一种可降解镁合金成型胚料，其制备设备，制备方法及由该成型胚料制备的加压螺钉

摘要

本发明提供一种可降解镁合金成型胚料，其制备设备、制备方法及由该成型胚料制备的加压螺钉，所述的可降解镁合金成型胚料成分为：以成型胚料总重量计，Zn：0.6～4％，Ca：0.01～2％，Zn和Ca总量小于5％，其余为Mg和不可去除的杂质，其它杂质元素质量分数不超过0.01％，所述的成型胚料的抗拉强度不小于400Mpa，屈服强度不小于320Mpa，延伸率大于10％。所述镁合金成型胚料具备优异的抗拉强度与屈服强度，所述制备方法不仅可以细化晶粒、均匀组织、提高棒料强度，而且基于该成型胚料制备的加压螺钉具备良好的强度，可应用于更广泛的领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加工件及其制备方法，更具体地涉及一种可降解镁合金的成型胚料，其制备方法及由该成型胚料制备的加压螺钉。

背景技术

传统的骨钉使用的金属材料包括不锈钢，钴基合金，钛及钛合金以及医用贵金属等，在使用中发现，上述材料在植入人体后，会伴随以下问题：

(1)医用钴基合金，医用钛合金在植入人体后会溶出金属离子(如Cu、V、Mo、Ni、Al等)，使细胞出现炎性反应或坏死。

(2)医用不锈钢生物材料与人骨的弹性模量差异太大，容易引起应力遮挡效应。

(3)上述的金属植入材料都是不可降解的，当人体骨骼愈合后，需要取出植入物再次进行手术；若不取出，这些金属部件将伴随患者终身，在体内慢慢腐蚀，引起一些其它不良症状。

基于上述问题，具备生物相容性和生物可降解性的镁基合金成为骨科植入物的研究热点。但是，镁合金较差的延展性和强度限制了它在生物材料方面的应用。为了克服该缺陷，有研究者通过在镁合金中添加稀土元素Er，Y，Ce，Nd作为材料的强化方法，但是，这些稀土元素在人体内难以代谢，是否伴随长期毒性影响尚不明确。所以，开发一种生物相容性优异，无毒副作用，具有与骨骼密度和弹性模量接近的医用镁合金是本领域迫切需要解决的问题。

随着医用镁合金的进一步发展，添加人体必需元素，进行低合金化的Mg-Zn-Ca系合金可满足上述的要求。但是，低合金化必定会带来材料强度的损失。因此，为提高强度并同时具备较好的塑性，细化晶粒的方法成为制造加工中的首选工艺。

通常，镁合金棒材通过铸造和挤压的方法加工，铸造工艺制备的镁合金晶粒粗大且力学性能较差，而挤压工艺制备的镁合金棒材往往使用铸态坯料直接进行挤压，受限于挤压设备的吨位和模具材料，其细化晶粒能力往往有限。因此，由传统工艺得到的镁合金棒材，普遍强度不高。继而，所制备的镁合金骨钉主要用于承力不太大的部位的骨折，例如：指掌骨，颌面骨等。此外，因镁合金强度较低，制造的螺钉钉头若采用通常十字头、内六角等结构，在拧入的时候常常会发生螺钉槽损坏等情况。

我国的专利申请号第CN103388115B号“一种高强韧镁合金棒材的制备方法”发明专利，该发明专利通过两步挤压变形工艺来制备镁合金棒材，在第二步挤压时，通过大吨位的挤压机进行100℃左右的低温挤压，制备出抗拉强度Rm为360MPa，屈服强度Rp0.2为300Mpa，断后伸长率A为9％，晶粒尺寸为6μm的AZ31棒材。可以看出，采用此种挤压方法制备的棒材能使材料晶粒细化，力学性能较铸态制备的棒材有较大提高。但是，此方法制备的棒材在低温下进行变形，通常得到不完全动态再结晶的小晶粒和铸态粗大枝晶混合的组织，导致力学性能不稳定。

我国的专利申请号第CN101468363B号“制造镁及镁合金细丝的多道次拉拔工艺方法”发明专利，其发明专利公开了一种室温多道次拉拔工艺，利用7～12％的单道次变形量及50～60％的累计变形量加上400～420℃的中间退火。该工艺方法可作为一种较为成熟的方法可应用于变形镁合金棒材和线材的生产，其晶粒尺寸虽较铸态制备的棒材有明显降低，但仍然难以达到10μm以下。并且，拉拔加工单向拉应力的受力特点使得材料较容易产生裂纹等缺陷。

我国的专利申请号第CN103184397A号“基于剧烈塑性变形的镁合金丝材制备方法”发明专利，其发明专利采用挤压制坯，等通道转角挤压细化晶粒，再拉拔制备细圆棒材。虽然采用此工艺制备的棒材力学性能优异，组织细化，但是采用等通道转角的工艺限制了棒材的长度，使用的坯料仅有150mm，因此实际应用中对后续的磨料、矫直等加工带来很大困难。

我国的专利申请号第CN201611037633.5“一种高强度镁合金小规格棒材的加工方法”，发明专利，其发明专利采用旋锻制备的Mg-2Zn-0.1Ca棒材，抗拉强度为391Mpa，屈服强度为337Mpa。虽然采用此工艺制备的棒材力学性能优异，组织细化，但是旋锻制备的棒材同一截面芯部和边缘应变差别较大，导致晶粒差异较大，组织不均匀。

因此，虽然现有许多方法已公开了强化镁合金材料的机械强度的制程，但在各种制程中，均存在有部分无法克服的缺陷，发明人有鉴于此，提出了本发明以一次性的解决前述制程中所述存在的问题。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明提供一种可降解镁合金成型胚料，及其制备设备、制备方法及由该成型胚料制备的加压螺钉，所述制备方法不仅可以细化晶粒、均匀组织、提高棒料强度，而且基于该成型胚料制备的加压螺钉具备良好的强度，可应用于更广泛的领域。

为解决上述技术问题，本发明提供一种可降解镁合金成型胚料，所述的可降解镁合金成型胚料成分为：所述的成型胚料成分为：以成型胚料总重量计，Zn：0.6～4％，Ca：0.01～2％，Zn和Ca总量小于5％，其余为Mg和不可去除的杂质，其它杂质元素质量分数不超过0.01％，所述的成型胚料的抗拉强度不小于400Mpa，屈服强度不小于320Mpa，延伸率大于10％。

进一步的，所述的成型胚料经由多次等温模锻制得。

本发明还提供一种制备上述的可降解镁合金成型胚料的方法，所述的方法包括以下步骤：

(1)制备一定合金比例的镁合金棒坯，所述镁合金棒坯的组成成分与权利要求1所述的可降解镁合金成型胚料相同。

(2)将镁合金棒坯加热至为250～350℃，然后保持温度0.5～2h。将加热镁合金棒坯所必要的模具加热系统升温至200～250℃，并保持这一温度。

(3)将保温的镁合金棒坯放置在模具加热系统保温，并于一组合式等温锻造模膛中进行锻造，使镁合金棒坯的截面逐渐减小至形成一符合加工需求的成型胚料。

进一步的，所述的方法中，组合式等温锻造模膛使镁合金棒坯的截面变形依椭圆、菱形、椭圆、菱形、圆形的顺序变化，并使镁合金棒坯伸长而形成为所述的成型胚料。

本发明进一步提供一种可降解镁合金成型胚料的组合式等温锻造模膛，所述组合式等温锻造模膛由多组独立的模具组成，各组模具包括一上模、一连接在上模的上模底座、一下模及一连接在下模的下模底座，所述的上模和下模的模穴大小一致，且形状依据镁合金棒坯的截面逐渐变化及缩小。

进一步的，所述组合式等温锻造模膛由五组独立的模具所组成，每组模具的上模和下模的模穴由初始进料端依据椭圆、菱形、椭圆、菱形、圆形的顺序变化且尺寸逐渐减小。在模具变形时，控制单次变形量为20％～50％，累计变形量不低于70％。

进一步的，每组上模设置有一导向柱，每组下模上设置有一导向孔，所述导向柱和所述导向孔通过滑动配合以实现定位。

进一步的，每组模具的上模、上模底座与下模、下模底座之间分别使用一燕尾榫进行连接。

进一步的，相邻的模具，模具与模座之间使用紧固装置连接并定位。

本发明进一步提供一种可降解镁合金加压螺钉，使用上述的可降解镁合金成型胚料所制备，所述的加压螺钉的头部采用梅花型的结构设计。

本发明所提出的技术方案可以获得的有益效果包括：

(1)本发明制备的镁合金成型胚料其抗拉强度不小于400Mpa，屈服强度不小于320Mpa，延伸率大于10％，克服了现有镁合金延展性差、强度低的缺点，从而拓宽了镁合金在医用金属领域的应用。

(2)本发明所采用的组合式多模膛锻造模具，可实现连续多道次的等温模锻，从而可以直接制备高强度的镁合金螺钉成型胚料，最特别的，所述的成型胚料通过胚料截面以椭圆、菱形交替地反复变形，最终变成了圆形截面的形状变化，将大应变引入到成型胚料芯部，使得变形后的成型胚料表层和芯部的晶粒均匀且超细化，力学性能优异。

(3)在制作加压螺钉时，头部应用了梅花槽的设计结构，在螺丝拧入的过程中，工具和呈梅花状的多个凹槽的固定紧密，从而保证工具能更有效的传递力矩于凹槽的凹面上接触，无应力集中，可减少工具及螺丝头部破损的风险。

附图说明

图1为本发明的组合式多模膛模具的立体结构示意图。

图2为本发明的模锻后成型胚料的表面晶粒尺寸的表征图。

图3为本发明的模锻后成型胚料的芯部晶粒尺寸的表征图

图4为本发明的成品加压螺钉的横向结构示意图。

图5为本发明的成品加压螺钉的纵向结构示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

本发明提供了一种制备可降解镁合金成型胚料的工艺，并依据前述工艺制作出的镁合金成型胚料，选择适当外径以及长度的镁合金以进行锻造制程，制出符合规格的螺钉产品。

其中，本发明所采用的可降解镁合金成型胚料，所述的成型胚料成分为：以成型胚料总重量计，Zn：0.6～4％，Ca：0.01～2％，Zn和Ca总量小于5％，其余为Mg和不可去除的杂质，其它杂质元素质量分数不超过0.01％，所述的成型胚料需通过挤压方式获得，挤压方式所制成的成型胚料棒材的抗拉强度在220～300MPa，屈服强度为150～210MPa，断后伸长率大于10％，断面收缩率大于10％，显微硬度大于45Hv。

本发明所采用一种制备可降解镁合金成型胚料的方法，包括以下步骤：

(1)制备一定合金比例的镁合金棒坯，所述镁合金棒坯的组成成分与权利要求1所述的可降解镁合金成型胚料相同。

(2)将镁合金棒坯加热至为250～350℃，然后保持温度0.5～2h。将加热镁合金棒坯所必要的模具加热系统升温至200～250℃，并保持这一温度。

(3)将保温的镁合金棒坯放置在模具加热系统保温，并于一组合式等温锻造模膛中进行锻造，使镁合金棒坯的截面逐渐减小至形成一符合加工需求的成型胚料，优选的是，所述制备可降解镁合金成型胚料的方法中，组合式等温锻造模膛使镁合金棒坯的截面变形依椭圆、菱形、椭圆、菱形、圆形的顺序变化，并使镁合金棒坯伸长而形成为所述的成型胚料。在模具变形时，控制单次变形量为20％～50％，累计变形量不低于70％。

为了实施本发明，本发明需要使用以下设备及原材料：

(1)一台施以锻造变形的设备，如1T的锤式锻造机；

(2)一套组合式多模膛锻造模具，安装于前述施以锻造变形的设备上，所述的组合式模膛由多组独立的模具组成；

(3)一套模具加热控温系统，用于保持组合式多模膛锻造模具的温度以进行等温锻造；

(4)一台加热设备，如一台箱式电阻炉或连续加热炉；

(5)用于成形使用的棒材，较佳使用以下。

(6)一用于模锻时加持成型胚料的模锻专用钳。

所述组合式等温锻造模膛由多组独立的模具组成，各组模具包括一上模1、一连接在上模的上模底座2、一下模3及一连接在下模的下模底座4，所述的上模和下模的模穴大小一致，且形状依据镁合金棒坯的截面逐渐变化及缩小。所述组合式等温锻造模膛由五组独立的模具所组成，如图1所示，每组模具的上模和下模的模穴由初始进料端依据椭圆51、菱形52、椭圆53、菱形54、圆形55的顺序变化且尺寸逐渐减小。每组上模设置有一导向柱6，每组下模上设置有一导向孔，所述导向柱6和所述导向孔通过滑动配合以实现定位。每组模具的上模与上模底座，下模与下模底座之间使用燕尾榫7进行连接，相邻模具，模具和模座之间用紧固结构8连接并限位。

本发明进一步提供可降解镁合金成型胚料的方法，其较佳实施例包括以下步骤：

(1)制备目标合金比例的镁合金棒坯。

(2)镁合金棒坯在加热设备(电阻炉)中加热至为250～350℃，然后保持温度0.5～2h。打开模具加热系统，将模具加热至200～250℃，并保持这一温度。

(3)将保温的镁合金棒坯放置在模具加热系统保温，并于一组合式等温锻造模膛中进行锻造，棒坯伸长，截面依次减小为椭圆、菱形、椭圆、菱形、圆形，使镁合金棒坯的截面逐渐减小至形成一符合加工需求的成型胚料。

进一步将成型胚料通过车削完成螺钉外形和螺纹，并铣削出梅花槽钉帽完可制备出机械强度高，应用范围更广泛的加压螺钉。

考虑到本发明所述的可降解镁合金材料，制造出的螺钉没有钛合金和不锈钢的机械强度高。因此，成型胚料在加压螺钉时，头部应用了梅花槽的设计结构，目的是为了在螺丝拧入的过程中，工具和6个凹槽的固定紧密，工具能更有效的传递力矩。此外，由于梅花槽由在凹面上接触，无应力集中，从而减少工具及螺丝头部破损的风险。为了进一步说明本发明的实施方式，本发明提供一具体的实施例1。

实施例1：

使用组合式多模膛模具，锻造直径12mm的Mg-3Zn-0.2Ca成型胚料为例，方法如下：

对直径30mm的Mg-3Zn-0.2Ca棒坯进行5道次等温模锻，得到直径为12mm的Mg-3Zn-0.2Ca成型胚料，每道次变形量如表1所示，经5道次变形后的所述Mg-3Zn-0.2Ca成型胚料的累积变形量为84％。

表1本实施例的等温模锻工艺参数

锻造道次坯料温度模具温度模具截面积道次变形量(％)1270200565.520.0％2270200361.036.2％3270200245.032.1％4270200169.031.0％5270200113.133.1％

本实例制备的Mg-3Zn-0.2Ca成型胚料的抗拉强度强度为410MPa，屈服强度为340MPa，延伸率为10.8％。而采用传统挤压方法加工的同尺寸的Mg-3Zn-0.2Ca成型胚料的抗拉强度强度为270MPa，屈服强度为210MPa。由此可见，本实施例的Mg-3Zn-0.2Ca成型胚料的抗拉强度比传统挤压法制备的Mg-3Zn-0.2Ca成型胚料的抗拉强度高51.9％，屈服强度高61.9％。

此外，请参阅图2和图3，与传统挤压工艺制备的镁合金成型胚料相比，通过此方法制备的镁合金成型胚料，晶粒细化并且均匀，边缘和芯部的晶粒平均在1～3μm之间。

请参阅图4和图5，成型胚料经过车削加工出螺钉的毛坯，再经过铣削加工出梅花槽的钉帽，再通过车削或者铣削加工出螺纹。

以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。