超声场对316L耐磨板表面磷化组织和性能的影响

  在生物医用材料中,奥氏体耐磨板以其良好的力学性能、耐蚀性以及低廉的价格而得到广泛应用。但医用耐磨板表面硬度较低,耐磨性较差,使用后期植入体容易产生松动且有Ni、Cr、Mo等有害金属离子溢出,影响使用性能,故必须对其进行表面改性处理。

  目前常用的表面处理方法主要是涂镀技术及气相沉积等,处理成本高、批量小,其应用存在极限性。磷化处理作为一种成熟的表面技术,经济实用,可满足大批量生产要求。常用的磷化处理一般包括锌系磷化和钙系磷化,锌和钙都是人体骨骼生产所需要的元素,对人体无害,因此生成的磷化膜层具有生物活性,能促进骨骼生长。但是316L耐磨板由于钝化膜的存在,导致磷化膜形成困难。本工作通过引入超声波,借助超声波提供的能量及空化作用来促进磷化反应的进行,考察了所得磷化膜的摩擦磨损性能及耐蚀性能,以为316L耐磨板表面磷化提供技术支撑。

  基材为316L奥氏体耐磨板板材,试样尺寸为10mm×10mm×1mm,试样上方打孔,以方便悬挂。磷化处理工艺流程:化学除油→水洗→活化(去除自然钝化膜)→水洗→超声辅助磷化→干燥→检测。

  耐磨板表面钝化膜的存在是影响磷化效果关键的因素,采用的活化溶液组成:98~102g/L(NH4)2SO4,85~90g/LH2SO4,活化温度为50~60℃,时间为20min。硫酸铵作为促进剂,可以提高酸液对耐磨板钝化膜的去除能力,加快酸洗速度,提高酸洗效率。

  针对医用316L耐磨板磷化处理,改进了已有的磷化配方,去除了磷化液中对人体的有害元素,添加了对人体无害的Ca2+,旨在改善磷化膜的性能,并提高其表面的生物活性,磷化液组成及工艺条件为:4g/LZnO,0.1mol/LHNO3,0.12~0.15mol/LCa(NO3)2,0.035~0.050mol/LZn(H2PO4)2;磷化温度为75℃,磷化时间为1h;选用KQ-200KDE型高功率数控超声清洗器,超声功率为200W。结果表明:

  (1)超声场能明显加速316L耐磨板表面磷化速度,且形成的磷化膜更加致密、完整、均匀。

  (2)316L耐磨板磷化处理后,耐蚀性得到提高,其中,超声场下磷化处理的试样耐蚀性提高更明显,其自腐蚀电位明显正移,由基材的-0.813V提高至-0.246V,自腐蚀电流降低了1个数量级。

  (3)316L耐磨板磷化处理后,试样表面的摩擦系数显著降低,由基材的0.574下降至0.122,进一步提高了316L耐磨板的耐磨性能。