鎳鉻合金表面鉬粉等離子噴涂涂層耐磨性能的研究

劉江偉，馬 超，侯曉薇

（河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院口腔科，河北石家莊 050051）

鎳鉻合金表面鉬粉等離子噴涂涂層耐磨性能的研究

劉江偉，馬 超，侯曉薇*

（河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院口腔科，河北石家莊 050051）

目的應(yīng)用新型的合金表面處理方法——等離子噴涂技術(shù)，進(jìn)行鎳鉻合金表面鉬粉噴涂，檢測(cè)涂層耐磨性能，探索鎳鉻合金性能改良的方法與手段。方法將18個(gè)鎳鉻合金鑄件隨機(jī)分為等離子噴涂實(shí)驗(yàn)組及不做任何處理的對(duì)照組，每組9個(gè)鑄件。通過(guò)磨損實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)涂層的耐磨性能，并對(duì)磨損后的實(shí)驗(yàn)組鑄件進(jìn)行掃描電鏡觀察。結(jié)果實(shí)驗(yàn)組失質(zhì)量為（0.101±0.028）g，對(duì)照組為（0.212±0.045）g，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。結(jié)論鎳鉻合金表面等離子噴涂鉬粉處理后，涂層的耐磨性能大于未經(jīng)處理的鎳鉻合金。

牙修復(fù)體；鉻合金；鉬

鎳鉻合金是早期應(yīng)用于口腔的非貴金屬材料，具有良好的金屬機(jī)械性能，低廉的價(jià)格，良好的金瓷結(jié)合強(qiáng)度，在口腔修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，至今已有幾十年的歷史。但是鎳鉻合金作為牙科修復(fù)材料在口腔中性能的不穩(wěn)定性正在受到越來(lái)越多的質(zhì)疑。鎳鉻合金在口腔環(huán)境中金屬離子析出［1］引起的變態(tài)反應(yīng)、牙齦充血水腫、牙齦染色等使得鎳鉻合金的使用受到很大限制，甚至棄用。因?yàn)橘F金屬合金高昂的價(jià)格使得鎳鉻合金目前在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的使用仍然有很大的市場(chǎng)，我們?cè)噲D尋找一種新的簡(jiǎn)易處理方法和材料來(lái)改善鎳鉻合金的表面性能，使其能成為安全可用的牙科修復(fù)材料。有研究［2］表明鎳鉻合金中鉬的含量對(duì)鎳離子的釋放有很大的影響，增加鉬元素的含量將減少合金中鎳離子的釋放量。本實(shí)驗(yàn)采用等離子噴涂技術(shù)，在鎳鉻合金表面形成一新的涂層——鉬粉涂層，測(cè)試金屬表面耐磨性，旨在為鎳鉻合金表面性能改良及應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備：鎳鉻合金（上海常平公司），鉬粉（北京興榮源科技有限公司），純氧化鋁（50#），天然石英砂（60#）ZB-80型等離子噴涂設(shè)備（北京航天振邦有限公司），射吸式噴砂系統(tǒng)（由LD36冷凍式壓縮氣體干燥器、LU22-8螺桿式空氣壓縮機(jī)、過(guò)濾器、儲(chǔ)氣罐、噴槍、噴砂柜組成），MLD-10型動(dòng)載磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)（宣化材料試驗(yàn)機(jī)廠），AN0642型電子天平（上海民僑精密科學(xué)儀器有限公司），101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鎳鉻合金鑄件制備：根據(jù)GB 8641-1988標(biāo)準(zhǔn)，采用失蠟法制備10mm×10mm×25mm的磨損實(shí)驗(yàn)用鎳鉻合金鑄件試樣18個(gè)，將18個(gè)鎳鉻合金鑄件隨機(jī)分為等離子噴涂實(shí)驗(yàn)組及不做任何處理的對(duì)照組，每組9個(gè)鑄件。然后根據(jù)等離子噴涂技術(shù)在實(shí)驗(yàn)組端面進(jìn)行鉬粉的等離子噴涂，使涂層厚度保持在0.4mm。對(duì)照組為相同規(guī)格的鎳鉻合金試樣，不做其他任何處理。

1.2.2 材料和參數(shù)：橡膠輪（氯丁橡膠），磨粒（60#天然石英砂），輪緣線速度（140m/min），摩擦行程（1 000轉(zhuǎn)），載荷（130N）。

1.2.3 耐磨實(shí)驗(yàn)：用AN0642型電子天平測(cè)量出試樣在實(shí)驗(yàn)前的質(zhì)量（精確到0.000 1g），然后將試樣安放在MLD-10型動(dòng)載磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上使試樣的涂層面借助杠桿系統(tǒng)以一定的壓力與橡膠輪接觸，在漏斗中加入60#天然石英砂，按照上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)使磨料以固定速度落到旋轉(zhuǎn)的磨輪與試樣之間，保證橡膠輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磨粒的流動(dòng)方向一致，在此過(guò)程中密切觀察漏斗中磨粒的量，避免發(fā)生磨粒缺失而造成的影響。1h后將試樣取出，用壓縮空氣吹凈試樣表面的殘余磨料，用AN0642型電子天平測(cè)量試樣實(shí)驗(yàn)完成后的質(zhì)量（精確到0.000 1g），測(cè)定試樣的失質(zhì)量，以此評(píng)價(jià)涂層的耐磨性能。

1.2.4 電鏡掃描：對(duì)磨損實(shí)驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)組鑄件進(jìn)行掃描電鏡觀察。

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組磨損前質(zhì)量為（22.027±0.039）g，磨損后質(zhì)量為（21.920±0.055）g，損失質(zhì)量為（0.101± 0.028）g；對(duì)照組磨損前質(zhì)量為（21.678±0.196）g，磨損后質(zhì)量為（21.466±0.192）g，損失質(zhì)量為（0.212±0.045）g。2組損失質(zhì)量比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

電鏡圖片顯示涂層表面有斑狀磨損，且可發(fā)現(xiàn)有凹坑及切削形成的較淺溝壑，以及一些層狀物。所有實(shí)驗(yàn)樣本未發(fā)現(xiàn)涂層磨穿現(xiàn)象。見(jiàn)圖1。

圖1 涂層磨損后的掃描電鏡圖

3 討論

3.1 牙科用鎳鉻合金：用于口腔內(nèi)的金屬材料在擁有其基本特性外必須滿足一定的要求，生物相容性好，抗腐蝕性好，與牙釉質(zhì)相近的硬度，易加工、易成型、易焊接，有很好的色澤優(yōu)勢(shì)，而且在口腔長(zhǎng)期存在下不易變色，原料成本適當(dāng)。鎳鉻合金具有較大的彈性模量，在同等應(yīng)力的作用下，鎳鉻合金產(chǎn)生的形變小，所以其制作的金屬內(nèi)冠可以相應(yīng)的很薄，這樣可以減少牙體的磨除量；鎳鉻合金的金瓷結(jié)合性能比其他材料（鈷鉻合金、貴金屬合金、鈦合金以及純鈦）更優(yōu)良，能夠更好地滿足烤瓷熔附金屬全冠的需要；而且鎳鉻合金相對(duì)貴金屬合金等而言造價(jià)更低，能滿足大多數(shù)患者的承受能力，所以鎳鉻合金作為口腔修復(fù)材料在目前還有一定的市場(chǎng)。但隨著鎳鉻合金在臨床的應(yīng)用，出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，如過(guò)敏、牙齦著色、牙周組織炎癥、黏膜疾病等局部問(wèn)題。因此，尋找一種簡(jiǎn)便易行，成本低的鎳鉻合金表面性能改良方法，避免離子析出，加強(qiáng)合金穩(wěn)定性，將會(huì)使其應(yīng)用更加安全與可靠。

3.2 等離子噴涂［3］

3.2.1 噴涂技術(shù)原理：將粉末送入惰性氣體（氮?dú)猓╇婋x所產(chǎn)生的高溫等離子弧中（溫度達(dá)100 000℃以上）熔化后，高速（487m/s）噴射到預(yù)先處理好的試件表面上形成涂層。用此噴涂技術(shù)形成的表面涂層結(jié)構(gòu)細(xì)密，其氧化物含量和孔隙率較低，涂層與基體之間的結(jié)合形式以及涂層自身粒子間的結(jié)合形式以機(jī)械結(jié)合為主，另外還可以產(chǎn)生物理結(jié)合和冶金結(jié)合，涂層結(jié)合強(qiáng)度較高。同時(shí)噴涂設(shè)備控制精度高，可以精確控制涂層的厚度。

3.2.2 等離子噴涂方法：結(jié)合牙科金屬修復(fù)體的特點(diǎn)與要求，本實(shí)驗(yàn)在在噴涂前進(jìn)行表面預(yù)處理，包括表面凈化［4］、表面粗化［5］，反復(fù)摸索實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以獲得理想的結(jié)合強(qiáng)度。最終實(shí)驗(yàn)選擇蒸汽法和超聲波法相結(jié)合的表面凈化方法處理試件，在如下噴砂條件下完成砂粒材質(zhì)（純氧化鋁），磨粒粒度（50#），噴嘴孔徑（7.9mm），設(shè)備類型（射吸式），噴砂壓力（0.58MPa），噴砂距離（120mm）。結(jié)果表明所有試件均獲得穩(wěn)定、良好的鉬涂層。

3.2.3 涂層耐磨性［6］：在咀嚼過(guò)程中無(wú)論是天然牙還是修復(fù)體都不可避免的發(fā)生磨損，而且口腔是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，其磨損形式有二體磨損、三體磨損、腐蝕磨損等多種，且以三體磨損形式為主，在咀嚼過(guò)程中還存在唾液這一潤(rùn)滑劑在不斷影響磨損程度。體外實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)就是如何最大程度的模擬口腔環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)選用三體磨損形式的磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，以更好地模擬口腔內(nèi)噴涂鉬粉后涂層的耐磨性能。實(shí)驗(yàn)以天然石英砂為磨料，根據(jù)GB/T2918-1982標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度為44％～56％，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在相同時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組的失質(zhì)量少，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。電鏡圖片顯示涂層表面有斑狀磨損，且可發(fā)現(xiàn)有凹坑及切削形成的較淺溝壑，以及一些層狀物，這是由于在摩擦過(guò)程中兩者間的突起部分相互轉(zhuǎn)移，受到法向力和剪切力的作用最終剝脫下來(lái)，而脫落下的磨粒被壓入到新形成的凹坑中使磨損面趨于平滑，這就使得切削的溝壑較淺。這種磨損過(guò)程中的自潤(rùn)滑作用，改善了磨損時(shí)的潤(rùn)滑狀態(tài)［7］，從而增強(qiáng)了涂層的耐磨性能。

3.3 鎳鉻合金表面鉬涂層的意義：本實(shí)驗(yàn)的主要目的是探索對(duì)鎳鉻合金修復(fù)體如金屬冠、樁核的表面進(jìn)行一定的表面處理后，能否獲得理想的性能改良，以能更安全地在臨床應(yīng)用。鉬是人體必須的微量元素，存在于人體各種組織，成人體內(nèi)總量為9mg，肝、腎中含量最高。同時(shí)鉬為多種酶的組成成

分。研究［7］表明鉬涂層耐磨性好，抗腐蝕，與基體黏接強(qiáng)度高，可在一定程度上提高材料的耐磨性能。致密性好的涂層通常有更好的磨損和腐蝕性能［8］，我們利用等離子噴涂技術(shù)，在鎳鉻合金表面獲得一致密的鉬涂層［7］，期待其能克服鎳鉻合金自身的不穩(wěn)定性，避免鎳鉻合金中鎳離子的析出，提高生物安全性。

本實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)表明，鎳鉻合金表面利用等離子噴涂技術(shù)形成的鉬涂層能夠有效地增加鎳鉻合金的耐磨性，理論上可以應(yīng)用于口腔醫(yī)用材料的表面處理，具有良好的應(yīng)用前景。

涂層性能包括涂層自身性能及涂層與基體之間的性能，不同用途的涂層要求的性能也不盡相同，如結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕程度、金瓷結(jié)合情況等，本實(shí)驗(yàn)只是探索了涂層性能中的一個(gè)方面，實(shí)際應(yīng)用還需要進(jìn)一步和更全面的研究。

［1］ 馬騫，吳鳳鳴.鉻合金烤瓷冠修復(fù)后的離子析出狀況及研究方法［J］.口腔醫(yī)學(xué)，2009，29（7）：380-382.

［2］ JONES SB，TAYLOR RL，COLLIGON JS，et al.Effect of element concentration on nickel release form dental alloysusing a novel ion beam method［J］.Dent Mater，2010，26（3）：249-256.

［3］ 解路，熊翔，王躍明，等.熱等靜壓對(duì)等離子噴涂成形制備鉬制品的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，42（10）：3009-3014.

［4］ 高翠瑩.金屬噴涂及表面處理的幾個(gè)有效措施［J］.科技與生活，2011，4（16）：153-154.

［5］ 鄧宇，余圣甫，黃林兵，等.基體表面粗化對(duì)電弧噴涂涂層組織及性能的影響［J］.廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，21（4）：24-27.

［6］ 胡欣，張潔，梁春永，等.載荷變化對(duì)口腔修復(fù)用純鈦摩擦磨損性能的影響［J］.中華口腔醫(yī)學(xué)研究雜志，2009，3（2）：35-37.

［7］ 馬寶平.超微碳化鉬粉體的制備及其形成涂層的磨損性能研究［J］.金屬材料與冶金工程，2010，38（2）：3-7.

［8］ 唐家偉，謝淑蘭，潘鑫，等.離子噴涂涂層的研究進(jìn)展［J］.熱噴涂技術(shù)，2011，3（2）：35-39.

（本文編輯：趙麗潔）

R783.1

B

1007-3205（2013）01-0077-03

2012-05-21；

2012-06-12

劉江偉（1986-），男，河北平山人，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)碩士研究生，從事口腔修復(fù)研究。

*通訊作者。E-mail：471368205@qq.com

10.3969/j.issn.1007-3205.2013.01.032