鈍化處理對Co-Cr-Mo合金摩擦性能的影響

2014-12-18 郭飛飛西安交通大學潤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。標準摩擦試驗考察了不同溫度鈍化試樣在牛血清白蛋白溶液潤滑下的摩擦學特性。表面輪廓儀、硬度測試儀、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、硬度及化學組成物質(zhì)，并探討了摩擦磨損機理。結(jié)果表明: 鈍化后試樣表面均有尖晶石狀Cr2O3晶體生長現(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，能夠有效地延長臨床使用壽命，尤其受到年輕和活躍運動患者的歡迎。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) 暴露在空氣下都會發(fā)生鈍化，表面鈍化層阻止了深層材料的進一步腐蝕，起到了一定的保護作用。對于人工關(guān)節(jié)用材料而言，機體內(nèi)的微環(huán)境( 體溫37℃，鹽分、有機成分共存) 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.mp99x.cn/)認為微環(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)點很少有報道。

1、實驗部分

　　1.1、試驗材料

　　試驗用Co-Cr-Mo 合金，其組成成分見表1。原始棒材直徑為30 mm，經(jīng)機械加工得到尺寸為12 mm ×6mm ×2.5 mm( 長× 寬× 高) 的試樣，供試驗使用。試驗用所有試樣均經(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 合金試樣的化學組分

Co-Cr-Mo 合金試樣的化學組分

　　1.2、試驗方法

　　試驗用設(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，未處理試樣作為對照組) 。

　　1.3、摩擦磨損試驗

　　銷-盤式往復(fù)摩擦試驗機UMT-2(CETR CorporationLtd，美國) 用于測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，銷長度為10 mm。豎直方向上固定于夾具內(nèi)，靜止不動。試樣水平固定在槽內(nèi)，設(shè)置往復(fù)運動頻率為1 Hz，行程為5 mm。銷-盤之間的接觸壓力為3.6 MPa，測試時間60 min。潤滑介質(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) 。摩擦試驗中，計算機實時在線采集并處理力傳感器信號得到摩擦系數(shù)值。所有摩擦試驗均在室溫下進行，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) 和英國的能譜(EDS)分析鈍化膜的化學組成物質(zhì)。時代TR200 型表面粗糙度儀測試鈍化膜的表面粗糙度，通過TWVS-1 型數(shù)字顯微硬度測試計測試表面硬度的變化。