在生物醫用材料中,奧氏體耐磨板以其良好的力學性能、耐蝕性以及低廉的價格而得到廣泛應用。但醫用耐磨板表面硬度較低,耐磨性較差,使用后期植入體容易產生松動且有Ni、Cr、Mo等有害金屬離子溢出,影響使用性能,故必須對其進行表面改性處理。
目前常用的表面處理方法主要是涂鍍技術及氣相沉積等,處理成本高、批量小,其應用存在極限性。磷化處理作為一種成熟的表面技術,經濟實用,可滿足大批量生產要求。常用的磷化處理一般包括鋅系磷化和鈣系磷化,鋅和鈣都是人體骨骼生產所需要的元素,對人體無害,因此生成的磷化膜層具有生物活性,能促進骨骼生長。但是316L耐磨板由于鈍化膜的存在,導致磷化膜形成困難。本工作通過引入超聲波,借助超聲波提供的能量及空化作用來促進磷化反應的進行,考察了所得磷化膜的摩擦磨損性能及耐蝕性能,以為316L耐磨板表面磷化提供技術支撐。
基材為316L奧氏體耐磨板板材,試樣尺寸為10mm×10mm×1mm,試樣上方打孔,以方便懸掛。磷化處理工藝流程:化學除油→水洗→活化(去除自然鈍化膜)→水洗→超聲輔助磷化→干燥→檢測。
耐磨板表面鈍化膜的存在是影響磷化效果關鍵的因素,采用的活化溶液組成:98~102g/L(NH4)2SO4,85~90g/LH2SO4,活化溫度為50~60℃,時間為20min。硫酸銨作為促進劑,可以提高酸液對耐磨板鈍化膜的去除能力,加快酸洗速度,提高酸洗效率。
針對醫用316L耐磨板磷化處理,改進了已有的磷化配方,去除了磷化液中對人體的有害元素,添加了對人體無害的Ca2+,旨在改善磷化膜的性能,并提高其表面的生物活性,磷化液組成及工藝條件為:4g/LZnO,0.1mol/LHNO3,0.12~0.15mol/LCa(NO3)2,0.035~0.050mol/LZn(H2PO4)2;磷化溫度為75℃,磷化時間為1h;選用KQ-200KDE型高功率數控超聲清洗器,超聲功率為200W。結果表明:
(1)超聲場能明顯加速316L耐磨板表面磷化速度,且形成的磷化膜更加致密、完整、均勻。
(2)316L耐磨板磷化處理后,耐蝕性得到提高,其中,超聲場下磷化處理的試樣耐蝕性提高更明顯,其自腐蝕電位明顯正移,由基材的-0.813V提高至-0.246V,自腐蝕電流降低了1個數量級。
(3)316L耐磨板磷化處理后,試樣表面的摩擦系數顯著降低,由基材的0.574下降至0.122,進一步提高了316L耐磨板的耐磨性能。