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《表面改性對醫(yī)用奧氏體不銹鋼微動磨損性能的影響1》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、http://www.paper.edu.cn1表面改性對醫(yī)用奧氏體不銹鋼微動磨損性能的影響112劉靜，錢林茂，董漢山1西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室摩擦學(xué)研究所,四川成都（610031）2伯明翰大學(xué)冶金與材料學(xué)院,英國伯明翰（B152TT）E-mail:linmao@swjtu.edu.cn摘要：采用液壓伺服微動試驗機，在模擬體液中試驗研究了430°C滲氮、430°C碳氮共滲與500°C滲碳等三種表面改性工藝對醫(yī)用奧氏體不銹鋼316LVM微動磨損性能的影響。結(jié)果表明，三種表面改性工藝均能明顯地提高奧氏體不銹鋼的硬
2、度和彈性模量，進而改善其微動磨損性能。其中，430°C滲氮與430°C碳氮共滲樣品的摩擦學(xué)性能相似。盡管500°C滲碳樣品的摩擦系數(shù)最低，但430°C碳氮共滲的耐磨性最好，是醫(yī)用奧氏體不銹鋼316LVM抗微動磨損性能最優(yōu)的表面改性工藝。關(guān)鍵詞：表面改性，微動磨損，醫(yī)用奧氏體不銹鋼中圖分類號：TH1171.引言目前，在65億的世界人口中，有6000萬肢體傷殘者，但僅有3500萬人應(yīng)用生物醫(yī)用[1]材料實施人工植入手術(shù)以恢復(fù)肢體功能。常用的生物醫(yī)用金屬材料包括不銹鋼、鈦及鈦合金和鎳鈦形狀記憶合金等。其中，不銹鋼由于具有良好
3、的耐腐蝕性、經(jīng)濟性和綜合力學(xué)性能，且加工工藝簡便，在生物醫(yī)用金屬材料中應(yīng)用最為廣泛。其典型的應(yīng)用包括骨骼系統(tǒng)、齒科、[2]心臟外科的置換和修復(fù)與心血管植入支架等。然而，由于醫(yī)用奧氏體不銹鋼的硬度較低，植入人體后可能會由于微動磨損而降低其使用壽命。因此，很有必要通過表面改性來改善其抗微動磨損性能，提高服役壽命。[3]對醫(yī)用奧氏體不銹鋼316LVM的表面改性包括離子注入、等離子體熱化學(xué)擴散等。趙[4]程研究表明低溫離子滲碳、滲氮和碳氮共滲可以在不降低不銹鋼耐蝕性能的基礎(chǔ)上，提高[5]其表面硬度和耐磨性。Saravanan等
4、人報道等離子體低溫滲氮可以提高316LVM的硬度和耐[6]蝕性能。張寧等人研究指出離子注入可提高316LVM表面硬度，降低摩擦系數(shù)，增強其耐[7]磨性與抗電化學(xué)腐蝕性。Shahryari等人發(fā)現(xiàn)316LVM可以在硝酸鈉電解液中形成一層薄膜，該膜在模擬體液中具有很好的耐腐蝕性能。盡管如此，未見表面改性對316LVM微動磨損性能的影響研究。本文試驗研究了不同表面改性工藝對醫(yī)用奧氏體不銹鋼316LVM微動磨損性能的影響，以探求最佳的表面改性方法，獲得綜合的耐微動磨損性能。2.實驗部分試驗材料為醫(yī)用奧氏體不銹鋼316LVM，對
5、磨副為直徑40mm的馬氏體不銹鋼球。實驗采用三種不同的表面改性工藝，即MN430(430°C滲氮)、MNC430(430°C碳氮共滲)與MC500(500°C滲碳)。對比研究了他們與未處理樣品（MU）的微動磨損性能。采用納米壓痕儀（Nano-Hardness/ScratchTester，瑞士CSEM公司），在峰值載荷5mN條件下，測試了樣品的納米壓痕硬度和彈性模量，結(jié)果如表1所示?？梢姡砻娓男钥梢燥@[6]著提高樣品的硬度，其中MN430與MNC430的硬度約為MU的五倍。而張寧等人采用不同的氮離子注入工藝，僅使316
6、LVM的硬度提高19.8%~85.5%，硬度的增加遠(yuǎn)低于本實驗1本課題得到國家自然科學(xué)基金(50625515,50521503)、博士點基金項目(20050613023)的資助。-1-http://www.paper.edu.cn中采用的工藝。另外，材料的彈性模量在改性后也有所增加，其中最高的是MC500，為223GPa；MN430與MNC430的彈性模量基本相等?？梢?，本實驗所采用的表面改性工藝可使材料的硬度提高4~5倍，彈性模量提高20%~30%。表1四種樣品的納米壓痕硬度及彈性模量樣品改性工藝改性層厚度(μm)硬
7、度H(GPa)彈性模量E(GPa)MU--2.7±0.2170.5±9.8MC500500°C滲碳3810.5±0.7223.0±12.8MNC430430°C碳氮共滲2513.3±0.9210.7±12.1MN430430°C滲氮1013.2±0.9206.9±11.8為了進一步了解改性層的綜合承載能力，采用0～80mN線性加載，用納米劃痕儀在1mm的長度范圍內(nèi)對四種樣品做劃痕實驗。圖1示出了摩擦力隨載荷的變化曲線以及高載部分的劃痕形貌。從圖中可以看到隨著法向載荷的增加，MU的摩擦力曲線波動最大，在40mN時摩擦力突
8、然增大，80mN時增加到100mN。其它三種樣品的摩擦力都隨法向載荷的增加成線性增大，最終僅增加到12mN左右。此外，在相同的載荷(約77.5~80mN)下，MU的劃痕深且粗，在劃痕邊緣出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，而改性后的三種樣品的劃痕淺且細(xì)，損傷輕微。表明改性后樣品的摩擦和磨損性能均有很大改善。1008060(mN)tF4020(a)MU(
