CN107541632A - 一种生物医用Mg‑Zn‑Zr镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物医用Mg‑Zn‑Zr镁合金及其制备方法。该合金组分及各组分质量百分含量为：Zn：0.8‑3.0％，Zr：0.4‑0.8％，其余为Mg及不可避免的杂质。本发明在镁合金中添加合金元素Zn和Zr，提高镁合金的力学性能及耐腐蚀性能；同时，Zn及Zr属于对人体无害的元素，以确保合金在人体降解后不危害人体健康。本发明的生物医用Mg‑Zn‑Zr镁合金的制备方法通过原料熔炼、浇铸以及固溶处理即得到生物医用镁合金，本制备方法实施简单、生产成本低。本发明的优点在于，Mg‑Zn‑Zr镁合金的析出相较少，从而有利于减轻电偶腐蚀；固溶后组织均匀性提高，有效提高合金的力学性能。本发明可以应用在可降解骨板、骨钉及血管支架等生物材料领域。

Description

一种生物医用Mg-Zn-Zr镁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金的技术领域，具体说的是一种生物医用Mg-Zn-Zr镁合金及其制备方法。

背景技术

20世纪90年代以来，生物材料科学进入了一个快速发展的阶段，技术发展日新月异，展现出了极其广阔的前景。传统不锈钢、钛合金以及钴铬合金等植入材料在人体中不能自行降解，需要二次手术将植入体取出，不仅增加了医疗成本，而且给病人带来更多的痛苦和手术过程中引起的并发症。此外，目前常用的金属硬组织修复材料的弹性模量与人骨存在较大差异，会造成严重的应力遮挡效应，导致骨骼强度降低，抑制新骨的生长，使组织愈合迟缓。

镁的弹性模量远远低于不锈钢以及钛合金等材料，与人骨的弹性模量较为接近，在植入人体后能够很大程度上缓解应力遮挡效应。与此同时，镁标准电位很低，在含有氯离子的溶液中易被腐蚀而降解，如果作为植入材料，可以避免二次手术。而且考虑到镁是人体新陈代谢和骨组织中的基本元素，植入的镁材料降解后大部分可以排出人体，少量存在于人体也不会产生不良影响。

但是，由于标准电位低且腐蚀产物疏松多孔，镁的耐腐蚀性能较差。植入人体后，降解速度过快，在组织未愈合前就失效，影响受伤组织的生长和愈合。因此，镁合金在人体中过快降解已成为限制其在生物医用领域应用的最大问题。合金化是一种常用的提高镁耐腐蚀性能的方法。Zn是大量存在于人体中的必需元素，其强化作用仅次于Al。Zr是镁合金元素中最为有效的晶粒细化剂，能够显著减小晶粒尺寸从而提高合金的力学性能及耐腐蚀性能，并且Zr还有净化合金组织的作用。

此外，镁的力学性能也较低，所以有必要采取相应措施来提高其力学性能，满足作为植入材料所需的性能要求。合金化、细晶强化以及热处理经常被用于提高镁合金的力学性能，并且有着良好的效果。合理的固溶处理工艺有助于提高镁合金的力学性能，与此同时，固溶处理后的镁合金中第二相数量减少，组织更加均匀，有利于减轻腐蚀，提升镁合金的耐腐蚀性能。

发明内容

本发明针对现有生物医用材料存在的不足，提供一种生物医用材料Mg-Zn-Zr镁合金及其制备方法。该合金同时具备良好的生物相容性、力学性能以及耐腐蚀性能。

本发明提供了一种生物医用Mg-Zn-Zr镁合金，所述合金各组分及质量百分比为：Zn：0.8-3.0％，Zr：0.4-0.8％，其余为Mg及不可避免的杂质。

本发明提供了生物医用Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，具体包括以下步骤：

A、采用高纯度的镁锭、锌锭、Mg-30％Zr中间合金作为原料，在真空感应熔炼炉中进行合金熔炼。待上述原料都熔化后，进行搅拌，浇铸成铸锭，除了Mg、Zn、Zr以外，其余元素均以杂质形式存在；

B、将铸态合金在箱式电炉中进行固溶处理。

所述步骤A具体为：在氩气保护气氛下，将镁锭、锌锭以及覆盖剂加至真空感应熔炼炉中，升温至760-780℃，加入Mg-Zr中间合金，继续熔炼得到熔体，浇铸得到铸锭。所述铸锭包括0.8-3.0％的Zn以及0.4-0.8％的Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。

所述步骤B具体为：将铸态合金在箱式电炉中进行固溶处理，固溶温度为390-410℃，固溶时间为24小时，为防止氧化，加入一定量的黄铁矿(FeS2)作为保护。

所述原料中，高纯度镁锭中Mg≥99.99％，其余为杂质；高纯锌锭中Zn≥99.99％，其余为杂质；Mg-30％Zr中间合金中Zr含量为28-30％，杂质含量≤0.01％，其余为Mg。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)本发明在镁合金中添加合金元素Zn和Zr，提高镁合金的力学性能及耐腐蚀性能；同时，Zn及Zr属于对人体无害的元素，以确保合金在人体降解后不危害人体健康。

(2)本发明的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法通过原料熔炼、浇铸以及固溶处理即得到生物医用镁合金，本制备方法实施简单、生成成本低。

(3)本发明的优点在于，Mg-Zn-Zr镁合金的析出相较少，从而有利于减轻电偶腐蚀；固溶后组织均匀性提高，有效提高合金的力学性能。

附图说明

图1是实施例2中的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金的X射线衍射图谱；

图2是实施例2中的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金在制备过程中固溶态合金的金相示意图；

图3是实施例3中的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金在制备过程中固溶态合金的金相示意图；

图4是实施例1、2和3中的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金在制备过程中固溶态合金在浸泡过程中的平均腐蚀速率。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明，本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

实施例1

采用Mg纯度≥99.99％的镁锭、Zn纯度≥99.99％的锌锭、纯度≥99.99％的Mg-30％Zr中间合金作为原料，按配比称量原料，在氩气保护气氛下，将镁锭、锌锭以及覆盖剂加至真空感应熔炼炉中，升温至760℃，加入Mg-Zr中间合金，继续熔炼得到熔体，浇铸得到铸锭。所述铸锭包括0.90％的Zn以及0.44％的Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。将铸态合金在箱式电炉中进行固溶处理，固溶温度为390℃，固溶时间为24小时，为防止氧化，加入一定量的黄铁矿(FeS2)作为保护。

本实施例得到的合金性能如下：抗拉强度169MPa、屈服强度97MPa、延伸率18％、硬度41HV；在Hank’s溶液中浸泡240小时后的平均腐蚀速率为0.87mm/year。

实施例2

采用Mg纯度≥99.99％的镁锭、Zn纯度≥99.99％的锌锭、纯度≥99.99％的Mg-30％Zr中间合金作为原料，按配比称量原料，在氩气保护气氛下，将镁锭、锌锭以及覆盖剂加至真空感应熔炼炉中，升温至780℃，加入Mg-Zr中间合金，继续熔炼得到熔体，浇铸得到铸锭。所述铸锭包括1.87％的Zn以及0.54％的Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。将铸态合金在箱式电炉中进行固溶处理，固溶温度为400℃，固溶时间为24小时，为防止氧化，加入一定量的黄铁矿(FeS2)作为保护。

本实施例得到的合金性能如下：抗拉强度210MPa、屈服强度118MPa、延伸率23％、硬度49HV；在Hank’s溶液中浸泡240小时后的平均腐蚀速率为0.35mm/year。

实施例3

采用Mg纯度≥99.99％的镁锭、Zn纯度≥99.99％的锌锭、纯度≥99.99％的Mg-30％Zr中间合金作为原料，按配比称量原料，在氩气保护气氛下，将镁锭、锌锭以及覆盖剂加至真空感应熔炼炉中，升温至770℃，加入Mg-Zr中间合金，继续熔炼得到熔体，浇铸得到铸锭。所述铸锭包括2.75％的Zn以及0.56％的Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。将铸态合金在箱式电炉中进行固溶处理，固溶温度为410℃，固溶时间为24小时，为防止氧化，加入一定量的黄铁矿(FeS2)作为保护。

本实施例得到的合金性能如下：抗拉强度224MPa、屈服强度112MPa、延伸率24％、硬度47HV；在Hank’s溶液中浸泡240小时后的平均腐蚀速率为0.63mm/year。

Claims (5)

1.一种生物医用Mg-Zn-Zr镁合金，其特征在于，组分中含有Zn、Zr和Mg；各组分的质量百分含量为：Zn：0.8-3.0％，Zr：0.4-0.8％，其余为Mg及不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述生物医用Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A、采用高纯度的镁锭、锌锭、Mg-30％Zr中间合金作为原料，在真空感应熔炼炉中进行合金熔炼；待上述原料都熔化后，进行搅拌，浇铸成铸锭，除了Mg、Zn、Zr以外，其余元素均以杂质形式存在；

B、将铸态合金在箱式电炉中进行固溶处理。

3.根据权利要求2所述的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤A具体为：在氩气保护气氛下，将镁锭、锌锭以及覆盖剂加至真空感应熔炼炉中，升温至760-780℃，加入Mg-Zr中间合金，继续熔炼得到熔体，浇铸得到铸锭；所述铸锭包括0.8-3.0％的Zn以及0.4-0.8％的Zr，其余为Mg及不可避免的杂质。

4.根据权利要求2所述的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤B具体为：将铸态合金在箱式电炉中进行固溶处理，固溶温度为390-410℃，固溶时间为24小时，为防止氧化，加入一定量的黄铁矿FeS₂作为保护。

5.根据权利要求2所述的生物医用Mg-Zn-Zr镁合金的制备方法，其特征在于：高纯度镁锭中Mg≥99.99％，其余为杂质；高纯锌锭中Zn≥99.99％，其余为杂质；Mg-30％Zr中间合金中Zr含量为28-30％，杂质含量≤0.01％，其余为Mg。