镁合金、其生产方法及其用途技术

技术编号:10923469 阅读:125 留言:0更新日期:2015-01-18 23:31
本专利申请涉及镁合金,并且涉及其生产方法以及涉及其用途,该镁合金包含:按重量计1.5%至7.0%的Zn,按重量计0.5%至3.5%的Al,其余是镁,其包含促进电化学电势差和/或促进形成沉淀和/或金属间相的杂质,其总量为不大于按重量计0.0063%的Fe、Si、Mn、Co、Ni、Cu、Zr、Y、Sc或具有21、57至71和89至103序数的稀土、Be、Cd、In、Sn和/或Pb以及P。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】镁合金、其生产方法及其用途本专利申请涉及镁合金,并且涉及其生产方法以及涉及其用途。已知镁合金的特性由合金元素和杂质的类型和量以及生产条件明确地限定。合金元素和杂质对镁合金特性的影响是本领域技术人员长时间来已知的并且阐明了确定二元或三元镁合金的特性其作为植入物材料的用途的复杂性质。最常用于镁的合金元素是铝,由于固溶体和沉淀硬化以及细晶粒形成导致增加的拉伸强度,但是也导致了微孔性。此外,在熔体中铝将铁沉淀界限朝向显著更低的铁含量移动,在该铁含量处铁颗粒沉淀或与其他元素一起形成金属间颗粒。镁合金中不希望的伴生元素包括铁、镍、钴和铜,这些元素由于其正电的性质引起了腐蚀倾向的显著增加。在所有镁铸造合金中可以发现锰并且以AlMnFe沉淀的形式结合铁,由此降低了局部元素的形成。另一方面,锰不能结合所有的铁,并且因此剩余的铁和剩余的锰总是留在熔体中。硅降低了可铸造性和粘度,并且随着Si含量升高,预期了一种恶化的腐蚀行为。铁、锰和硅具有非常高的形成金属间相的倾向。这种相的电化学电势非常高并且因此可以作为控制合金基质的腐蚀的阴极。作为固溶体硬化的结果,锌改进机械性能并且导致晶粒细化,然而它还导致在二元Mg-Zn和三元Mg-Al-Zn合金中以按重量计1.5至2%的含量开始的具有倾向于热裂化的微孔性。由锆形成的合金添加物提高拉伸强度而没有降低膨胀并且导致晶粒细化,但是还导致对动态重结晶的严重损害,这在重结晶温度的提高中得到证明并且因此要求高能量消耗。此外,锆不能添加到含铝和硅的熔体中,因为损失晶粒细化作用。稀土例如Lu、Er、Ho、Th、Sc和In均表现出类似的化学行为并且形成在二元相图的富含镁侧上具有部分溶解度的低共熔系统,以便沉淀硬化是有可能的。已知的是另外的合金元素连同杂质的添加引起二元镁合金中形成不同的金属间相。例如,在晶界上形成的金属间相Mg17Al12是脆性的并且限制了延展性。与镁基质相比,该金属间相更惰性并且能够形成局部电池(localelement),由此腐蚀行为恶化。除了这些影响因素之外,镁合金的特性还决定性地取决于冶金生产条件。当通过合金化加入合金元素时,常规的浇铸方法自动引入杂质。因此现有技术(US5,055,254A)对镁浇铸合金中的杂质限定容许限度,例如,该限度对于包含约按重量计8%至9.5%的Al和按重量计0.45%至0.9%的Zn的镁-铝-锌合金,提及容许限度是按重量计0.0015%至0.0024%的Fe、按重量计0.0010%的Ni、按重量计0.0010%至0.0024%的Cu以及按重量计不小于0.15%至0.5%的Mn。在许多已知文献中提及镁及其合金中杂质的容许限度以及生产条件并且如下以按重量计%列出:合金生产状态FeFe/MnNiCu纯Mg没有信息0.0170.0050.01AZ91压铸F0.0320.0050.040高压压铸0.0320.0050.040低压压铸0.0320.0010.040T40.0350.0010.010T60.0460.0010.040重力压铸F0.0320.0010.040AM60压铸F0.0210.0030.010AM50压铸F0.0150.0030.010AS41压铸F0.0100.0040.020AE42压铸F0.0200.0200.100已经发现了这些容许限(tolerancedefinition)不足以可靠地排除促进腐蚀的金属间相的形成,这就电化学而言比镁基质具有更惰性的电势。可生物降解的植入物(整形外科、创伤学、心血管植入物)在其生理学必须的支持周期期间要求承载功能以及因此强度连同足够的膨胀性。然而,尤其是在此方面,已知的镁材料不能达到甚至接近通过永久性植入物——例如钛、CoCr合金和钛合金——所实现的特性。永久性植入物的限拉伸强度Rm为大约500MPa至>1000MPa,而镁材料的极限拉伸强度迄今为止为<275MPa,并且大多数情况下<250MPa。许多工业镁材料的另一个缺点是其极限拉伸强度Rm与屈服点Rp之间的差异仅仅是小的。在允许塑性形变的植入物的情况下,例如心血管支架,这意味着在材料的初始变形之后对于变形不存在进一步的阻力,并且已经变形的区域在没有任何负载增加的情况下进一步变形,由此可以引起部件的部分的过度拉伸并且可能发生断裂。许多镁材料,比如包含按重量计3%至10%的Al以及小于按重量计1%的Zn和Mn(AZ族)的合金例如另外地表现出明显显著的机械不对称性,这在机械特性差异中证明,尤其是以拉伸负荷和压缩负荷的屈服点Rp。例如在用于生产适当的半成品的成形过程——例如挤压、辊压和牵引——期间,产生该不对称性。在拉伸期间的屈服点Rp与在压缩期间的屈服点Rp之间的太大的差异可能导致部件的不均匀变形——比如心血管支架,该部件随后经历多轴变形,并且可能引起开裂和断裂。由于晶面滑移系统的低数值,镁合金一般而言还可在成形过程期间形成纹理,例如在成形过程期间通过将晶粒定向用于生产适当的半成品的挤压、辊压和牵引。具体地,这意味着半成品在空间中在不同的方向上具有不同的特性。例如,在成形之后在空间中的一个方向上出现高可变形性或断裂伸长(elongationatfracture),并且在空间中的另一个方向上出现降低的可变形性或断裂伸长。该纹理的形成同样应该避免,因为支架经历高塑性形变,并且降低的断裂伸长增加了植入物故障的风险。用于在成形期间基本上避免该纹理的一种方法是在成形之前尽可能细的调节晶粒。因为镁材料的六方晶格结构,这些材料在室温下变形的能力低,特征在于基准平面内的滑移。如果材料另外地具有粗糙的微结构,也就是说粗糙的晶粒,则在进一步变形时被迫产生所谓的孪晶,此时出现剪切应变,这将晶区转变为与起始位置镜面对称的位置。产生的孪晶晶界构成了材料中的薄弱点,在此开始早期开裂,尤其是具有塑性形变,最终导致了部件破坏。如果植入物材料的晶粒足够细,则该植入物故障的风险显著降低。因此植入物材料应具有尽可能细的晶粒以防止该不期望的剪切应变。所有对于植入物可用的工业镁材料在生理学介质中经受高腐蚀。在现有技术中已经进行了尝试来通过提供具有抑制腐蚀涂层的植入物来限制腐蚀倾向,例如,该涂层由聚合物材料(EP2085100A2,EP2384725A1)、水或醇转化溶液(alcoholicconversionsolution)(DE102006060501A1)或氧化物(DE102010027532A1,EP0295397A1)制成。聚合物钝化层的使用是高度有争议的,因为几乎所有的适当的聚合物也有时在组织中引起强烈的炎症。没有该保护措施的薄结构不能达到要求的支持周期。薄壁创伤植入物上的腐蚀往往伴随拉伸强度的过快损失,其通过每单位时间形成过多量的氢造成额外的负担。结果是在骨和组织中的不希望的气体内含物。在具有更大横截面的创伤植入物情况下,存在能够通过其结构来有意地控制氢问题和植入物的腐蚀速度的需要。具体地,利用可生物降解的植入物,期望元素的最大生物相容性,因为包含的所有化学元素在分解后都被身体吸收。在任何情况下应该避免高毒性元素,比如Be、Cd、Pb、Cr等等。可降解的镁合金尤其适合于实施已经在现代医学技术中以广泛种类的形式采用的植入物。例如,使用植入物来支持本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有改进的机械和电化学特性的镁合金,包含:按重量计1.5%至7.0%的Zn,按重量计0.5%至3.5%的Al,其余部分是包含杂质的镁,所述杂质促进电化学电势差和/或促进形成沉淀和/或金属间相,总量为不大于按重量计0.0063%的Fe、Si、Mn、Co、Ni、Cu、Zr、Y、Sc或具有序数21、57至71和89至103的稀土、Be、Cd、In、Sn和/或Pb以及P,其中所述合金Zn含量以按重量%计大于或等于以按重量%计的所述合金Al含量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.26 US 61/664,2291.一种具有改进的机械和电化学特性的镁合金,包含:按重量计1.5%至7.0%的Zn,按重量计0.5%至3.5%的Al,其余部分是包含杂质的镁,所述杂质促进电化学电势差和/或促进形成沉淀和/或金属间相,总量为不大于按重量计0.0063%的Fe、Si、Mn、Co、Ni、Cu、Zr、Y、Sc或具有序数21、57至71和89至103的稀土、Be、Cd、In、Sn和/或Pb以及P,其中所述合金Zn含量以按重量%计大于或等于以按重量%计的所述合金Al含量。2.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于所述Zn含量是按重量计1.5%至5.5%,以及所述Al含量是按重量计至少0.5%至2.0%,其中所述合金的微结构是由Zn和Al形成的混合晶体,Zn和Al完全以溶液形式存在而没有沉淀。3.根据权利要求2所述的镁合金,其特征在于所述Zn含量是按重量计3.5%至5.5%。4.根据权利要求2所述的镁合金,其特征在于所述Al含量是按重量计1.0%至2.0%。5.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于所述Zn含量是按重量计3.0%至7.0%,以及所述Al含量是按重量计0.5%至3.5%,其中所述合金的基质仅包含以Mg3Zn3Al2和MgZn形式的沉淀。6.根据权利要求5所述的镁合金,其特征在于所述Zn含量是按重量计4.0%至6.0%。7.根据权利要求5所述的镁合金,其特征在于所述Al含量是按重量计1.5%至2.5%。8.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于在杂质总和中单一杂质占以下重量%:Fe<0.0005;Si<0.0005;Mn<0.0005;Co<0.0005;Ni<0.0005;Cu<0.0005;Zr<0.0003;Y<0.0003;Sc或具有序数21、57至71和89至103的稀土总计<0.001;Be、Cd、In、Sn和/或Pb每一个<0.0003;并且P<0.0002。9.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于当将所述杂质元素Fe、Si、Mn、Co、Ni和Cu结合时,这些杂质总数以重量%不大于0.0030。10.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于当将所述杂质元素Fe、Si、Mn、Co、Ni和Cu结合时,这些杂质总数以重量%不大于0.0021。11.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于当将所述杂质元素Fe、Si、Mn、Co、Ni和Cu结合时,这些杂质总数以重量%不大于0.0009。12.根据权利要求2所述的镁合金,其特征在于所述合金具有细晶粒微结构,其具有<7.5μm的晶粒尺寸,在单一基质相之间没有相当大的电化学电势差。13.根据权利要求12所述的镁合金,其特征在于所述晶粒尺寸为<5μm。14.根据权利要求12所述的镁合金,其特征在于所述晶粒尺寸为<2.5μm。15.根据权利要求5所述的镁合金,其特征在于所述合金基质仅包含这种沉淀,所述沉淀与所述基质相比不具有电势差或具有尽可能小的电势差,或其比所述基质较不惰性。16.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于所述沉淀具有尺寸是1μm,并且分散地分布在晶界处或晶粒内部中。17.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于所述沉淀的尺寸是<0.2μm。18.根据权利要求1所述的镁合金,其特征在于其具有拉伸强度≥275MPa,屈服点≥200MPa,以及屈服比<0.8,其中拉伸强度与屈服点之间的差是≥50MPa,以及机械不对称性<1.25。19.根据权利要求18所述的镁合金,其特征在于所述拉伸强度为≥300MPa。20.根据权利要求18所述的镁合金,其特征在于所述屈服点为≥225MPa。21.根据权利要求18所述的镁合金,其特征在于所述屈服比为<0.75。22.根据权利要求18所述的镁合金,其特征在于所述拉伸强度与屈服点之间的差是≥100MPa。23.一种具有改进的机械和电化学特性的镁合金的生产方法,包括以下步骤:a)通过真空蒸馏生成高纯度镁;b)通过根据步骤a)的镁与高纯度Zn和Al的合成生成所述合金的坯料,以组成按重量计1.5%至7.0%的Zn,按重量计0.5%至3.5%的Al,其余是包含杂质的镁,所述杂质促进电化学电势差和/或促进形成沉淀和/或金属间相,...

【专利技术属性】
技术研发人员:H·米勒P·乌戈维泽尔J·洛夫勒
申请(专利权)人:百多力股份公司
类型:发明
国别省市:瑞士;CH

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