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、http://www.paper.edu.cn1表面改性对医用奥氏体不锈钢微动磨损性能的影响112刘静，钱林茂，董汉山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:linmao@swjtu.edu.cn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

2、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：TH1171.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[1]材料实施人工植入手术以恢复肢体功能。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

3、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、[2]心脏外科的置换和修复与心血管植入支架等。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。[3]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。赵[4]程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[5]其表面硬度和耐磨性。Saravanan等

4、人报道等离子体低温渗氮可以提高316LVM的硬度和耐[6]蚀性能。张宁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[7]磨性与抗电化学腐蚀性。Shahryari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

5、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/ScratchTester，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[6]著提高样品的硬度，其中MN430与MNC430的硬度约为MU的五倍。而张宁等人采用不同的氮离子注入工艺，仅使316

6、LVM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。-1-http://www.paper.edu.cn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；MN430与MNC430的弹性模量基本相等。可见，本实验所采用的表面改性工艺可使材料的硬度提高4~5倍，弹性模量提高20%~30%。表1四种样品的纳米压痕硬度及弹性模量样品改性工艺改性层厚度(µm)硬

7、度H(GPa)弹性模量E(GPa)MU--2.7±0.2170.5±9.8MC500500°C渗碳3810.5±0.7223.0±12.8MNC430430°C碳氮共渗2513.3±0.9210.7±12.1MN430430°C渗氮1013.2±0.9206.9±11.8为了进一步了解改性层的综合承载能力，采用0～80mN线性加载，用纳米划痕仪在1mm的长度范围内对四种样品做划痕实验。图1示出了摩擦力随载荷的变化曲线以及高载部分的划痕形貌。从图中可以看到随着法向载荷的增加，MU的摩擦力曲线波动最大，在40mN时摩擦力突

8、然增大，80mN时增加到100mN。其它三种样品的摩擦力都随法向载荷的增加成线性增大，最终仅增加到12mN左右。此外，在相同的载荷(约77.5~80mN)下，MU的划痕深且粗，在划痕边缘出现剥落现象，而改性后的三种样品的划痕浅且细，损伤轻微。表明改性后样品的摩擦和磨损性能均有很大改善。1008060(mN)tF4020(a)MU(