采用高溫氣體滲碳技術(shù)，對(duì)醫(yī)用鍛造鈷鉻鉬合金進(jìn)行表面滲碳處理�？疾炝烁邷貪B碳行為對(duì)鈷鉻鉬合金性能的影響。運(yùn)用XRD、顯微硬度計(jì)和光學(xué)動(dòng)/靜態(tài)接觸角儀等分析手段對(duì)滲碳層的物相組成、表面硬度及潤(rùn)濕性能進(jìn)行分析及測(cè)量；利用球-盤(pán)摩擦實(shí)驗(yàn)在Tyrode’s 溶液潤(rùn)滑條件下對(duì)滲碳層的摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：醫(yī)用鍛造鈷鉻鉬合金經(jīng)高溫滲碳處理后，形成致密的硬質(zhì)化合物相Cr3C2，合金硬度較未處理試樣明顯升高，最高可達(dá)560 HV。與未處理合金試樣相比，滲碳合金的親水性及耐磨損性得到明顯改善，耐磨損性提高近3 倍。

　　引言

　　人口老齡化進(jìn)程的加快及生物材料的發(fā)展使得人工假體的需求日益增加。鈷基合金因良好的力學(xué)性能，較低的磨損率及良好的耐腐蝕性和生物相容性而廣泛應(yīng)用于臨床及醫(yī)療領(lǐng)域。鈷鉻鉬合金作為鈷基合金的常用材料之一，被廣泛應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)置換及骨外固定等。鈷鉻鉬合金是以鈷為主要組分，添加一定比例鉻、鉬等金屬元素所形成的固溶體，鉬元素可以細(xì)化晶粒，阻止位錯(cuò)產(chǎn)生，提高合金強(qiáng)度；鉻元素以氧化物形式存在于合金表面，能有效提高合金耐腐蝕及耐摩擦性能。

　　醫(yī)用鈷鉻鉬合金主要分為鑄造合金和鍛造合金兩種，鍛造合金因具有較細(xì)粒度及較高的拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，能承受較大負(fù)荷而被廣泛應(yīng)用于膝髖關(guān)節(jié)的置換。有研究表明：醫(yī)用鈷鉻鉬合金植入人體后因合金表面鈍化層較薄極易被破壞，在機(jī)械磨損過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑使得炎性細(xì)胞產(chǎn)生，誘導(dǎo)溶骨癥發(fā)生；而微動(dòng)腐蝕的發(fā)生將會(huì)釋放出Co、Cr、Ni 等引起內(nèi)皮細(xì)胞死亡的毒性離子，最終導(dǎo)致假體植入失敗。因此利用表面改性技術(shù)對(duì)鈷鉻鉬合金進(jìn)行表面改性研究，在提高其機(jī)械、耐磨及耐腐蝕性能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少有毒離子的釋放，成為廣大學(xué)者重點(diǎn)研究的課題之一。

　　等離子體氮化、碳化及離子注入等醫(yī)用鈷鉻鉬合金常用表面改性方法，雖因表面硬質(zhì)氮化物或碳化物的形成，使得耐磨及耐腐蝕性能得到顯著提高，但由于改性層厚度有限，難以滿足承重及頻繁運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)假體的需求。高溫氣體滲碳作為常用表面改性方法之一，改性層致密且厚度可達(dá)幾十微米，能夠有效提高基體耐摩擦性能，同時(shí)對(duì)基體與體液環(huán)境直接接觸進(jìn)行有效隔離，減少有毒離子的釋放。鑒于此，文章采用高溫氣體滲碳技術(shù)，對(duì)醫(yī)用鍛造鈷鉻鉬合金進(jìn)行高溫滲碳處理，對(duì)其滲碳前后的組織結(jié)構(gòu)、摩擦性能及潤(rùn)濕性能進(jìn)行分析。

1、實(shí)驗(yàn)材料和方法

　　1.1、樣品制備

　　實(shí)驗(yàn)采用醫(yī)用鍛造鈷鉻鉬合金(ISO 5832-12)為碳化試樣，規(guī)格為Ф30 mm×5 mm，抗拉強(qiáng)度為700 MPa，延伸率3%，其成分如表1所示。試樣預(yù)先用丙酮和鹽酸清洗去除表面污染物和鈍化層，再依次用320#至1 200#砂紙分別進(jìn)行水磨，最后進(jìn)行拋光處理。氣體滲碳前，用無(wú)水乙醇和去離子水超聲波清洗20 min，用吹風(fēng)機(jī)烘干后，放入自行設(shè)計(jì)的真空管式爐中進(jìn)行高溫滲碳處理。

表1 CoCrMo合金成分

　　實(shí)驗(yàn)用高溫真空管式爐，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。真空室由外徑Φ80 mm，內(nèi)徑Φ60 mm，長(zhǎng)1 200 mm的石英管構(gòu)成，經(jīng)機(jī)械泵和分子泵聯(lián)合抽氣，本底真空可至10^-4 Pa；石英管徑長(zhǎng)為500 mm的電阻爐加熱，溫度最高可至1 200 ℃。滲碳具體工藝：為使布?xì)饩鶆颍�真空室中加入石英舟，鈷鉻鉬合金試樣放入石英舟中，高溫滲碳過(guò)程中為防止試樣氧化，除通入工作氣體CH4外，還需通入保護(hù)性體Ar，滲碳溫度分別為900 ℃、950 ℃和1 000 ℃，工作壓力100 Pa，時(shí)間4 h，滲碳結(jié)束后繼續(xù)通Ar隨爐冷卻至室溫。

圖1 高溫滲碳裝置示意圖

　　1.2、樣品分析測(cè)試

　　PW3040/60(PANalytical B.V.)型X射線衍射儀對(duì)高溫滲碳前后鈷鉻鉬合金物相進(jìn)行分析及確定；401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試滲碳前后鈷鉻鉬合金試樣硬度，試驗(yàn)載荷分別為100 gf、200 gf、300 gf和500 gf，保荷時(shí)間10 s，測(cè)量4次后取平均值，定為最終顯微硬度值；TR200粗糙度檢測(cè)儀測(cè)試滲碳前后鈷鉻鉬合金試樣表面粗糙度，測(cè)量3次后取平均值；SL200系列光學(xué)動(dòng)/靜態(tài)接觸角儀測(cè)定試樣潤(rùn)濕性能，測(cè)試液體為蒸餾水，水滴滴在試樣3個(gè)不同位置，利用動(dòng)靜態(tài)接觸角計(jì)算軟件DSCA獲得接觸角數(shù)值，取平均值作為該試樣的接觸角；摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在HT-500型球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為濕摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦副為SiN 陶瓷球，試驗(yàn)載荷500 g，轉(zhuǎn)速168 r/min，磨損時(shí)間3 000 s，潤(rùn)滑液選用Tyrode’s溶液，成分為：NaCl(8.0 g/L)，KCl(0.2 g/L)，CaCl2(0.27 g/L)，MgCl2(0.21 g/L)，Na2CO3(1.0 g/L)，Na2HPO4(1.0 g/L)，C6H12O6(1.0 g/L)。

4、結(jié)論

　　(1)高溫滲碳處理后，醫(yī)用鍛造鈷鉻鉬合金因滲碳層中致密硬質(zhì)化合物Cr3C2的生成，合金表面顯微硬度值得到提高，硬度最高可達(dá)560 HV，是未處理試樣表面硬度的1.75倍；

　　(2)高溫滲碳處理能明顯改善合金表面潤(rùn)濕性，滲碳溫度為1 000 ℃時(shí)接觸角最小為15.82°，親水性能最佳；

　　(3)Tyrode’s溶液潤(rùn)滑條件下，高溫滲碳處理合金試樣因表面粗糙度的增加，摩擦系數(shù)有所增加并高于未處理合金試樣；鈷鉻鉬合金試樣磨損率及磨痕寬度隨滲碳溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1 000 ℃時(shí)磨損率最低，磨痕寬度最窄，耐磨損性能得到明顯提高。