一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金及其製備方法

2023-07-13 07:07:46

一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，按質量計由以下組分組成：Zn：0.01～8%；Sr：0.01～2%；Ca：0.01～2%；其餘為Mg。本發明還公開了另一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，按質量計由以下組分組成：Zn：0.01～8%；Sr：0.01～2%；Ca：0.01～2%；Mn：≤1%；其餘為Mg。本發明還公開了一種製備所述鎂合金的方法：首先按照合金成分準備原材料，然後將所選原材料熔煉並澆鑄，接著均勻化處理澆鑄所得鑄錠，最後擠壓加工均勻化處理後的鑄錠即得變形鎂合金成品。本發明的鎂合金降解速度和力學性能可調，生物相容性好，對人體無毒害作用，可作生物材料使用。
【專利說明】—種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於合金領域,涉及一種鎂基合金,特別涉及一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金及其製備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，鎂合金作為骨科植入材料受到廣泛關注。鎂合金作為骨科植入材料具有密度和彈性模量與人骨相近、比強度和比剛度高、可生物降解等優點。然而，目前研究較多的醫用鎂合金通常源於工業鎂合金(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對人體健康有害，而稀土對人體健康的影響也存在爭議。因此，有必要開發一種新型無毒可降解鎂合金。

【發明內容】

[0003]有鑑於此，本發明的目的在於提供一種無毒可生物降解的鎂合金，本發明還提供一種製備所述鎂合金的方法。
[0004]為達到上述目的，本發明提供一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，按質量計由以下組分組成:Zn:0.01 ~8% ；Sr:0.01 ~2% ；Ca:0.01 ~2% ;其餘為 Mg。
[0005]進一步，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn: 1-3% ；Sr:0.2-1% ；Ca:
0.2-0.5% ;其餘為 Mg。
[0006]進一步，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn:1% ；Sr:0.5% ；Ca:0.5% ;其餘為Mg。
[0007]本發明還提供另一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，按質量計由以下組分組成:Zn:
0.01 ~8% ；Sr:0.01 ~2% ；Ca:0.01 ~2% ；Mn..( 1% ;其餘為 Mg。
[0008]進一步，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn:1% ；Sr:0.2% ；Ca:0.2% ；Mn:1% ;其餘為Mg。
[0009]本發明製備所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，包括以下步驟:
[0010]I)原料準備:選取純鎂、純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金；
[0011]2)熔煉:將所選原材料加熱到720-760°C並保溫熔煉得鎂合金熔體；
[0012]3)澆鑄:將鎂合金熔體澆鑄到250_350°C預熱後的模具中，冷卻得鎂合金鑄錠；
[0013]4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠加熱到300_420°C保溫10_24小時後水冷淬火；
[0014]5)擠壓加工:300-38(TC預熱擠壓加工步驟4)的鎂合金鑄錠，然後在預熱溫度下擠壓，擠壓時擠壓速度為0.5~3.0m/min，擠壓比為10-80:1。
[0015]本發明還提供另一種製備所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，包括以下步驟:
[0016]I)原料準備:選取純鎂、純鋅、純鍶、鎂鈣中間合金和鎂錳中間合金；
[0017]2)熔煉:將所選原材料加熱到720-760°C並保溫熔煉得鎂合金熔體；
[0018]3)澆鑄:將鎂合金熔體澆鑄到250_350°C預熱後的模具中，冷卻得鎂合金鑄錠；
[0019]4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠加熱到300_420°C保溫10_24小時後水冷淬火；[0020]5)擠壓加工:300-380°C預熱擠壓加工步驟4)的鎂合金鑄錠，然後在預熱溫度下擠壓，擠壓時擠壓速度為0.5~3.0m/min，擠壓比為10-80:1。
[0021]進一步，熔煉和澆鑄步驟在SF6和CO2混合氣體保護下進行。
[0022]本發明的有益效果在於:
[0023]1.本發明Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金可被人體降解吸收，合金中的鋅、鈣、鍶和錳均為人體必需元素,該系鎂合金生物相容性好。
[0024]2.本發明Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金具有優異的綜合性能，鋅、鍶和錳可以改善鎂合金的耐腐蝕性，鍶還可促進骨的生長，抑制骨的吸收，加速骨的癒合。
[0025]3.本發明通過合理的設計合金成分及擠壓加工工藝，所製得的Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的降解速度和力學性能可調，可作骨板、骨釘等骨科外固定材料及骨缺損修復材料使用。
[0026]4.本發明Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金不含稀土元素和貴金屬元素如鋯等，成本低。
[0027]5.本發明Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金變形處理後的綜合力學性能優異，還可作為工業結構材料使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0029]圖1為實施例1-4所製備鎂合金的應力應變曲線。
【具體實施方式】
[0030]下面將對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0031]實施例1:
[0032]本實施例製備Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，包括以下步驟:
[0033]I)原料準備:選取純鎂、純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金；其中鎂鈣中間合金中鈣的質量百分比為30%，適當調節各原材料含量，使合金成分滿足:Zn:1% ；Sr:0.5%，Ca:0.5%，其餘為續。
[0034]2)熔煉:在SF6和CO2氣體的保護下，將純鎂錠加熱到740°C熔化；接著將150°C預熱後的純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金加入鎂熔體中進行熔煉；最後將合金熔體在740°C保溫30分鐘，充分攪拌3分鐘後，靜置5分鐘，並打掉表面浮渣。
[0035]3)澆鑄:在SF6和CO2混合氣體保護下，將鎂合金熔體澆鑄到350°C預熱後的鐵質模具中，冷卻得鎂合金鑄錠；
[0036]4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠用石墨粉覆蓋後加熱到420°C進行均勻化處理，保溫24小時後在冷水中淬火，得到均勻化處理的鎂錠。
[0037]5)擠壓加工:首先車皮去除均勻化處理後所得鎂合金鑄錠的表皮，然後將車皮後的鑄錠在350°C預熱2小時，最後在350°C擠壓鑄錠即得變形鎂合金，本實施例中擠壓加工時擠壓速度為0.9~1.2m/min，擠壓比為25:1。經測量，本實施例所製得的變形鎂合金性能如圖1所示(Mg-lZn-0.5Sr-0.5Ca對應的曲線)，其綜合力學性能優異，抗拉強度為306MPa，屈服強度為268MPa，延伸率為15% 。[0038]實施例2:
[0039]本實施例製備Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，包括以下步驟:
[0040]I)原料準備:選取純鎂、純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金；其中鎂鈣中間合金中鈣的質量百分比為30%，適當調節各原材料含量，使合金成分滿足:Zn:1% ；Sr:1%，Ca:0.5%，其餘為鎂。
[0041]2)熔煉:在SF6和CO2氣體的保護下，將純鎂錠加熱到740°C熔化；接著將150°C預熱後的純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金加入鎂熔體中進行熔煉；最後將合金熔體在740°C保溫30分鐘，充分攪拌3分鐘後，靜置5分鐘，並打掉表面浮渣。
[0042]3)澆鑄:在SF6和CO2混合氣體保護下，將鎂合金熔體澆鑄到350°C預熱後的鐵質模具中，冷卻得鎂合金鑄錠；
[0043]4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠用石墨粉覆蓋後加熱到420°C進行均勻化處理，保溫24小時後在冷水中淬火，得到均勻化處理的鎂錠。
[0044]5)擠壓加工 :首先車皮去除均勻化處理後所得鎂合金鑄錠的表皮，然後將車皮後的鑄錠在350°C預熱1.5小時，最後在350°C擠壓鑄錠即得變形鎂合金，本實施例中擠壓加工時擠壓速度為0.9~1.2m/min，擠壓比為25:1。經測量，本實施例所製得的變形鎂合金性能如圖1所示(Mg-lZn-lSr-0.5Ca對應的曲線)，其綜合力學性能優異，抗拉強度為290MPa，屈服強度為267MPa，延伸率為11%。
[0045]實施例3:
[0046]本實施例製備Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，包括以下步驟:
[0047]I)原料準備:選取純鎂、純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金；其中鎂鈣中間合金中鈣的質量百分比為30%，適當調節各原材料含量，使最終合金成分滿足:Zn:3% ；Sr:0.5%，Ca:
0.2%，其餘為鎂。
[0048]2)熔煉:在SF6和CO2氣體的保護下，將純鎂錠加熱到740°C熔化；接著將150°C預熱後的純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金加入鎂熔體中進行熔煉；最後將合金熔體在740°C保溫30分鐘，充分攪拌3分鐘後，靜置5分鐘，並打掉表面浮渣。
[0049]3)澆鑄:在SF6和CO2混合氣體保護下，將鎂合金熔體澆鑄到350°C預熱後的鐵質模具中，冷卻得鎂合金鑄錠；
[0050]4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠用石墨粉覆蓋後加熱到420°C進行均勻化處理，保溫24小時後在冷水中淬火，得到均勻化處理的鎂錠。
[0051]5)擠壓加工:首先車皮去除均勻化處理後所得鎂合金鑄錠的表皮，然後將車皮後的鑄錠在350°C預熱I小時，最後在350°C擠壓鑄錠即得變形鎂合金，本實施例中擠壓加工時擠壓速度為0.9~1.2m/min，擠壓比為25:1。經測量，本實施例所製得的變形鎂合金性能如圖1所示(Mg-3Zn-0.5Sr-0.2Ca對應的曲線)，其綜合力學性能優異，抗拉強度為295MPa，屈服強度為253MPa，延伸率為17%。
[0052]實施例4:
[0053]本實施例製備Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，包括以下步驟:
[0054]I)原料準備:選取原料採用純鎂、純鋅、純鍶、鎂鈣中間合金和鎂錳中間合金；其中鎂鈣中間合金中鈣的質量百分比為30%，鎂錳中間合金中錳的質量百分比為5%，適當調節各原材料含量，使合金成分滿足:Zn:1% ；Sr:0.2% ；Ca:0.2% ；Mn:1% ;其餘為鎂。[0055]2)熔煉:在SF6和CO2氣體的保護下，將純鎂錠加熱到740°C熔化；接著將150°C預熱後的純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金加入鎂熔體中進行熔煉；最後將合金熔體在740°C保溫30分鐘，充分攪拌3分鐘後，靜置5分鐘，並打掉表面浮渣。
[0056]3)澆鑄:在SF6和CO2混合氣體保護下，將鎂合金熔體澆鑄到350°C預熱後的鐵質模具中，冷卻得鎂合金鑄錠；
[0057]4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠用石墨粉覆蓋後加熱到420°C進行均勻化處理，保溫24小時後在冷水中淬火，得到均勻化處理的鎂錠。
[0058]5)擠壓加工:首先車皮去除均勻化處理後所得鎂合金鑄錠的表皮，然後將車皮後的鑄錠在350°C預熱2小時，最後在350°C擠壓鑄錠即得變形鎂合金，本實施例中擠壓加工時擠壓速度為0.9~1.2m/min，擠壓比為25:1。經測量，本實施例所製得的變形鎂合金性能如圖1所示(Mg-lZn-0.2Ca-0.2Sr_lMn對應的曲線)，其綜合力學性能優異，抗拉強度為267MPa，屈服強度為184MPa，延伸率為22%。
[0059]需要進一步說明的是:首先，以上各實施例所述SF6和CO2混合氣體中六氟化硫體積百分比為0.5%~1.5% ;所述純鎂是指純度高於99.95%鎂，純鋅是指純度高於99.99%的鋅，純鍶是指純度高於99.5%的鍶，所述鈣鎂中間合金中鈣的質量百分比還可以是25-35%之間的任意值，所述鎂錳中間合金中錳的質量百分比還可以是4-6%之間的任意值。其次，本發明合金的成份也不限於上述實施例所公開的值，事實上，只要合金成分滿足:Zn:
.0.01 ~8% ；Sr:0.01 ~2% ；Ca:0.01 ~2% ;其餘為 Mg ;或者 Zn:0.01 ~8% ；Sr:0.01 ~2% ；Ca:0.01~2% ；Mn 1% ;其餘為Mg時均可以解決本發明的技術問題；當然，本發明的鎂合金也可以含有常規量不 可避免的雜質。最後，本發明鎂合金的製備方法中熔煉溫度為720-7600C，澆鑄時模具預熱溫度為250-350°C，均勻化處理時加熱溫度為300-420°C，保溫時間為10-24小時，擠壓速度為0.5~3.0m/min，擠壓比為10-80:1時均能實現本發明目的。
[0060]最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍，均在本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，其特徵在於，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn:0.01 ~8% ；Sr:0.01 ~2% ；Ca:0.01 ~2% ;其餘為 Mg。
2.根據權利要求1所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，其特徵在於，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn:1-3% ；Sr:0.2-1% ；Ca:0.2-0.5% ;其餘為 Mg。
3.根據權利要求1所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，其特徵在於，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn:1% ；Sr:0.5% ；Ca:0.5% ;其餘為 Mg。
4.根據權利要求1所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，其特徵在於，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn:0.01 ~8% ；Sr:0.01 ~2% ；Ca:0.01 ~2% ；Mn..( 1% ;其餘為 Mg。
5.根據權利要求4所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金，其特徵在於，所述鎂合金按質量計由以下組分組成:Zn:1% ；Sr:0.2% ；Ca:0.2% ；Mn:1% ;其餘為 Mg。
6.一種製備如權利要求1所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)原料準備:選取純鎂、純鋅、純鍶和鎂鈣中間合金； 2)熔煉:將所選原材料加熱到720-760°C並保溫熔煉得鎂合金熔體； 3)澆鑄:將鎂合金熔體澆鑄到250-350°C預熱後的模具中，冷卻得鎂合金鑄錠； 4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠加熱到300-420°C，保溫10-24小時後水冷淬火； 5)擠壓加工:300-380°C預熱步驟4)的鎂合金鑄錠，然後在預熱溫度下擠壓，擠壓時擠壓速度為0.5~3.0m/min，擠壓比為10-80:1。
7.一種製備如權利要求4所述Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)原料準備:選取純鎂、純鋅、純鍶、鎂鈣中間合金和鎂錳中間合金； 2)熔煉:將所選原材料加熱到720-760°C並保溫熔煉得鎂合金熔體； 3)澆鑄:將鎂合金熔體澆鑄到250-350°C預熱後的模具中，冷卻得鎂合金鑄錠； 4)均勻化處理:將鎂合金鑄錠加熱到300-420°C保溫10-24小時後水冷淬火； 5)擠壓加工:300-380°C預熱步驟4)的鎂合金鑄錠，然後在預熱溫度下擠壓，擠壓時擠壓速度為0.5~3.0m/min，擠壓比為10-80:1。
8.根據權利要求6或7所述製備Mg-Zn-Sr-Ca系鎂合金的方法，其特徵在於:熔煉和澆鑄步驟在SF6和CO2混合氣體保護下進行。
【文檔編號】C22C1/02GK103725942SQ201310751736
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】潘復生, 趙朝勇, 湯愛濤, 佘加, 宋鍇, 潘虎成 申請人:重慶大學