醫用鍛造CoCrMo合金高溫滲碳性能研究

2014-11-17 徐林東北大學機械工程與自動化學院

　　采用高溫氣體滲碳技術，對醫用鍛造鈷鉻鉬合金進行表面滲碳處理。考察了高溫滲碳行為對鈷鉻鉬合金性能的影響。運用XRD、顯微硬度計和光學動/靜態接觸角儀等分析手段對滲碳層的物相組成、表面硬度及潤濕性能進行分析及測量；利用球-盤摩擦實驗在Tyrode’s 溶液潤滑條件下對滲碳層的摩擦磨損性能進行測試。結果表明：醫用鍛造鈷鉻鉬合金經高溫滲碳處理后，形成致密的硬質化合物相Cr3C2，合金硬度較未處理試樣明顯升高，最高可達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

　　人口老齡化進程的加快及生物材料的發展使得人工假體的需求日益增加。鈷基合金因良好的力學性能，較低的磨損率及良好的耐腐蝕性和生物相容性而廣泛應用于臨床及醫療領域。鈷鉻鉬合金作為鈷基合金的常用材料之一，被廣泛應用于人工關節置換及骨外固定等。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，鉬元素可以細化晶粒，阻止位錯產生，提高合金強度；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粒度及較高的拉伸強度和疲勞強度，能承受較大負荷而被廣泛應用于膝髖關節的置換。有研究表明：醫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，在機械磨損過程中產生的磨屑使得炎性細胞產生，誘導溶骨癥發生；而微動腐蝕的發生將會釋放出Co、Cr、Ni 等引起內皮細胞死亡的毒性離子，最終導致假體植入失敗。因此利用表面改性技術對鈷鉻鉬合金進行表面改性研究，在提高其機械、耐磨及耐腐蝕性能基礎上，進一步減少有毒離子的釋放，成為廣大學者重點研究的課題之一。

　　等離子體氮化、碳化及離子注入等醫用鈷鉻鉬合金常用表面改性方法，雖因表面硬質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動的關節假體的需求。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幾十微米，能夠有效提高基體耐摩擦性能，同時對基體與體液環境直接接觸進行有效隔離，減少有毒離子的釋放。鑒于此，文章采用高溫氣體滲碳技術，對醫用鍛造鈷鉻鉬合金進行高溫滲碳處理，對其滲碳前后的組織結構、摩擦性能及潤濕性能進行分析。

1、實驗材料和方法

　　1.1、樣品制備

　　實驗采用醫用鍛造鈷鉻鉬合金(ISO 5832-12)為碳化試樣，規格為Ф30 mm×5 mm，抗拉強度為700 MPa，延伸率3%，其成分如表1所示。試樣預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#砂紙分別進行水磨，最后進行拋光處理。氣體滲碳前，用無水乙醇和去離子水超聲波清洗20 min，用吹風機烘干后，放入自行設計的真空管式爐中進行高溫滲碳處理。

表1 CoCrMo合金成分

CoCrMo合金成分

　　實驗用高溫真空管式爐，系統結構如圖1所示。真空室由外徑Φ80 mm，內徑Φ60 mm，長1 200 mm的石英管構成，經機械泵和分子泵聯合抽氣，本底真空可至10^-4 Pa；石英管徑長為500 mm的電阻爐加熱，溫度最高可至1 200 ℃。滲碳具體工藝：為使布氣均勻，真空室中加入石英舟，鈷鉻鉬合金試樣放入石英舟中，高溫滲碳過程中為防止試樣氧化，除通入工作氣體CH4外，還需通入保護性體Ar，滲碳溫度分別為900 ℃、950 ℃和1 000 ℃，工作壓力100 Pa，時間4 h，滲碳結束后繼續通Ar隨爐冷卻至室溫。

高溫滲碳裝置示意圖

圖1 高溫滲碳裝置示意圖

　　1.2、樣品分析測試

　　PW3040/60(PANalytical B.V.)型X射線衍射儀對高溫滲碳前后鈷鉻鉬合金物相進行分析及確定；401MVD數顯顯微維氏硬度計測試滲碳前后鈷鉻鉬合金試樣硬度，試驗載荷分別為100 gf、200 gf、300 gf和500 gf，保荷時間10 s，測量4次后取平均值，定為最終顯微硬度值；TR200粗糙度檢測儀測試滲碳前后鈷鉻鉬合金試樣表面粗糙度，測量3次后取平均值；SL200系列光學動/靜態接觸角儀測定試樣潤濕性能，測試液體為蒸餾水，水滴滴在試樣3個不同位置，利用動靜態接觸角計算軟件DSCA獲得接觸角數值，取平均值作為該試樣的接觸角；摩擦磨損實驗在HT-500型球-盤摩擦磨損試驗機上進行，為濕摩擦磨損試驗，摩擦副為SiN 陶瓷球，試驗載荷500 g，轉速168 r/min，磨損時間3 000 s，潤滑液選用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)。