一种生物医用镁合金丝的制备方法

摘要

一种生物医用镁合金丝的制备方法，属于金属材料技术领域，通过将镁和锌熔化后，经过搅拌、精炼处理，浇铸成合金铸锭，再将合金铸锭进行均匀化热处理，或者不经过热处理直接进行等通道挤压，最后将等通道挤压的镁锌合金进行多道次拉拔加工成丝材。当丝材拉拔完成后得到单相的过饱和固溶体组织，其强度和延伸率都要高于没有经过等通道挤压直接拉拔得到丝材，既满足了强度和塑性的要求，也使材料的耐蚀性能得到了大幅度的提升。

权利要求

1.一种生物医用镁合金丝的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：(1)将金属镁和金属锌熔化成液态金属；

(2)对步骤(1)中的液态金属进行搅拌、精炼处理得到精炼液态金属，金属液熔化后机械搅拌3至5分钟，随后静置等熔渣上浮后将熔渣去除；

(3)将步骤(2)中的精炼液态金属浇铸成挤压态Mg-6%wt.Zn合金铸锭，所述合金铸锭中锌元素质量百分比为6.0%；

(4)将步骤(3)中获得的挤压态Mg-6%wt.Zn合金铸锭进行均匀化热处理或者不经过热处理直接进行等通道挤压，均匀化处理温度为300～350℃，时间为2～6小时；等通道转角挤压的温度在200℃至300℃，要求累计变形量在400%以上；

(5)将步骤(4)中等通道挤压后的材料进行多道次拉拔加工成丝材，拉拔前在300℃下预热10分钟，拉拔温度在300℃左右，单道次变形量在10%～30%，拉拔速度在10mm/s～40mm/s。

说明书

一种生物医用镁合金丝的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料技术领域，涉及一种镁合金的制备技术，特别是涉及一种用于生物医用镁合金丝的制备方法。

背景技术

[0002] 生物医用镁合金丝作为一种可降解材料在生物医用领域有广泛的应用前景，可作为可降解吻合线、可降解食道支架、可降解膀胱支架等人体植入医疗器械的原料。根据临床使用的要求，生物医用镁合金丝应具有较高的室温强度和塑性，以满足植入材料在人体中的支撑完整性的要求，与此同时为了避免植入器械在人体中腐蚀过快造成提前失效，还要求生物医用镁合金丝材具有较好的生物腐蚀耐蚀性。镁合金是一种化学性质活泼且加工成形性能不好的材料，在镁中加入少量的锌元素作为合金元素，可以显著提高耐蚀性和加工性能，然而锌在镁中的存在形式对于材料的性能影响很大。锌在镁中有较大的溶解度，随着温度的变化其在镁中的溶解度也会发生很大的变化，在325℃下，锌在镁中平衡条件下的溶解度在质量百分比6%左右，当锌在镁中脱溶会形成多种中间相。为了满足生物医用镁合金丝的性能要求，需要将锌在镁中完全固溶，得到单相的过饱和固溶体组织，这样既可以满足强度和塑性的要求，也可以使材料具有较好的耐蚀性。

[0003] 传统的镁合金丝材制备方法是室温或者高温多道次拉拔成形。室温成形的优点在于工艺条件容易控制，丝材表面质量和强度较高，但是室温下镁合金的变形量较低，因此拉拔道次多，且拉拔过程中需要退火消除加工硬化，丝材的塑性也较低。高温拉伸虽然会造成表面质量较差，但是丝材的塑性较好，且单道次拉拔变形量大，拉拔道次少，加工过程中不需要额外的热处理。高温多道次拉拔成形的工艺对于镁合金丝材的成形比较有利。从以往的应用结果来看，由于镁锌合金中在铸态下形成的共晶相对于变形的均匀性影响很大，粗大的共晶在多道次拉拔后会发生破碎，但是由于其分布不均匀，会造成在变形过程中各个部分变形的不均匀，进而容易造成断裂。为了解决这一问题需要在制备丝材之前将材料进行均匀化处理，通常采用的工艺是将铸造后的镁锌合金加热到300至350℃，并长时间保温，让块状共晶分解和溶解，然而这种方法存在两个不足，一是长时间加热造成晶粒粗大，材料力学性能和加工性能下降，二是即使长时间均匀化处理也很难将第二相完全溶解在基体中，很难得到单相过饱和固溶体的组织。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对传统的镁合金丝材制备方法中，室温成形变形量较低，拉拔道次多，拉拔过程需要退火消除加工硬化，丝材的塑性也较低；高温成形中长时间加热造成晶粒粗大、材料力学性能和加工性能下降、长时间均匀化处理也很难将第二相完全溶解在基体中，很难得到单相过饱和固溶体等缺陷和不足，提出一种用于生物医用镁合金丝的制备方法，可获得单相过饱和固溶体组织，既可以满足强度和塑性的要求，也可以使材料具有较好的耐蚀性。

[0005] 本发明的技术方案是：一种生物医用镁合金丝的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

[0006] (1)将金属镁和金属锌熔化成液态金属；

[0007] (2)对步骤(1)中的液态金属进行搅拌、精炼处理得到精炼液态金属，金属液熔化后机械搅拌3至5分钟，随后静置等熔渣上浮后将熔渣去除；

[0008] (3)将步骤(2)中的精炼液态金属浇铸成合金铸锭；

[0009] (4)将步骤(3)中获得的合金铸锭进行均匀化热处理或者不经过热处理直接进行等通道挤压，均匀化处理温度为300～350℃，时间为2～6小时；等通道转角挤压的温度在200℃至300℃，要求累计变形量在400%以上；

[0010] (5)将步骤(4)中等通道挤压后的材料进行多道次拉拔加工成丝材，拉拔前在300℃下预热10分钟，拉拔温度在300℃左右，单道次变形量在10%～30%，拉拔速度在10mm/s～40mm/s。

[0011] 步骤(3)中所述合金铸锭中锌元素质量百分比为3.0%～6.0%。

[0012] 步骤(4)中所述等通道挤压的温度范围为200～300℃，等通道变形量在400%以上，以使材料充分变形。

[0013] 本发明的有益效果为：本发明提出的一种生物医用镁合金丝的制备方法，制备原理清晰，通过对镁锌合金先进行剧烈塑性变形处理，当应变量足够大时，原先粗大的第二相破碎成小颗粒，同时晶粒会显著细化并有大量位错、空位等晶体缺陷。单位体积内相界面数量越多，扩散速度越快，并且溶质原子需要扩散的距离越短，材料中大量晶粒缺陷对于锌在基体中的扩散非常有利。在随后的拉拔过程材料被加热到300℃，并发生变形，在动态再结晶的作用下，晶粒度维持在较细小的状态，而第二相在变形过程中，发生溶解，直至完全固溶到基体中，当丝材拉拔完成后得到单相的过饱和固溶体组织，其强度和延伸率都要高于没有经过等通道挤压直接拉拔得到丝材，既满足了强度和塑性的要求，也使材料的耐蚀性能得到了大幅度的提升。

附图说明

[0014] 图1是在挤压状态下Mg-6%wt.Zn合金电子扫描显微图。

[0015] 图2是在200℃、6道次等通道挤压下的电子扫描显微图。

[0016] 图3是挤压态直接拉拔成丝材的电子扫描显微图。

[0017] 图4是挤压态经过等通道挤压后拉拔成丝材的电子扫描显微图。

[0018] 图5是本发明中原材料和丝材的力学性能示意图。

具体实施方式

[0019] 下面结合实施例对本发明作进一步说明：

[0020] 一种生物医用镁合金丝的制备方法，包括如下操作步骤：

[0021] (1)将金属镁和金属锌熔化成液态金属；

[0022] (2)对步骤(1)中的液态金属进行搅拌、精炼处理得到精炼液态金属，金属液熔化后机械搅拌3至5分钟，随后静置等熔渣上浮后将熔渣去除；

[0023] (3)将步骤(2)中的精炼液态金属浇铸成合金铸锭；

[0024] (4)将步骤(3)中获得的合金铸锭进行均匀化热处理或者不经过热处理直接进行等通道挤压，均匀化处理温度为300～350℃，时间为2～6小时；等通道转角挤压的温度在200℃至300℃，要求累计变形量在400%以上；

[0025] (5)将步骤(4)中等通道挤压后的材料进行多道次拉拔加工成丝材，拉拔前在300℃下预热10分钟，拉拔温度在300℃左右，单道次变形量在10%～30%，拉拔速度在10mm/s～40mm/s。

[0026] 一种生物医用镁合金丝的制备方法，步骤(3)中合金铸锭中锌元素质量百分比为3.0%～6.0%；步骤(4)中等通道挤压的温度范围为200～300℃，等通道变形量在400%以上，以使材料充分变形。

[0027] 一种生物医用镁合金丝的制备方法的原理如下：对镁锌合金先进行剧烈塑性变形处理，当应变量足够大时，原先粗大的第二相破碎成小颗粒，同时晶粒会显著细化并有大量位错、空位等晶体缺陷。单位体积内相界面数量越多，扩散速度越快，并且溶质原子需要扩散的距离越短，材料中大量晶粒缺陷对于锌在基体中的扩散非常有利。在随后的拉拔过程材料被加热到300℃，并发生变形，在动态再结晶的作用下，晶粒度维持在较细小的状态，而第二相在变形过程中，发生溶解，直至完全固溶到基体中，当丝材拉拔完成后得到单相的过饱和固溶体组织，其强度和延伸率都要高于没有经过等通道挤压直接拉拔得到丝材。

[0028] 实施例1：

[0029] 如图1～4所示，一种生物医用镁合金丝的制备方法，Mg-6%wt.Zn合金铸造和挤压后组织中存在大块的共晶相，如图1所示，将挤压态的试样经过200℃、6道次等通道挤压处理之后，中间相数量减少，尺寸降低，有大量细小的析出相析出，如图2所示。将挤压态的试样拉拔成直径0.3mm的丝材后显微组织中的存在大量成带状分布的中间相，在带状分布的中间相之间的区域出现由于变形不均匀造成的微裂纹和孔洞，如图3所示。而经过多道次等通道挤压之后再进行拉拔制成的丝材显微组织中几乎没有第二相析出，组织均匀，且没有裂纹和孔洞产生，如图4所示。

[0030] 如图5所示，一种生物医用镁合金丝的制备方法，挤压态Mg-6%wt.Zn合金的屈服强度、抗拉强度分别为200MPa和260MPa,延伸率为18%，挤压态Mg-6%wt.Zn合金经过200℃下，6道次等通道挤压之后的屈服强度、抗拉强度分别为208MPa和255MPa,延伸率为24%，强度没有显著提高，但是延伸率显著上升。没有经过等通道挤压直接拉拔制成的直径0.3mm的丝材室温下屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为190MPa、240MPa和4.5%，而经过等通道挤压的再进行拉拔制成的直接0.3mm丝材室温下屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为210MPa、300MPa和11%，结果说明新技术可以有效提高生物医用镁合金丝材的力学性能。

[0031] 本发明制备原理清晰，通过对镁锌合金先进行剧烈塑性变形处理，当应变量足够大时，原先粗大的第二相破碎成小颗粒，同时晶粒会显著细化并有大量位错、空位等晶体缺陷。单位体积内相界面数量越多，扩散速度越快，并且溶质原子需要扩散的距离越短，材料中大量晶粒缺陷对于锌在基体中的扩散非常有利。在随后的拉拔过程材料被加热到300℃，并发生变形，在动态再结晶的作用下，晶粒度维持在较细小的状态，而第二相在变形过程中，发生溶解，直至完全固溶到基体中，当丝材拉拔完成后得到单相的过饱和固溶体组织，其强度和延伸率都要高于没有经过等通道挤压直接拉拔得到丝材，既满足了强度和塑性的要求，也使材料的耐蚀性能得到了大幅度的提升。