PDF《表面改性对医用奥氏体不锈钢微动磨损性能的影响1》

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1 - 表面改性对医用奥氏体不锈钢微动磨损性能的影响1 刘静

1 ,钱林茂

1 ,董汉山

2 1 西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所, 四川成都 (610031)

2 伯明翰大学冶金与材料学院, 英国伯明翰(B152TT) E-mail: [email protected] 摘要:采用液压伺服微动试验机,在模拟体液中试验研究了 430°C 渗氮、430°C 碳氮共渗 与500°C 渗碳等三种表面改性工艺对医用奥氏体不锈钢 316LVM 微动磨损性能的影响.结 果表明, 三种表面改性工艺均能明显地提高奥氏体不锈钢的硬度和弹性模量, 进而改善其微 动磨损性能.其中,430°C 渗氮与 430°C 碳氮共渗样品的摩擦学性能相似.尽管 500°C 渗碳 样品的摩擦系数最低,但430°C 碳氮共渗的耐磨性最好,是医用奥氏体不锈钢 316LVM 抗 微动磨损性能最优的表面改性工艺. 关键词:表面改性,微动磨损,医用奥氏体不锈钢 中图分类号:TH117 1. 引言 目前,在65 亿的世界人口中,有6000 万肢体伤残者,但仅有

3500 万人应用生物医用 材料实施人工植入手术以恢复肢体功能[1] .常用的生物医用金属材料包括不锈钢、钛及钛合 金和镍钛形状记忆合金等. 其中, 不锈钢由于具有良好的耐腐蚀性、 经济性和综合力学性能, 且加工工艺简便, 在生物医用金属材料中应用最为广泛. 其典型的应用包括骨骼系统、 齿科、 心脏外科的置换和修复与心血管植入支架等[2] .然而,由于医用奥氏体不锈钢的硬度较低, 植入人体后可能会由于微动磨损而降低其使用寿命. 因此, 很有必要通过表面改性来改善其 抗微动磨损性能,提高服役寿命. 对医用奥氏体不锈钢 316LVM 的表面改性包括离子注入、等离子体热化学扩散等[3] .赵程[4] 研究表明低温离子渗碳、渗氮和碳氮共渗可以在不降低不锈钢耐蚀性能的基础上,提高 其表面硬度和耐磨性. Saravanan[5] 等人报道等离子体低温渗氮可以提高 316LVM 的硬度和耐 蚀性能.张宁[6] 等人研究指出离子注入可提高 316LVM 表面硬度,降低摩擦系数,增强其耐 磨性与抗电化学腐蚀性. Shahryari[7] 等人发现316LVM可以在硝酸钠电解液中形成一层薄膜, 该膜在模拟体液中具有很好的耐腐蚀性能.尽管如此,未见表面改性对 316LVM 微动磨损 性能的影响研究. 本文试验研究了不同表面改性工艺对医用奥氏体不锈钢 316LVM 微动磨损性能的影响, 以探求最佳的表面改性方法,获得综合的耐微动磨损性能. 2. 实验部分 试验材料为医用奥氏体不锈钢 316LVM,对磨副为直径 40mm 的马氏体不锈钢球.实验 采用三种不同的表面改性工艺,即MN430(430°C 渗氮)、MNC430(430°C 碳氮共渗)与MC500(500°C 渗碳).对比研究了他们与未处理样品(MU)的微动磨损性能. 采用纳米压痕仪(Nano-Hardness/Scratch Tester,瑞士 CSEM 公司) ,在峰值载荷 5mN 条件下,测试了样品的纳米压痕硬度和弹性模量,结果如表

1 所示.可见,表面改性可以显 著提高样品的硬度,其中 MN430 与MNC430 的硬度约为 MU 的五倍.而张宁[6] 等人采用不 同的氮离子注入工艺,仅使 316LVM 的硬度提高 19.8%~85.5%,硬度的增加远低于本实验

1 本课题得到国家自然科学基金 (50625515, 50521503)、博士点基金项目(20050613023) 的资助. http://www.paper.edu.cn -

2 - 中采用的工艺.另外,材料的弹性模量在改性后也有所增加,其中最高的是 MC500,为223GPa;