一种耐蚀生物镁合金及其制备方法技术领域：
本发明属于生物医用金属材料领域，具体涉及一种Mg-Zn-Mn-Sn系生物医用变形
镁合金及其制备方法。
背景技术
生物医用材料是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官或增进其功能的一
类高技术新材料。随着中国社会人口老龄化加快、中、青年创伤的增加，高新技术的注入，以
及人对自身健康的关注度随经济发展提高，生物医用材料产业将高速发展。目前，已经应用
于临床的生物医用材料主要包括：医用金属材料、医用高分子材料、医用陶瓷材料，以及上
述几种材料制备的生物医用复合材料。在上述的几种医用材料中，医用金属材料是临床中
应用最为广泛的一类外科植入材料。其具有较高的强度。良好的韧性、抗弯曲疲劳强度以及
优良的加工成型性能，具有其他类型医用材料不可替代的优良性能。
传统的医用金属材料主要是不锈钢、钛合金、钴铬合金等，其在使用上都存在一定
的缺陷。如由于腐蚀或磨损造成金属离子脱落引起炎症。钛合金和钴铬合金弹性模量与天
然骨的弹性模量相差太大，作为骨科植入物时会引起应力遮挡效应，不利于骨的愈合，容易
造成二次骨折。此外，由于这些材料在体内不能进降解，需要二次手术取出，增加了医疗成
本加重了病人的痛苦。因此，针对现有生物植入材料的缺陷，开发新型医用金属植入材料需
要具有良好的生物相容性，优异的力学性能，且能自动降解被人体吸收。镁合金材料恰好是
满足这些应用要求的一类新型医用金属材料。
镁合金作为医用金属材料具有以下优点：(1)具有良好的生物相容性，无毒可在人
体内降解，其降解产物不会对人体产生危害。(2)镁合金的弹性模量为45GPa左右，与人骨的
弹性模量接近，作为骨科植入物能够有效的减轻“应力遮挡效应”。(3)具有较高的比强度和
比刚度，而且加工性能好，能够满足医用植入材料的要求。(4)资源丰富，价格低廉。因此，镁
合金作为可降解医用金属材料具有广阔的应用前景。但是镁合金也存在一些缺陷，限制了
其作为医用材料的一些应用。其中限制镁合金使用的一个关键因素就是耐腐蚀性能差，尤
其是在含有Cl-离子的介质中，其腐蚀速率会加快。作为植入材料，镁合金腐蚀过快会导致
析氢速率较大、体内环境pH值快速升高发生异常反应，还将导致机械性能下降不能满足作
为骨科植入物力学性能的要求。
综上所述，解决镁合金腐蚀速率过快问题将成为镁合金作为植入材料应用的关
键。而研究表明：镁的合金化和变形加工可以明显的改善镁合金的耐腐蚀性能。因此，选择
具有较好生物相容性的Zn、Mn、Sn等元素，采用微合金化并通过挤压工艺细化晶粒组织来提
高镁合金的耐腐蚀性能，从而满足镁合金作为医用材料对腐蚀性能的要求。这对提高镁合
金在生物医用领域的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐蚀生物医用变形镁合金及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种生物医用变形镁合金，其特征在于该镁合金各组分及其质量百分含量为：Sn
1-4％，Mn 0.01-1％，Zn 0.05-1％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
所述镁合金中组分Zn、Mn、Sn和不可避免的杂质元素所占质量百分含量不大于
5％。
上述生物医用变形镁合金组成物相为长条状相。
所述医用镁合金的制备方法包括以下步骤：
(1)原料准备：实验原材料分别为纯镁(99.9wt.％)、纯锌(99.99wt.％)、纯锡
(99.99wt.％)和Mg-Mn中间合金(优选Mg-7.4wt.％Mn中间合金)；将原材料表面用砂轮打磨
清理，清除表面氧化物，以减少熔炼杂质的产生。
(2)熔炼：将纯石墨坩埚放在电阻炉中预热，待炉温升至300-500℃后，向炉中通入
N2和SF6混合气体；其中，N2和SF6的流量体积比是100:1；通保护气体5-10min后将纯镁锭放
入坩埚，将炉温升至680-760℃，待纯镁锭完全熔化，按照纯锌、Mg-Mn中间合金、纯锡的顺序
添加熔炼；每添加一种原材料，待原材料完全熔化后匀速、逆时针搅拌5-8min后静置，最后
将熔体温度降至720℃，静置保温30min。整个熔炼过程持续通入N2+SF6的混合保护气体，防
止镁合金熔体的氧化或燃烧。
(3)浇铸：扒渣，随后将熔液匀速浇入预热的金属模具，凝固后脱模得到镁合金铸
锭，金属模具的预热温度为200℃，浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在模具内通入保护
气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护。
(4)挤压加工：将步骤(3)得到的镁合金铸锭在300-400℃预热，然后在预热温度下
挤压，挤压速度为0.5-2.5mm/s，挤压比为10:1。
在制备的过程中纯锌的加入量需额外增加10％作为烧损。
本发明镁合金室温拉伸强度可达180MPa-300MPa，延伸率可达12％-20％。在Hank’
s模拟体液中的腐蚀速率为0.2mm/y-0.8mm/y。
可作为骨科植入物应用：如骨钉、骨板等。还可应用于医用心血管支架产品。
本发明的有益效果在于：
1.本发明镁合金具有较好生物相容性。添加的Sn、Zn、Mn合金化元素均为人体机能
必不可少的元素，并采用微量化的理念来制备合金。该镁合金的降解产物对人体无毒害作
用，可被人体完全吸收。
2.本发明镁合金具有优异的耐腐蚀性能。熔炼合金的原材料均为高纯物质，整个
熔炼过程完全在保护气体下进行，避免不必要的杂质和氧化物进入熔体，提高了合金的纯
度，从而有利于提高合金的耐腐蚀性能。微量的Mn元素的添加能除去其它重金属元素避免
生成有害的晶间化合物来提高合金的耐蚀性。通过挤压加工工艺，细化合金晶粒组织，明显
提高镁合金的耐腐蚀性能。
3.本发明镁合金具有良好的力学性能。Zn和Mn具有固溶强化作用。另外，Sn容易和
其它合金元素或金属杂质形成化合物，能进一步加强固溶强化效果。通过挤压加工工艺，能
够显著细化合金的晶粒，提高合金的屈服强度。
4.本发明通过合理的合金成分设计及挤压加工工艺，所制得的Mg-Sn-Zn-Mn系镁
合金的降解速率和力学性能可调，能够满足镁合金作为医用植入材料对其腐蚀性能和机械
性能的要求。
5.本制备方法具有原材料成本低、制备工艺简单易操作等优点。
附图说明
图1为实施例1中镁合金的光学金相照片。
图2为实施例1中镁合金的应力应变曲线.
图3为实施例1中镁合金的极化曲线。
具体实施方式：
如下结合具体的实施案例进一步说明本发明，指出的是：以下实施案例只用于说
明本发明的具体实施方法，并不能限制本发明权利保护范围。
实施例1
铸态Mg-4.0wt％Sn-0.2wt％Mn-0.2wt％Zn镁合金的制备
1)原料准备：试验原材料分别为纯镁(99.9wt.％)、纯锌(99.99wt.％)(按10％烧
损计算)、纯锡(99.99wt.％)和Mg-7.4wt.％Mn中间合金(按30％烧损计算)，并将原材料用
砂轮打磨除去表面氧化物。
2)熔炼：为防止镁合金熔体的氧化或燃烧，整个熔炼过程持续通入N2+SF6的混合保
护气体，其中，N2和SF6的流量比是100:1；
a)将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具在200℃烘箱中烘干待用；
b)将处理好的坩埚放入电阻炉中，设定温度为300℃，待炉温达到时，通入保护气
体；
c)通入保护气体5-8min后加入打磨好的高纯镁锭，同时炉温升至760℃；
d)待镁锭完全熔化后，加入高纯锌，待锌完全熔化后，匀速、逆时针搅拌5min，炉温
降为740℃，保温15min后加入Mg-7.4wt.％Mn中间合金，待Mg-7.4wt.％Mn中间合金完全熔
化后匀速、逆时针搅拌5min，740℃保温15min后加入纯锡粒，待纯锡粒熔化后，匀速、逆时针
搅拌5min；
e)炉温设为720℃，静置30min，扒渣。
3)浇铸：取出坩埚，进行浇铸；浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在铸型内通入
保护气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护，将熔液匀速浇入200℃预热后
的金属模具，凝固后脱模得到合金铸锭。
4)挤压加工：将合金制备步骤3)得到的镁合金铸锭加工成的挤压锭，然后
将挤压锭和挤压模具一起在300-350℃预热，随后在预热温度下挤压，挤压速度为0.5-
2.5mm/s，挤压比为10:1。
5)在Hank’s模拟体液中合金腐蚀速率为0.8mm/y。
实施例2：
铸态Mg-3.0wt％Sn-0.01wt％Mn-0.5wt％Zn镁合金的制备
1)原料准备：试验原材料分别为纯镁(99.9wt.％)、纯锌(99.99wt.％)(按10％烧
损计算)、纯锡(99.99wt.％)和Mg-7.4wt.％Mn中间合金，并将原材料用砂轮打磨除去表面
氧化物。
2)熔炼：为防止镁合金熔体的氧化或燃烧，整个熔炼过程持续通入N2+SF6的混合保
护气体，其中，N2和SF6的流量比是100:1；
a)将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具在200℃烘箱中烘干待用；
b)将处理好的坩埚放入电阻炉中，设定温度为300℃，待炉温达到时，通入保护气
体；
c)通入保护气体5-8min后加入打磨好的高纯镁锭，同时炉温升至760℃；
d)待镁锭完全熔化后，加入高纯锌，待锌完全熔化后，匀速、逆时针搅拌5min，炉温
降为740℃，保温15min后加入Mg-7.4wt.％Mn中间合金，待Mg-7.4wt.％Mn中间合金完全熔
化后匀速、逆时针搅拌5min，740℃保温15min后加入纯锡粒，待纯锡粒熔化后，匀速、逆时针
搅拌5min；
e)炉温设为720℃，静置30min，扒渣。
3)浇铸：取出坩埚，进行浇铸；浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在铸型内通入
保护气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护，将熔液匀速浇入200℃预热后
的金属模具，凝固后脱模得到合金铸锭。
4)挤压加工：将合金制备步骤3)得到的镁合金铸锭加工成的挤压锭，然后
将挤压锭和挤压模具一起在300-350℃预热，随后在预热温度下挤压，挤压速度为0.5-
2.5mm/s，挤压比为10:1。
5)在Hank’s模拟体液中合金腐蚀速率为0.5mm/y。
实施例3：
铸态Mg-1.0wt％Sn-1wt％Mn-0.05wt％Zn镁合金的制备
1)原料准备：试验原材料分别为纯镁(99.9wt.％)820g、纯锌(99.99wt.％)10.9g
(按10％烧损计算)、纯锡(99.99wt.％)0.54g(按30％烧损计算)和Mg-7.4wt.％Mn中间合金
174.9g(按30％烧损计算)，并将原材料用砂轮打磨除去表面氧化物。
2)熔炼：为防止镁合金熔体的氧化或燃烧，整个熔炼过程持续通入N2+SF6的混合保
护气体，其中，N2和SF6的流量比是100:1；
a)将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具在200℃烘箱中烘干待用；
b)将处理好的坩埚放入电阻炉中，设定温度为300℃，待炉温达到时，通入保护气
体；
c)通入保护气体5-8min后加入打磨好的高纯镁锭，同时炉温升至760℃；
d)待镁锭完全熔化后，加入高纯锌，待锌完全熔化后，匀速、逆时针搅拌5min，炉温
降为740℃，保温15min后加入Mg-7.4wt.％Mn中间合金，待Mg-7.4wt.％Mn中间合金完全熔
化后匀速、逆时针搅拌5min，740℃保温15min后加入纯锡粒，待纯锡粒熔化后，匀速、逆时针
搅拌5min；
e)炉温设为720℃，静置30min，扒渣。
3)浇铸：取出坩埚，进行浇铸；浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在铸型内通入
保护气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护，将熔液匀速浇入200℃预热后
的金属模具，凝固后脱模得到合金铸锭。
4)挤压加工：将合金制备步骤3)得到的镁合金铸锭加工成的挤压锭，然后
将挤压锭和挤压模具一起在300-350℃预热，随后在预热温度下挤压，挤压速度为0.5-
2.5mm/s，挤压比为10:1。
5)在Hank’s模拟体液中合金腐蚀速率为0.40mm/y。
实施例4：
铸态Mg-2.0wt％Sn-0.5wt％Mn-1wt％Zn镁合金的制备
1)原料准备：试验原材料分别为纯镁(99.9wt.％)、纯锌(99.99wt.％)、纯锡
(99.99wt.％)和Mg-7.4wt.％Mn中间合金，并将原材料用砂轮打磨除去表面氧化物。
2)熔炼：为防止镁合金熔体的氧化或燃烧，整个熔炼过程持续通入N2+SF6的混合保
护气体，其中，N2和SF6的流量比是100:1；
a)将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具在200℃烘箱中烘干待用；
b)将处理好的坩埚放入电阻炉中，设定温度为300℃，待炉温达到时，通入保护气
体；
c)通入保护气体5-8min后加入打磨好的高纯镁锭，同时炉温升至760℃；
d)待镁锭完全熔化后，加入高纯锌，待锌完全熔化后，匀速、逆时针搅拌5min，炉温
降为740℃，保温15min后加入Mg-7.4wt.％Mn中间合金，待Mg-7.4wt.％Mn中间合金完全熔
化后匀速、逆时针搅拌5min，740℃保温15min后加入纯锡粒，待纯锡粒熔化后，匀速、逆时针
搅拌5min；
e)炉温设为720℃，静置30min，扒渣。
3)浇铸：取出坩埚，进行浇铸；浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在铸型内通入
保护气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护，将熔液匀速浇入200℃预热后
的金属模具，凝固后脱模得到合金铸锭。
4)挤压加工：将合金制备步骤3)得到的镁合金铸锭加工成的挤压锭，然后
将挤压锭和挤压模具一起在300-350℃预热，随后在预热温度下挤压，挤压速度为0.5-
2.5mm/s，挤压比为10:1。
5)在Hank’s模拟体液中合金腐蚀速率为0.35mm/y。
实施例5
铸态Mg-1.0wt％Sn-0.2wt％Mn-1wt％Zn镁合金的制备
3)原料准备：试验原材料分别为纯镁(99.9wt.％)、纯锌(99.99wt.％)、纯锡
(99.99wt.％)和Mg-7.4wt.％Mn中间合金，并将原材料用砂轮打磨除去表面氧化物。
4)熔炼：为防止镁合金熔体的氧化或燃烧，整个熔炼过程持续通入N2+SF6的混合保
护气体，其中，N2和SF6的流量比是100:1；
f)将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具在200℃烘箱中烘干待用；
g)将处理好的坩埚放入电阻炉中，设定温度为300℃，待炉温达到时，通入保护气
体；
h)通入保护气体5-8min后加入打磨好的高纯镁锭，同时炉温升至760℃；
i)待镁锭完全熔化后，加入高纯锌，待锌完全熔化后，匀速、逆时针搅拌5min，炉温
降为740℃，保温15min后加入Mg-7.4wt.％Mn中间合金，待Mg-7.4wt.％Mn中间合金完全熔
化后匀速、逆时针搅拌5min，740℃保温15min后加入纯锡粒，待纯锡粒熔化后，匀速、逆时针
搅拌5min；
j)炉温设为720℃，静置30min，扒渣。
6)浇铸：取出坩埚，进行浇铸；浇铸时为防止发生氧化或者燃烧，先在铸型内通入
保护气体，浇铸过程中往液流处连续输送保护气体进行保护，将熔液匀速浇入200℃预热后
的金属模具，凝固后脱模得到合金铸锭。
7)挤压加工：将合金制备步骤3)得到的镁合金铸锭加工成的挤压锭，然后
将挤压锭和挤压模具一起在300-350℃预热，随后在预热温度下挤压，挤压速度为0.5-
2.5mm/s，挤压比为10:1。
8)在Hank’s模拟体液中合金腐蚀速率为0.2mm/y。
实施例2-5具有与实施例1相似的光学金相照片、应力应变曲线、极化曲线，镁合金
室温拉伸强度可达180MPa-300MPa，延伸率可达12％-20％。
尽管这里已详细列出并说明了优选实施案例，但本领域技术人员可知，可在不脱
离本发明精髓的情况下进行各种改进、添加、替换等方式，这些内容都被认定为属于权利要
求所限定的本发明的范围之内。