加载载荷对钛锆铌锡合金摩擦磨损性能的影响*

胡 欣 李长义 刘亚林 李宏捷 韩 华 张连云

牙科材料除了要求具有良好的机械性能外，还应具有良好的耐磨性。失牙患者一旦配戴义齿，人工牙与天然牙即组成一对特殊的摩擦副，在咀嚼循环过程中，所有的牙科材料都会相互磨损，过度的磨损将造成牙创伤，颞下颌关节紊乱等严重病症[1]。钛及其合金具有高屈服强度和韧性，低密度，良好的耐腐蚀性和卓越的生物相容性等特点[2,3]。因此，钛合金被广泛应用于航空航天，生物医学和化学工厂等领域[4]。然而，钛合金因耐磨损性能较差，从而使其在摩擦学进一步使用受到了限制[5,6]。

本课题研制了用于口腔修复的钛铌锆锡(Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn)合金，在前期研究工作中，证实了合金具有较高的弹性模量，良好的机械性能，生物学性能及耐磨性[7,8]。本实验中，采用MMV-1型摩擦磨损实验机研究加载载荷对合金摩擦磨损性能的影响，并对在不同载荷条件下合金磨损机制的变化规律进行探讨。

1.材料和方法

1.1 材料与设备

表1 人工唾液成份

1.1.1 材料 纯度均为99.9%的钛板，锆板、铌棒和颗粒状锡(宝鸡市胜超有色金属材料有限公司)；滑石瓷(海门市天补高频陶瓷厂)。

1.1.2 设备 DHL-1250型高真空电弧熔炼炉(沈阳中国科学院科学仪器研制中心)；MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机(济南试金集团有限公司)；AR224CN型电子天平(奥豪斯，美国)；JSM-5800型扫描电镜(JEOL，日本)；CQ50型超声波清洁器(上海超声波仪器公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 合金的冶炼 将钛、锆、铌、锡合金材料置于煮沸的Na2CO3溶液30 min除油，然后放入无水乙醇中，一起置入超声波细胞粉碎机中，用超声波清洗10 min，得到表面洁净的原材料。按照Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn(wt%)称取原材料配制合金。将配制好的原材料放入DHL-1250型高真空电弧熔炼炉，真空度达10-3 MPa，钨极磁控电弧，氩气保护，熔炼四五次，使各种合金元素充分混合均匀，铜坩埚水冷，制成表面光洁的50 g铸锭。铸锭热煅为16 mm×60 mm×10 mm的棒材，500℃3 h时效处理。

1.2.2 试样制备 将经500℃3h时效处理后的 Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn(wt%)，按 MMV-1立式万能摩擦磨损实验机试件准备要求制成规格为2 mm×2 mm×11.2 mm的长方体形试件。依据3种实验载荷条件，Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金共分3组，每组15个试样，共计45个试样。将所有试样在相同状态下喷砂，依次用600，1000，1200，1500目氧化铝耐水砂纸打磨，1200目石英砂糊剂抛光备用，完成后试件避免一切表面磨损，超声清洗20min备用。

1.2.3 制备人工唾液与测试前准备 采用ISO/TR10271标准制备人工唾液(表1为人工唾液成份表)[9]，以模拟口腔实际状态。滑石瓷按磨耗机要求加工成厚5mm，d=20.9mm的圆盘状，固定在下磨盘上，共45个，与相对固定于上磨盘处的被测试件作磨耗测试。

1.2.4 清洗称质量 将待测试件用超声清洗10 min，蒸馏水漂洗3次，冷风吹干，电子天平称质量(0.0001g)。

1.2.5 安装滑石瓷及被测试件 校正磨耗机数据设置，根据口腔内的实际摩擦磨损工况，设定主要实验参数：法向载荷Fn为20、50、100N，转速150r/min，循环次数=20000次。所有实验工况一致，实验温度37℃，pH=6.8。分组按设定参数值，加载进行磨耗测试。测试完毕后对各被测试件进行清洗、吹干、称重。

以失水法测量试样密度，共测三次，取其平均值，用密度法换算成磨耗后的体积丧失量。分别计算各组试样磨耗后的体积丧失值。应用SPSS11.5软件包，使用单因素方差分析对磨损量统计分析。

1.2.6 表面形貌的观察 扫描电镜下照相，观察各组试样经20000次循环后表面形貌的变化情况。

2.结果

2.1 测试试样体积损失量 表2为各组测试材料经20000次循环后的体积损失量。

表2 测试材料体积损失量()

表2 测试材料体积损失量()

*P＜0.01

组别 加载载荷 试件体积损失量(mm3)120N 0.0876±0.0032250N 0.1903±0.0263100 N 0.3827±0.032 F 538.785*P(1):(2) ＜0.001(1):(3) ＜0.001(2):(3) ＜0.001

应用SPSS11.5软件包，使用单因素方差分析对磨损量统计分析，组间两两比较使用LSD法，检验水准P=0.05。数据经统计学分析，各组试样体积磨损量之间差异均有统计学意义(P＜0.01)。

2.2 磨损表面形貌 图1至图3为不同加载载荷下，钛锆铌锡合金表面的磨损形貌。可以看出，当载荷较小(20 N)时，Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金磨损表面出现犁沟，未见明显塑性变形情况，呈现磨粒磨损特征。随着载荷增加(50 N)，磨痕表面犁削加剧，表面出现了塑性变形并在局部出现磨斑，表明此时钛合金的主要磨损机制已从磨粒磨损转变为粘着磨损伴发磨粒磨损。当Fn=100 N时，合金磨损表面呈现出明显的粘着磨损特征，材料表面出现了显著的塑性变形，粘着的钛金属的磨斑面积最大，并且伴有大片片状层。

图1 20N载荷，钛锆铌锡合金磨损面形貌(×2000)

图2 50N载荷，钛锆铌锡合金磨损面形貌(×2000)

图3 100N载荷，钛锆铌锡合金磨损面形貌(×2000)

3.讨论

咬合力及加载载荷是影响磨损的重要因素，压力可使材料表面产生塑性变形，并导致表面膜的破裂而发生粘着磨损。一般来说，粘着磨损量会随着压力增大到某一临界值后迅速增大。二者呈正相关关系，即咬合力越大，材料磨损越严重[10]。近年来，学者对牙齿的咬合力及摩擦磨损实验的载荷设置进行了大量研究，但由于天然牙形状的复杂性和咀嚼运动的不规则性，同时咬合力还受到不同人种，个体差异等因素的影响，目前尚未得出统一的结论。有学者测得口腔内的正常咀嚼咬合力则处于3-36N以内[11]。也有研究结果认为后牙垂直咬合时施加在后牙上的力约为20-120N，水平向力约为垂直向力的35%，加力方向形态约为正弦曲线。Heintze[12]认为，人类咀嚼的食物不同，磨牙产生的垂直向咬合力也不同，大小为20-120N。在本实验中，以人工唾液为润滑剂，采用耐磨性与牙釉质近似的滑石瓷作为对磨物，设置试验温度37℃，pH=6.8，以求模拟口腔生理环境，使结果更具可比性。实验将载荷设置为20、50、100N，对加载载荷变化对Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金耐磨性的影响趋势进行初步研究。

实验结果表明，Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金的磨损体积损失随载荷的增加而增大，这表明Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金制成的修复体在口腔内行驶咀嚼功能时，随着咬合力的增高，材料与对颌牙的磨耗量相应加大，从而可能缩短修复体使用寿命，并对对合天然牙产生非生理性过度磨耗。

依据摩擦学理论，综合体积损失量和钛合金表面形貌结果，可以得知，随着加载载荷的增加，Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金的磨损机制也在发生变化。本文就钛合金在不同加载载荷条件下，其磨损机制的变化情况，做一初步分析。

牙科材料磨损的机制分为以下几种：磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、粘着磨损[13]，其中齿科金属材料易发生粘着磨损和磨粒磨损。前者是摩擦副表面微凸体受压力产生塑性变形后，发生相对运动时，粘着点被剪切，剪切强度低的材料表面即被撕脱下来。对于在磨损实验中相互接触的Ti-12.5 Zr-3Nb-2.5Sn合金与滑石瓷的表面，虽然在实验中，对材料进行了打磨，抛光处理，但其表面并不是绝对光滑的，因为经过加工的材料表明，在任何时候都不可能是理想的光滑表面，存在许多微小的突起。因此，当Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金与滑石瓷的表面相接触时，实际上只有一部分表面在接触。当载荷较小，如载荷为20N时，在压力作用下，接触面的微小凸体被压入相应接触面的的表面层内，如图1所示，合金表面出现了深浅不一的划痕及犁沟，未见明显塑性变形情况，此时的磨损机制以磨粒磨损为主。但随着载荷增值为50N时，因载荷加大，作用于两种材料界面上的摩擦力加大，局部压力很高，该压力超过了材料的屈服极限，于是接触点产生了塑性变形，另外，在高载荷的条件下，使Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金的表面膜发生破裂，合金与滑石瓷表面直接接触，在接触点局部发生软化或熔化产生“热粘着”，形成粘着点。在其后的相对运动中，形成的粘着点被剪切，于此同时又形成新的粘着点，于是就出现了粘着点的形成与剪断的循环，并发生材料的转移，因而出现粘着磨损。如图2所示，合金表面的犁沟加深，局部发生了较明显的塑性变形并出现了磨斑，此时Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金的主要磨损机制已从磨粒磨损转变为以粘着磨损为主，同时伴发磨粒磨损。随着载荷的进一步增加，但载荷为100N时，合金材料表面发生了较为严重的粘着磨损，此时的磨损机制虽仍为粘着磨损，但其特征发生了明显变化。此种现象的出现是因为在高载荷作用下，摩擦表面的温度必然随之增高，在较高温度下产生的亚表层塑性变形及磨损速率显著增加，而摩擦界面次表层的塑性变形导致金属表面下一定深度处，产生较多的位错塞积，产生了许多空洞，而在材料摩擦过程中，金属的塑性流变过程是空洞增多并相互连接，形成了裂纹的萌芽，当裂纹增长到一定尺寸时，在外力的作用下，使裂纹上下的金属脱离，掉下的磨损颗粒形成片层状磨屑，形貌观察结果表明，当载荷为100N时，钛合金表面出现了大片的层状磨屑，即是此种磨损机制的结果。

本研究结果提示，咬合力的增加，Ti-12.5 Zr-3Nb-2.5Sn合金磨损量随之增大，并导致磨损机制发生变化。因此，Ti-12.5Zr-3Nb-2.5Sn合金制作的修复体，在临床应用中，应避免较大牙合力。因牙合力过大，加重了材料的磨损，从而导致钛合金修复体的过快磨损，同时也对对牙合牙齿造成非生理性磨耗，导致咬合创伤等一系列不良影响。

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