一种提高铸造ZK21镁合金强度和耐蚀性的方法与流程

本发明涉及一种金属工艺处理方法，具体说的是一种铸造zk21镁合金的工艺处理方法。

背景技术：

近些年来，镁合金材料在生物医用领域展现了广阔的应用前景，一直被广泛研究。作为一种潜力很大的生物植入材料，镁合金的优势十分明显。首先，镁元素是人体中一种必要的微量元素，在保持人体健康和促进新陈代谢方面起到重要作用；其次，镁合金材料植入人体后能够自动降解，减少了像不锈钢材料等需要二次取出带来的手术风险，也减轻了病人的痛苦，而且降解后的镁合金大部分可以排出人体，不会给人体健康造成伤害；另外，目前常用的金属植入材料(钛合金等)的弹性模量与人骨差异较大，造成严重的应力屏蔽效应会抑制新骨生长，降低骨骼强度，给伤病恢复带来不利影响；而镁合金的弹性模量与人骨相对接近，能够很好地缓解应力屏蔽效应。

但是镁合金在生物植入方面的应用还是受到了其性能的限制。一方面，由于镁的标准电位低，其耐腐蚀性能较差，而且腐蚀后形成的产物疏松多孔、无法有效阻止腐蚀的发展，更导致其腐蚀性能恶化。表现不佳的耐腐蚀性能会导致镁合金材料植入人体后降解速度过快，提前失效，影响组织的生长和愈合。另一方面，铸造镁合金由于晶粒粗大、组织缺陷较多，其力学性能(主要是强度)不够优异。这也限制了其作为生物植入材料的应用范围。综上所述，提高强度及耐蚀性对于生物医用镁合金材料的发展具有重要意义。

合金化、细晶强化以及热处理是常见的用来强化合金性能的工艺方法，并且有着良好的效果。mg-zn系合金是目前被广泛研究的一种生物医用镁合金。zr元素是一种能够有效细化晶粒的合金元素，并且在熔炼合金时还能够起到净化合金组织的作用。固溶处理能够使得组织中的第二相溶入基体，降低电偶腐蚀作用；挤压处理能够有效细化晶粒，通过晶界强化作用来提高合金的强度，同时晶粒细化也能够一定程度上降低腐蚀速率。

技术实现要素：

本发明针对现有生物医用材料存在的不足，提供一种能够有效提高镁合金zk21强度和耐蚀性的方法。本发明主要是通过固溶处理和挤压工艺来实现的。

一种提高铸造zk21镁合金强度和耐蚀性的方法，其特征在于：

(1)将铸造镁合金在箱式电炉中进行固溶处理；铸造镁合金各组分质量百分比为：zn：1.87％，zr：0.54％，其余为mg及不可避免的杂质；

(2)将固溶处理后的合金再挤压成棒材。

进一步地，步骤(1)所述固溶温度为360-400℃，固溶时间为12-24小时，为防止氧化，按照空积比(黄铁矿粉末在固溶处理过程中会生成so2，空积比是指so2气体在箱式电炉中所占体积比)1:100的比例加入黄铁矿粉末(fes2)作为保护。

进一步地，所述步骤(2)具体为：将铸造镁合金在挤压机中经过挤压温度350℃、挤压速度3mm/s的挤压处理，挤压成棒材。

本发明将铸造镁合金在箱式电炉中进行固溶处理，其目的主要在于使合金中的第二相最大程度溶入α-mg基体中，减少第二相引起的电偶腐蚀，从而提高合金耐蚀性。

对上述固溶处理后的zk21镁合金进行挤压处理，其主要目的在于通过动态再结晶来细化晶粒，从而有效提升强度，同时对于耐蚀性也有一定的增强作用。其中，挤压机的挤压比根据所需材料的尺寸进行选定。

本发明具有的优点和积极效果是：

固溶处理后的zk21合金中，第二相数量极少(大多溶入镁基体中)，从而有利于减轻电偶腐蚀；挤压后晶粒细化明显，提高组织致密性，降低孔隙率，极大地提高了镁合金的强度和耐蚀性。

附图说明

图1是铸造zk21镁合金的组织金相照片；

图2是实施例3中采用固溶处理和挤压处理后的zk21镁合金的组织金相照片；

图3是实施例1、2、3中采用固溶处理和挤压处理后的zk21镁合金及铸造zk21镁合金的屈服强度条形图。

图4是实施例1、2、3中采用固溶处理和挤压处理后的zk21镁合金及铸造zk21镁合金的在hank’s溶液中浸泡的平均腐蚀速率条形图。

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

所用zk21铸造镁合金的各组分及质量百分比为：zn：1.87％，zr：0.54％，其余为mg及不可避免的杂质。对上述镁合金进行固溶处理，温度为360℃，保温时间为12h，为防止氧化，按照空积比1:100的比例加入黄铁矿粉末(fes2)作为保护；水冷至室温。再将固溶处理后的镁合金在挤压机中经过挤压温度350℃、挤压速度3mm/s的挤压处理，挤压成棒材。

本实施例得到的合金性能如下：屈服强度173mpa，在hank’s溶液中浸泡240小时后的平均腐蚀速率为0.55mm/year。

实施例2

所用zk21铸造镁合金的各组分及质量百分比为：zn：1.87％，zr：0.54％，其余为mg及不可避免的杂质。对上述镁合金进行固溶处理，温度为400℃，保温时间为12h，为防止氧化，按照空积比1:100的比例加入黄铁矿粉末(fes2)作为保护；水冷至室温。再将固溶处理后的镁合金在挤压机中经过挤压温度350℃、挤压速度3mm/s的挤压处理，挤压成棒材。

本实施例得到的合金性能如下：屈服强度191mpa，在hank’s溶液中浸泡240小时后的平均腐蚀速率为0.48mm/year。

实施例3

所用zk21铸造镁合金的各组分及质量百分比为：zn：1.87％，zr：0.54％，其余为mg及不可避免的杂质。对上述镁合金进行固溶处理，温度为400℃，保温时间为24h，为防止氧化，按照空积比1:100的比例加入黄铁矿粉末(fes2)作为保护；水冷至室温。再将固溶处理后的镁合金在挤压机中经过挤压温度350℃、挤压速度3mm/s的挤压处理，挤压成棒材。

本实施例得到的合金性能如下：屈服强度194mpa、；在hank’s溶液中浸泡240小时后的平均腐蚀速率为0.32mm/year。

对比分析三种实施例可知，实施例3具有最佳的综合性能，兼具优异的强度与耐蚀性。其性能如下：屈服强度194mpa，在hank’s溶液中浸泡240小时后的平均腐蚀速率为0.32mm/year。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种提高铸造ZK21镁合金强度和耐蚀性的方法。该合金组分及各组分质量百分含量为：Zn：1.87％，Zr：0.54％，其余为Mg及不可避免的杂质。首先将铸造镁合金在箱式电炉中进行固溶处理，固溶温度为360‑400℃，固溶时间为12‑24小时，为防止氧化，按照空积比1:100的比例加入黄铁矿粉末(FeS2)作为保护。接着，对固溶处理后的镁合金进行挤压温度350℃、挤压速度3mm/s的挤压处理，挤压成棒材。本发明的优点在于：固溶处理后的ZK21合金中，第二相数量极少，从而有利于减轻电偶腐蚀；挤压后晶粒细化明显，提高组织致密性，降低孔隙率，极大地提高了镁合金的强度和耐蚀性。本合金兼具优异的强度和耐蚀性，可以应用在可降解吸收骨钉、骨板等医学领域。

技术研发人员：宋仁伯;汪孪祥;蔡长宏
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2018.06.19
技术公布日：2018.12.07