鈍化處理對(duì)Co-Cr-Mo合金摩擦性能的影響

2014-12-18 郭飛飛西安交通大學(xué)潤(rùn)滑理論與軸承研究所

　　利用高溫鈍化處理方法，在Co-Cr-Mo 合金表面得到鈍化膜。標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗(yàn)考察了不同溫度鈍化試樣在牛血清白蛋白溶液潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)特性。表面輪廓儀、硬度測(cè)試儀、掃描電鏡及X-射線衍射光譜儀分別表征了鈍化膜的表面形貌、硬度及化學(xué)組成物質(zhì)，并探討了摩擦磨損機(jī)理。結(jié)果表明: 鈍化后試樣表面均有尖晶石狀Cr2O3晶體生長(zhǎng)現(xiàn)象。鈍化膜厚度及表面粗糙度、硬度均隨鈍化溫度升高而增大。由于試樣鈍化后硬度增加，接觸面間摩擦剪切力減小，從而引起摩擦系數(shù)值的降低。鈍化試樣表面耐磨性提高，其磨損形貌受到初始表面粗糙度及鈍化膜與基材的結(jié)合力的綜合影響。

　　Co-Cr-Mo 合金憑借良好的生物相容性，耐磨性和抗腐蝕性能廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)假體臨床研究。由于其具有較低的磨損速率，能夠有效地延長(zhǎng)臨床使用壽命，尤其受到年輕和活躍運(yùn)動(dòng)患者的歡迎。盡管如此，磨損產(chǎn)生的磨屑仍有可能導(dǎo)致部分骨溶解，而由磨損加劇的合金腐蝕同樣引起廣泛的關(guān)注。

　　眾所周知，幾乎所有金屬或合金( 金等除外) 暴露在空氣下都會(huì)發(fā)生鈍化，表面鈍化層阻止了深層材料的進(jìn)一步腐蝕，起到了一定的保護(hù)作用。對(duì)于人工關(guān)節(jié)用材料而言，機(jī)體內(nèi)的微環(huán)境( 體溫37℃，鹽分、有機(jī)成分共存) 為材料表面鈍化提供了更為有利的條件。有研究報(bào)道，由于受到體液的腐蝕，Co-Cr-Mo 合金表面極易鈍化。鈍化層厚度在2.5 nm 左右，且鈍化層的主要成分為鉻氧化物(Cr2O3) 及水合物(Cr(OH)3) 。然而，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為微環(huán)境內(nèi)的生物分子極易吸附在假體表面，導(dǎo)致接觸區(qū)氧擴(kuò)散能力降低，表現(xiàn)為生成的鈍化膜不均勻，這在某種程度上加劇了磨損的速率及離子釋放水平。

　　通過表面處理改善材料表面性能具有重要的意義。本文旨在對(duì)Co-Cr-Mo 合金通過體外高溫鈍化處理方法得到表面鈍化膜，研究其在生物介質(zhì)下的摩擦行為。盡管Co-Cr-Mo 合金的高溫鈍化過程已有研究，然而報(bào)道多集中于合金抗高溫性能或者合金在高溫條件下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化過程，以人工關(guān)節(jié)假體鈍化膜為研究出發(fā)點(diǎn)很少有報(bào)道。

1、實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1、試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)用Co-Cr-Mo 合金，其組成成分見表1。原始棒材直徑為30 mm，經(jīng)機(jī)械加工得到尺寸為12 mm ×6mm ×2.5 mm( 長(zhǎng)× 寬× 高) 的試樣，供試驗(yàn)使用。試驗(yàn)用所有試樣均經(jīng)過相同的處理過程：首先將試樣鑲嵌于酚醛樹脂中形成直徑30 mm 的圓盤，然后依次經(jīng)由400#，600#，800#，1000#砂紙打磨，且最終金相拋光至表面粗糙度在30 nm 左右。最后，取出鑲嵌的試樣并超聲清洗10 min 以便于去除表面雜質(zhì)。所有試樣均在烘箱中70℃下放置30 min 烘干。

表1 Co-Cr-Mo 合金試樣的化學(xué)組分

Co-Cr-Mo 合金試樣的化學(xué)組分

　　1.2、試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)用設(shè)備為真空管式爐( 南京南大儀器有限公司) 。鈍化溫度分別選取為900 和1000℃。鈍化過程如下：清洗準(zhǔn)備好的試樣與剛玉坩堝，用鑷子夾取試樣置入舟形剛玉坩堝，然后用爐鉤推送至爐管內(nèi)恒溫區(qū)域。給管式爐供電，爐管內(nèi)溫度升高，在達(dá)到設(shè)定溫度后大氣環(huán)境下恒溫鈍化1 h，最后試樣隨爐冷卻。每種溫度下的操作方法保持一致性。為了便于區(qū)分，不同試樣以字母S 和溫度的組成形式來代替( 例如900℃鈍化后試樣為S900，未處理試樣作為對(duì)照組) 。

　　1.3、摩擦磨損試驗(yàn)

　　銷-盤式往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)UMT-2(CETR CorporationLtd，美國(guó)) 用于測(cè)試表面鈍化膜的摩擦行為。銷的材料為同種Co-Cr-Mo 合金，端面為平面且直徑為3 mm，銷長(zhǎng)度為10 mm。豎直方向上固定于夾具內(nèi)，靜止不動(dòng)。試樣水平固定在槽內(nèi)，設(shè)置往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率為1 Hz，行程為5 mm。銷-盤之間的接觸壓力為3.6 MPa，測(cè)試時(shí)間60 min。潤(rùn)滑介質(zhì)為牛血清白蛋白溶液(濃度2 mg /ml，基礎(chǔ)溶液為0.9% 生理鹽水) 。摩擦試驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線采集并處理力傳感器信號(hào)得到摩擦系數(shù)值。所有摩擦試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，濕度為40%。

　　1.4、表面分析方法

　　采用掃描電子顯微鏡(SEM，捷克) 觀察試樣表面微觀形貌，借助Philips 公司X-射線衍射光譜儀(XRD) 和英國(guó)的能譜(EDS)分析鈍化膜的化學(xué)組成物質(zhì)。時(shí)代TR200 型表面粗糙度儀測(cè)試鈍化膜的表面粗糙度，通過TWVS-1 型數(shù)字顯微硬度測(cè)試計(jì)測(cè)試表面硬度的變化。