机械强度高，应用更广泛的镁合金空心螺钉。
本发明实施例中，镁合金空心螺钉内径不小于0.5mm，外径不大于10mm，螺钉壁厚最大值不超过2mm。在手术过程中，镁合金空心螺钉需借助克氏针导引植入预钻孔中固定骨折。镁合金空心螺钉份空心孔直径应不小于0.5mm以利于克氏针穿过空心孔；同时抗拉强度300MPa以上的镁合金尚不足以作为大的承重骨块骨折固定，尤其在加工成空心螺钉的情况下，需限制其外径在10mm以下以确保骨折固定的有效性。
由于成型的镁合金棒材由于表层细晶区、中间过渡区以及芯部变形区，通过外形加工以及内孔加工后，使得镁合金空心螺钉的横截面仅具有细晶区，提高了镁合金空心螺钉的强度。同时由于在旋锻过程中，不存在第二相，因此使得镁合金空心螺钉降解均匀，体内降解速率不超过0.5mm/年。
基于上述可知，本发明实施例所提供的镁合金空心螺钉的制备方法，通过感应加热频率、变形温度及变形量三者的匹配，确保螺钉充分利用热旋锻过程所产生的细晶区，以有效提高了螺钉强度；同时镁合金棒材合金元素含量低，在后续的旋锻成形工艺中第二相被充分破碎、固溶，微观组织中无明显第二相，有效的降低了第二相对降解不均匀性的影响，减缓降解速率。
下面结合附图和一个具体实施例对本发明的具体内容做进一步的详细说明。本实施例中以加工最大外径4.0mm，内径1.3mm空心螺钉为例，具体包括如下：
镁合金棒坯采用直径10mm的Mg-0.5Zn-0.2Ca的棒坯。
使用直径80mm电磁感应加热线圈以及和X30旋锻机，通过送料速度可调的自动送料设备，按一定速率将镁合金棒坯通过电磁感应加热线圈加热并进入旋锻机进行锻造，以将直径10mm的Mg-0.5Zn-0.2Ca的棒坯旋锻成4.5mm镁合金棒材。这里，在制备过程适合连续、自动化生产，有效提高生产效率。
具体地，本实施例中，对直径10mm的Mg-0.5Zn-0.2Ca的棒坯进行4道次热旋锻，得到直径为4.5mm的棒材。每道次感应加热频率、温度及变形量的如表1所示。
旋锻道次 感应加热频率(KHz) 坯料温度(℃) 道次变形量(％)
1 30 320 32.76
2 30 320 33.24
3 30 335 32.61
4 30 335 33.06
表1
如图2所示的镁合金棒材棒材径向的金相组织演变示意图。如图3至图5所示，镁合金棒材的表层细晶区、中间过渡区以及芯部变形区的晶粒尺寸的表征图。图均为镁合金棒材在400x的金相组织结构图，从图中可以看出，其没有明显的第二相。且镁合金棒材径向从外向内的表层再结晶细晶区厚度为1.8mm，平均晶粒尺寸为2.3微米；中部过渡区平均晶粒尺寸4.0微米，芯部变形区平均晶粒尺寸9.1微米。
通过实验可知，制备的Mg-0.5Zn-0.2Ca棒材的抗拉强度强度为325MPa，屈服强度为295MPa，延伸率为12％。较其他低合金化镁合金材料有明显提升，结合降解速率的降低，拓宽了该镁合金棒材的应用领域。
将成型的镁合金棒材经过车削加工出空心螺钉，其壁厚范围0.65～1.35mm，在镁合金棒材的再结晶细晶区厚度范围内，通过实验可获得，螺钉断裂扭转强度0.5N·m，较挤压态同种规格螺钉的断裂扭转强度提高41.3％。
通过动物实验，在新西兰大白兔股骨髁植入该镁合金空心螺钉后，通过显微CT计算其植入三个月后螺钉平均降解速率为0.3mm/年。
本发明根据所设计的镁合金空心螺钉最大壁厚，采用电磁感应加热及旋锻工艺，制备出表层细晶区深度及微观组织符合要求的镁合金棒材，再借助机械加工设备如走心机对镁合金棒材进行钻孔、车削外螺纹，制出符合高强度以及降解缓慢的镁合金空心螺钉产品。
以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种镁合金空心螺钉，其特征在于，所述镁合金空心螺钉的横截面的结构组织为细晶区，晶粒尺寸为0.5μm至5μm；所述镁合金空心螺钉的内径不小于0.5mm，外径不大于10mm，螺钉壁厚最大值不超过2mm。
2.根据权利要求1所述的镁合金空心螺钉，其特征在于，所述镁合金空心螺钉的降解速率不超过0.5mm/年。
3.一种制备权利要求1或2所述的镁合金空心螺钉的方法，其特征在于，包括：
获取镁合金棒坯；
将所述镁合金棒坯放置于电磁感应加热线圈中，根据设定的温度以及变形量于旋锻机中进行锻造，以形成径向结构组织依次为表层细晶区、中部过渡区及芯部变形区的镁合金棒材；
将所述镁合金棒材加工径向结构组织为细晶区的镁合金空心螺钉。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述镁合金棒坯中合金元素包括锌、钙、锰、锶、钇中的一种或几种，且合金元素质量分数之和位于0.5％至1.5％之间，其余为总质量分数不超过0.02％的不可去除杂质。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电磁感应加热线圈的感应加热频率20KHz～40KHz；所述旋锻机的锻造温度为300℃～450℃，单次变形量为15％～40％。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，若所述镁合金空心螺钉的壁厚大于1mm，所述电磁感应加热线圈的感应加热频率为20KHz～30KHz；所述旋锻机的锻造温度为300℃～450℃，且单次变形量为20％～40％。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，若所述镁合金空心螺钉的壁厚不大于1mm时，所述感应加热频率为30KHz～40KHz；所述旋锻机的锻造温度为300℃～400℃，且单次变形量为15％～20％。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，该镁合金棒坯直径不大于20mm，所述镁合金棒材与所述镁合金棒坯的直径比值为0.45～0.8，且所述镁合金棒材直径为3mm～10mm，长度300mm～5000mm。
9.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述镁合金棒30材的表层细晶区晶粒尺寸为0.5μm至5μm，厚度0.5mm至3mm；所述过渡区晶1粒尺寸为2μm至10μm，所述芯部变形区晶粒尺寸为5μm至30μm；所述镁合金棒材的金相组织中无第二相。
10.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述镁合金棒材的抗拉强度不小于300MPa，屈服强度不小于250MPa，延伸率大于10％。
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