本发明专利技术属于镁合金材料技术领域，具体涉及一种生物医用Mg‑Sn‑Zn‑Ca镁合金及其制备方法，所述镁合金包括以下重量百分比组分：Sn 0.5‑1.5％、Zn 0.3‑0.7％、Ca 0.1‑0.3％，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。其工艺为先对各成分进行混合熔炼，随后进行固溶热处理，最后进行塑性变形。本发明专利技术镁合金选择多种人体必需的微量元素，采用多元微合金化，材料无毒性、具有良好耐蚀性和高强韧性，可人体降解。
A biomedical Mg-Sn-Zn-Ca magnesium alloy and its preparation method
The invention belongs to the technical field of magnesium alloy materials, in particular relates to a biomedical Mg_Sn_Zn_Ca magnesium alloy and a preparation method thereof. The magnesium alloy comprises the following weight percentage components: Sn 0.5_1.5%, Zn 0.3_0.7%, Ca 0.1_0.3%, the total amount of impurity elements Si, Fe, Cu and Ni is less than 0.02%, and the remainder is Mg. The process consists of mixing melting of each component, solid solution heat treatment and plastic deformation. The magnesium alloy of the invention selects a variety of trace elements necessary for human body, adopts multi-element microalloying, and the material is nontoxic, has good corrosion resistance, high strength and toughness, and can be degraded by human body.
【技术实现步骤摘要】
一种生物医用Mg-Sn-Zn-Ca镁合金及其制备方法
本专利技术属于镁合金材料
，具体涉及一种生物医用Mg-Sn-Zn-Ca镁合金及其制备方法。
技术介绍
交通事故和体育运动等引起的大量骨骼损伤，为生物植入材料带来了巨大的市场空间和前景，极大地促进了生物植入材料的发展。传统的不锈钢、钛合金等金属生物植入材料在获得广泛临床应用的同时，也暴露出一些弊端。与传统的不锈钢、钛合金等金属材料相比，镁合金作为生物植入材料，具有一系列独特的优势：(1)镁合金具有良好的生物相容性，Mg是人体内仅次于Ca、Na和K的常量金属元素，能够激活多种酶，参与体内一系列代谢过程，体内过量的Mg可通过尿液排出体外，具有良好的生物安全性基础。此外，Mg还是骨生长的必需元素，能够促进Ca的沉积，诱导新骨生成；(2)镁合金具有良好的力学相容性，镁合金有较高的比强度和比刚度，能够满足生物植入材料的力学性能要求，其弹性模量约为41～45GPa，远低于不锈钢、钛合金等材料，更接近于人骨的弹性模量，可有效缓解应力遮挡效应，促进骨骼的生长和愈合；(3)纯Mg的标准电极电位仅为-2.37V，在腐蚀介质中极易发生腐蚀，在完成骨修复或固定功能后可在人体内发生降解，从而避免二次手术，大大减轻病人的风险和负担。国内外学者围绕生物镁合金材料开展了大量研究，但目前与临床应用之间仍存在一定的距离，主要障碍在于：(1)部分镁合金中的合金元素存在潜在毒性；(2)在体液环境中，镁合金的降解速率过快，容易发生严重的局部腐蚀。早期的生物镁合金研究大多直接采用商用镁合金，如最常见的Mg-Al系合金，但Al元素具有慢性神经毒性，可能引起老年痴呆，不满足生物相容性的要求。目前研究的生物镁合金，在合金元素选择上，通常选择Zn、Ca、Mn等人体必需的元素，Sr、Si等人体微量元素，以及Gd、Y、Nd、Zr等无细胞毒性或细胞毒性较低的元素。为了获得更好的合金化效果，经常在一种镁合金中同时添加采用多种合金元素，以发挥元素各自的作用。近年来，镁锡(Mg-Sn)系合金作为一类潜在的生物镁合金材料，逐渐引起国内外学者的重视。
技术实现思路
本专利技术主要提供了一种生物医用Mg-Sn-Zn-Ca镁合金及其制备方法，该合金材料无毒性、具有良好耐蚀性和高强韧性，可人体降解。其技术方案如下：一种生物医用Mg-Sn-Zn-Ca镁合金，其包括以下重量百分比组分：Sn0.5-1.5％、Zn0.3-0.7％、Ca0.1-0.3％，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。一种上述生物医用Mg-Sn-Zn-Ca镁合金的制备方法，包括以下步骤：(1)按照配方量采用纯镁锭、纯锡锭、纯锌锭和纯钙锭在气体保护下进行熔炼，得到Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金铸锭；(2)对Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金铸锭进行固溶热处理，固溶处理温度为350-450℃，时间为12-24h，固溶结束后水淬至室温；(3)对固溶热处理后的Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金进行塑性变形，采用搅拌摩擦加工技术，搅拌头转速为200-1800r/min，进给速度为50-150mm/min。优选的，步骤(1)中保护气体为SF6与CO2的混合气体。优选的，步骤(1)中熔炼方法为：先将纯镁熔化，当温度升至720-740℃时加入纯锡和纯锌，待其熔化后搅拌8-12min；随后加入纯钙，继续搅拌8-12min使合金元素分布均匀，降温至710-720℃保温10min，去除表面浮渣，浇注到预热至180-220℃的金属型模具中。镁合金中各合金元素的作用如下：Sn是人体必需的微量元素之一，毒性极小，体重70kg的成年人每天需摄入约7.0mg的Sn。Sn能够提高镁合金的室温塑性和强度。Zn是人体必需的微量元素之一，参与形成促卵泡激素和黄体化荷尔蒙(LH)，同时参与形成DNA组成元素锌指蛋白的合成，参与多种酶的形成。Zn也会提升镁合金的抗拉强度和屈服强度。Ca是人体内存在最广泛的矿物元素之一，对骨的生长有重要的促进作用。Ca能够促进镁合金的晶粒细化。塑性变形能够诱发镁合金的再结晶，细化晶粒，实现细晶强化，晶粒细化对提高镁合金的耐腐蚀性能也有很大帮助。采用上述方案，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术镁合金采用无毒的成分设计，所涉及的Sn、Zn和Ca元素都是人体必需的微量元素；(2)本专利技术所述的Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金采用多元微合金化设计，能够比较好地发挥各合金元素在合金中的作用，改善合金的耐腐蚀性能，并提高其力学性能；(3)本专利技术所述的Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金，控制合金元素总量，经铸造、固溶和塑性变形后获得单相镁合金，基本消除第二相，大幅度抑制了电偶腐蚀的发生，改善合金的耐腐蚀性能，同时确保合金的植入生物体内后能够完全降解；(4)本专利技术所述的Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金，经塑性变形后，晶粒得到细化，合金的耐腐蚀性能和力学性能均得到提高。具体实施方式以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。实施例1本实施例所述镁合金由Mg、Sn、Zn和Ca元素组成，其各组分质量百分含量为：0.5％Sn、0.3％Zn、0.3％Ca，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。该合金的制备方法包括熔炼、固溶热处理和塑性变形三个工艺工序。其中，在前的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：将纯镁在坩埚电阻炉中熔化，当温度升至730℃时加入纯锡和纯锌，待其熔化后搅拌10min；随后加入纯钙，继续搅拌10min使合金元素分布均匀。降温至720℃保温10min，捞去表面浮渣，浇注到预热至200℃的金属型模具中。随后的固溶热处理工艺工序为：将熔炼得到的合金铸锭在350℃保温24h，随后水淬至室温。随后的塑性变形工艺工序为：对固溶处理后的Mg-Sn-Zn-Ca合金进行塑性变形，采用搅拌摩擦加工技术，搅拌头转速为200r/min，进给速度为150mm/min。所得到合金的室温抗拉强度为231MPa，延伸率为19％。实施例2本实施例所述镁合金由Mg、Sn、Zn和Ca元素组成，其各组分质量百分含量为：1.0％Sn，0.5％Zn，0.2％Ca，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。该合金的制备方法包括熔炼、固溶热处理和塑性变形三个工艺工序。其中，在前的熔炼工艺工序在SF6和CO2混合气体保护条件下进行，步骤如下：将纯镁在坩埚电阻炉中熔化，当温度升至730℃时加入纯锡和纯锌，待其熔化后搅拌10min；随后加入纯钙，继续搅拌10min使合金元素分布均匀。降温至720℃保温10min，捞去表面浮渣，浇注到预热至200℃的金属型模具中。随后的固溶热处理工艺工序为：将熔炼得到的合金铸锭在400℃保温16h，随后水淬至室温。随后的塑性变形工艺工序为：对固溶处理后的Mg-Sn-Zn-Ca合金进行塑性变形，采用搅拌摩擦加工技术，搅拌头转速为1000r/min，进给速度为100mm/min。所得到合金的室温抗拉强度为269MPa，延伸率为21％。实施例3本实施例所述镁合金由Mg、Sn、Zn和Ca元素组成，其各组分质量百分含量为：1.5％Sn，0.7％Zn，0.1％Ca本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种生物医用Mg‑Sn‑Zn‑Ca镁合金，其包括以下重量百分比组分：Sn 0.5‑1.5％、Zn 0.3‑0.7％、Ca 0.1‑0.3％，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。
【技术特征摘要】
1.一种生物医用Mg-Sn-Zn-Ca镁合金，其包括以下重量百分比组分：Sn0.5-1.5％、Zn0.3-0.7％、Ca0.1-0.3％，杂质元素Si、Fe、Cu和Ni的总量小于0.02％，余量为Mg。2.一种权利要求1所述的生物医用Mg-Sn-Zn-Ca镁合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)按照配方量采用纯镁锭、纯锡锭、纯锌锭和纯钙锭在气体保护下进行熔炼，得到Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金铸锭；(2)对Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金铸锭进行固溶热处理，固溶处理温度为350-450℃，时间为12-24h，固溶结束后水淬至室温；(3)对固溶热处理后的Mg-Sn-Zn-Ca系镁合金...
【专利技术属性】
技术研发人员：张扬，宋雷鹏，陈晓阳，卢雅琳，丛孟启，李小平，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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