具有高强韧性并可控降解的镁合金及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种具有高强韧性并可控降解的镁合金及其制备方法与应用。该镁合金以质量百分比计包括：Zn：2％～3.5％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.2％～0.35％，余量为镁和不可避免的杂质。本发明专利技术通过在镁合金中同时添加锆、锌和钙元素，有效的改善了合金的挤压成形性能和组织均匀性，从而提升了镁合金的力学强韧性和耐腐蚀性能。本发明专利技术通过对铸锭进行组织均匀化和适当的多孔热挤压处理，再对其进行多道次室温冷拉拔和高密度脉冲电流处理，使合金的强度和塑韧性能够同步提升，并显著降低产品的降解速度。本发明专利技术为开发高性能耐腐蚀的生物医用镁合金提供了高效节能的制备技术，使镁合金在骨科及医用植入材料领域具有广泛前景。科及医用植入材料领域具有广泛前景。

【技术实现步骤摘要】
具有高强韧性并可控降解的镁合金及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于生物医用镁合金植入材料
，尤其涉及一种具有高强韧性并均匀可控降解的Mg
‑
Zn
‑
Zr
‑
Ca生物医用镁合金材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]目前临床上使用的医用植入金属材料主要是传统的不锈钢、钴基合金和钛合金等，此类材料具有优良的力学性能和耐腐蚀性能。但是，此类材料的弹性模量与天然骨的弹性模量相差较大，在使用过程中可能会引起应力遮挡效应，不利于骨的愈合。更重要的是，这些金属材料多为惰性植入材料，病人骨折愈合后，还需经过二次手术取出，增加了患者的痛苦和经济负担。
[0003]镁合金具有低密度、低弹性模量、可生物降解、高比强度、生物相容性好等优点，其作为一种可降解植入器械的候选材料，在骨科、心血管等医学领域展现出极大的应用前景。近年来，关于可降解镁合金在医学领域的研究越来越多，也受到广泛的关注。相对于传统的不锈钢、钴基合金和钛合金骨科植入器械，镁合金植入器械，不但可以在受损骨组织完成修复后降解吸收掉，不需要二次手术取出，能够显著减少患者痛苦和治疗成本；而且，镁合金的密度和弹性模量与人体骨组织更接近，可显著降低应力遮挡效应，有利于骨组织的愈合。但是，由于镁及其合金在体内的降解速度过快、力学强韧性不佳等问题，严重制约了镁合金在骨科及其他医学领域的推广应用。因此，改善医用镁合金的耐腐蚀性能和力学强韧性是生物医用镁合金材料亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有生物医用镁合金存在强韧性不足及降解速率不可控等的问题，本专利技术提供一种具有高强韧性并可控降解的镁合金及其制备方法与应用，该镁合金抗拉强度达320～350MPa，屈服强度可达240～263MPa，断裂延伸率达23～30％；腐蚀速率低至0.15～0.23mg/cm2/day，并且具有良好的生物相容性和可控降解性能。
[0005]具体而言，本专利技术设计开发了一种高强韧并可控降解的生物医用镁合金，通过在镁合金中同时添加锆、锌和钙元素，有效的改善了合金的挤压成形性能和组织均匀性，从而提升了镁合金的力学强韧性和耐腐蚀性能。
[0006]本专利技术还提出了一种高强韧并可控降解的生物医用镁合金的制备方法，通过对铸锭进行组织均匀化和适当的多孔热挤压处理，再对其进行多道次室温冷拉拔和高密度脉冲电流处理，使合金的强度和塑韧性能够同步提升，并显著降低产品的降解速度。
[0007]本专利技术首次尝试了在对适量添加Zr、Zn和Ca的镁合金进行热冷大塑性变形的同时结合瞬时高密度脉冲电流处理，并通过组分和工艺参数的调整，实现了产品综合力学性能的大幅度提升以及均匀可控降解。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种具有高强韧性并可控降解的Mg
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Zn
‑
Zr
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Ca镁合金，该镁合金以
质量百分比计包括：Zn：2％～3.5％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.2％～0.35％，其余量为Mg和杂质。
[0010]可选地，所述杂质以质量百分比计包括：Al≤0.02％、Cu≤0.01％、Ni≤0.02％。
[0011]可选地，所述镁合金的抗拉强度可达320～350MPa，屈服强度可达240～263MPa，延伸率达23～30％；在SBF模拟体液中，平均腐蚀速率低至0.15～0.23mg/cm2/day。
[0012]本专利技术还提供一种具有高强韧性并可控降解的Mg
‑
Zn
‑
Zr
‑
Ca镁合金的制备方法，包括如下步骤：
[0013]S1：将原材料高纯镁锭、高纯锌锭、Mg
‑
Zr中间合金和Mg
‑
Ca中间合金的表面去氧化并进行洁净清理；
[0014]S2：先将坩埚放入电阻炉中预热后向炉中通入惰性保护气体，将镁锭、锌锭放入坩埚，升高炉温使镁锭、锌锭完全熔化，进行打渣处理；然后将Mg
‑
Zr中间合金和Mg
‑
Ca中间合金加入坩埚中；待合金料熔化后搅拌，静置打渣后将熔体浇入铜模中，凝固后脱模得到镁合金铸锭；
[0015]S3：将所述镁合金铸锭进行切割并均匀化处理，并通过分级热挤压成棒材；
[0016]S4：通过室温冷拉拔和多级回火工艺，将所述棒材加工成预定尺寸的线材；
[0017]S5：将所述线材通过高能脉冲电流处理，使其在极短时间内发生静态再结晶，即得所述具有高强韧性并可控降解的镁合金。
[0018]优选地，所述Mg
‑
Zr中间合金包括Mg
‑
20％Zr中间合金；所述Mg
‑
Ca中间合金包括Mg
‑
30％Ca中间合金。
[0019]优选地，所述步骤S2包括：在惰性气体保护条件下，在700～720℃熔炼镁锭、锌锭，保温30～60min，然后升温至750
‑
760℃加入Mg
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Zr中间合金和Mg
‑
Ca中间合金，待其熔化后搅拌8～15min，并精炼25～30min，精炼后升温至760～790℃静置40～50min，在710
‑
720℃浇注成所述镁合金铸锭。
[0020]优选地，所述步骤S3中，所述均匀化处理的条件包括：在电阻加热炉中温度升高到350℃，保温2h，随后将温度升高至420℃保温24h，随后在30～50℃水中淬火冷却。
[0021]优选地，所述步骤S3中，所述热挤压的条件包括：挤压温度为350～380℃，挤压比为14:1，挤压速度为0.2～1mm/s。
[0022]优选地，所述步骤S4中，所述室温拉拔和多级回火的条件包括：每道次回火温度为100～200℃，回火时间为30～60min。
[0023]优选地，所述步骤S5中，所述高能脉冲电流的电流参数条件包括：峰值电流密度为1.0
×
10
10
～1.3
×
10
10
A/m2，脉冲宽度：20～60μs，脉冲频率：100～150Hz，脉冲处理时间为：30s～600s，占空比：0.002～0.006。
[0024]本专利技术还提供所述具有高强韧性并可控降解的Mg
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Zn
‑
Zr
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Ca镁合金在生物医用金属缝合线和生物医用植入器械中的应用。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有有益效果：
[0026]例如，本专利技术在对适量添加Zr、Zn和Ca的镁合金进行热冷大塑性变形的同时结合瞬时高密度脉冲电流处理，并通过组分和工艺参数的调整，实现了镁合金综合力学性能的大幅度提升以及均匀可控降解即均匀可控腐蚀。
[0027]又例如，本专利技术采用高密度电流窄脉宽结合室温冷拉拔技术制备得到的镁合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高强韧性并可控降解的镁合金，其特征在于，以质量百分比计包括：Zn：2％～3.5％、Ca：0.5％～1.0％、Zr：0.2％～0.35％，其余量为Mg和杂质。2.如权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述杂质以质量百分比计包括：Al≤0.02％、Cu≤0.01％、Ni≤0.02％。3.如权利要求1所述的镁合金，其特征在于，所述镁合金的抗拉强度达320～350MPa，屈服强度可达240～263MPa，延伸率达23～30％；在SBF模拟体液中，腐蚀速率低至0.15～0.23mg/cm2/day。4.一种如权利要求1至3中任一项所述的具有高强韧性并可控降解的镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将原材料高纯镁锭、高纯锌锭、Mg
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Zr中间合金和Mg
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Ca中间合金的表面去氧化并进行洁净清理；S2：先将坩埚放入电阻炉中预热后向炉中通入惰性保护气体，将镁锭、锌锭放入坩埚，升高炉温使镁锭、锌锭完全熔化，进行打渣处理；然后将Mg
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Zr中间合金和Mg
‑
Ca中间合金加入坩埚中；待合金料熔化后搅拌，静置打渣后将熔体浇入铜模中，凝固后脱模得到镁合金铸锭；S3：将所述镁合金铸锭进行切割并均匀化处理，并通过分级热挤压成棒材；S4：通过室温冷拉拔和多级回火工艺，将所述棒材加工成预定尺寸的线材；S5：将所述线材通过高能脉冲电流处理，使其在极短时间内发生静态再结晶，即得所述具有高强韧性并可控降解的镁合金。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：在惰性气体保护条件下，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：单召辉，张益霞，刘宇林，杨大鹏，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：