镍铬合金表面钼粉等离子喷涂涂层耐磨性能的研究

2013-03-03刘江伟侯晓薇

河北医科大学学报 2013年1期

关键词：镍铬等离子涂层

刘江伟，马超，侯晓薇

（河北医科大学第三医院口腔科，河北石家庄 050051）

镍铬合金表面钼粉等离子喷涂涂层耐磨性能的研究

刘江伟，马超，侯晓薇*

（河北医科大学第三医院口腔科，河北石家庄 050051）

目的应用新型的合金表面处理方法——等离子喷涂技术，进行镍铬合金表面钼粉喷涂，检测涂层耐磨性能，探索镍铬合金性能改良的方法与手段。方法将18个镍铬合金铸件随机分为等离子喷涂实验组及不做任何处理的对照组，每组9个铸件。通过磨损实验检验涂层的耐磨性能，并对磨损后的实验组铸件进行扫描电镜观察。结果实验组失质量为（0.101±0.028）g，对照组为（0.212±0.045）g，差异有统计学意义（P＜0.01）。结论镍铬合金表面等离子喷涂钼粉处理后，涂层的耐磨性能大于未经处理的镍铬合金。

牙修复体；铬合金；钼

镍铬合金是早期应用于口腔的非贵金属材料，具有良好的金属机械性能，低廉的价格，良好的金瓷结合强度，在口腔修复领域应用十分广泛，至今已有几十年的历史。但是镍铬合金作为牙科修复材料在口腔中性能的不稳定性正在受到越来越多的质疑。镍铬合金在口腔环境中金属离子析出［1］引起的变态反应、牙龈充血水肿、牙龈染色等使得镍铬合金的使用受到很大限制，甚至弃用。因为贵金属合金高昂的价格使得镍铬合金目前在我国经济不发达地区的使用仍然有很大的市场，我们试图寻找一种新的简易处理方法和材料来改善镍铬合金的表面性能，使其能成为安全可用的牙科修复材料。有研究［2］表明镍铬合金中钼的含量对镍离子的释放有很大的影响，增加钼元素的含量将减少合金中镍离子的释放量。本实验采用等离子喷涂技术，在镍铬合金表面形成一新的涂层——钼粉涂层，测试金属表面耐磨性，旨在为镍铬合金表面性能改良及应用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备：镍铬合金（上海常平公司），钼粉（北京兴荣源科技有限公司），纯氧化铝（50#），天然石英砂（60#）ZB-80型等离子喷涂设备（北京航天振邦有限公司），射吸式喷砂系统（由LD36冷冻式压缩气体干燥器、LU22-8螺杆式空气压缩机、过滤器、储气罐、喷枪、喷砂柜组成），MLD-10型动载磨料磨损实验机（宣化材料试验机厂），AN0642型电子天平（上海民侨精密科学仪器有限公司），101-2型电热鼓风干燥箱。

1.2 实验方法

1.2.1 镍铬合金铸件制备：根据GB 8641-1988标准，采用失蜡法制备10mm×10mm×25mm的磨损实验用镍铬合金铸件试样18个，将18个镍铬合金铸件随机分为等离子喷涂实验组及不做任何处理的对照组，每组9个铸件。然后根据等离子喷涂技术在实验组端面进行钼粉的等离子喷涂，使涂层厚度保持在0.4mm。对照组为相同规格的镍铬合金试样，不做其他任何处理。

1.2.2 材料和参数：橡胶轮（氯丁橡胶），磨粒（60#天然石英砂），轮缘线速度（140m/min），摩擦行程（1 000转），载荷（130N）。

1.2.3 耐磨实验：用AN0642型电子天平测量出试样在实验前的质量（精确到0.000 1g），然后将试样安放在MLD-10型动载磨料磨损实验机上使试样的涂层面借助杠杆系统以一定的压力与橡胶轮接触，在漏斗中加入60#天然石英砂，按照上述实验参数使磨料以固定速度落到旋转的磨轮与试样之间，保证橡胶轮的转动方向与磨粒的流动方向一致，在此过程中密切观察漏斗中磨粒的量，避免发生磨粒缺失而造成的影响。1h后将试样取出，用压缩空气吹净试样表面的残余磨料，用AN0642型电子天平测量试样实验完成后的质量（精确到0.000 1g），测定试样的失质量，以此评价涂层的耐磨性能。

1.2.4 电镜扫描：对磨损实验后的实验组铸件进行扫描电镜观察。

2 结果

实验组磨损前质量为（22.027±0.039）g，磨损后质量为（21.920±0.055）g，损失质量为（0.101± 0.028）g；对照组磨损前质量为（21.678±0.196）g，磨损后质量为（21.466±0.192）g，损失质量为（0.212±0.045）g。2组损失质量比较差异有统计学意义（P＜0.05）。

电镜图片显示涂层表面有斑状磨损，且可发现有凹坑及切削形成的较浅沟壑，以及一些层状物。所有实验样本未发现涂层磨穿现象。见图1。

图1 涂层磨损后的扫描电镜图

3 讨论

3.1 牙科用镍铬合金：用于口腔内的金属材料在拥有其基本特性外必须满足一定的要求，生物相容性好，抗腐蚀性好，与牙釉质相近的硬度，易加工、易成型、易焊接，有很好的色泽优势，而且在口腔长期存在下不易变色，原料成本适当。镍铬合金具有较大的弹性模量，在同等应力的作用下，镍铬合金产生的形变小，所以其制作的金属内冠可以相应的很薄，这样可以减少牙体的磨除量；镍铬合金的金瓷结合性能比其他材料（钴铬合金、贵金属合金、钛合金以及纯钛）更优良，能够更好地满足烤瓷熔附金属全冠的需要；而且镍铬合金相对贵金属合金等而言造价更低，能满足大多数患者的承受能力，所以镍铬合金作为口腔修复材料在目前还有一定的市场。但随着镍铬合金在临床的应用，出现的问题也越来越多，如过敏、牙龈着色、牙周组织炎症、黏膜疾病等局部问题。因此，寻找一种简便易行，成本低的镍铬合金表面性能改良方法，避免离子析出，加强合金稳定性，将会使其应用更加安全与可靠。

3.2 等离子喷涂［3］

3.2.1 喷涂技术原理：将粉末送入惰性气体（氮气）电离所产生的高温等离子弧中（温度达100 000℃以上）熔化后，高速（487m/s）喷射到预先处理好的试件表面上形成涂层。用此喷涂技术形成的表面涂层结构细密，其氧化物含量和孔隙率较低，涂层与基体之间的结合形式以及涂层自身粒子间的结合形式以机械结合为主，另外还可以产生物理结合和冶金结合，涂层结合强度较高。同时喷涂设备控制精度高，可以精确控制涂层的厚度。

3.2.2 等离子喷涂方法：结合牙科金属修复体的特点与要求，本实验在在喷涂前进行表面预处理，包括表面净化［4］、表面粗化［5］，反复摸索实验参数，以获得理想的结合强度。最终实验选择蒸汽法和超声波法相结合的表面净化方法处理试件，在如下喷砂条件下完成砂粒材质（纯氧化铝），磨粒粒度（50#），喷嘴孔径（7.9mm），设备类型（射吸式），喷砂压力（0.58MPa），喷砂距离（120mm）。结果表明所有试件均获得稳定、良好的钼涂层。

3.2.3 涂层耐磨性［6］：在咀嚼过程中无论是天然牙还是修复体都不可避免的发生磨损，而且口腔是一个复杂的环境，其磨损形式有二体磨损、三体磨损、腐蚀磨损等多种，且以三体磨损形式为主，在咀嚼过程中还存在唾液这一润滑剂在不断影响磨损程度。体外实验的难点就是如何最大程度的模拟口腔环境。本实验选用三体磨损形式的磨粒磨损实验，以更好地模拟口腔内喷涂钼粉后涂层的耐磨性能。实验以天然石英砂为磨料，根据GB/T2918-1982标准设定实验室环境温度为（23±2）℃，相对湿度为44％～56％，所得实验结果显示在相同时间内实验组比对照组的失质量少，且差异有统计学意义（P＜0.05）。电镜图片显示涂层表面有斑状磨损，且可发现有凹坑及切削形成的较浅沟壑，以及一些层状物，这是由于在摩擦过程中两者间的突起部分相互转移，受到法向力和剪切力的作用最终剥脱下来，而脱落下的磨粒被压入到新形成的凹坑中使磨损面趋于平滑，这就使得切削的沟壑较浅。这种磨损过程中的自润滑作用，改善了磨损时的润滑状态［7］，从而增强了涂层的耐磨性能。

3.3 镍铬合金表面钼涂层的意义：本实验的主要目的是探索对镍铬合金修复体如金属冠、桩核的表面进行一定的表面处理后，能否获得理想的性能改良，以能更安全地在临床应用。钼是人体必须的微量元素，存在于人体各种组织，成人体内总量为9mg，肝、肾中含量最高。同时钼为多种酶的组成成

分。研究［7］表明钼涂层耐磨性好，抗腐蚀，与基体黏接强度高，可在一定程度上提高材料的耐磨性能。致密性好的涂层通常有更好的磨损和腐蚀性能［8］，我们利用等离子喷涂技术，在镍铬合金表面获得一致密的钼涂层［7］，期待其能克服镍铬合金自身的不稳定性，避免镍铬合金中镍离子的析出，提高生物安全性。

本实验得出的数据表明，镍铬合金表面利用等离子喷涂技术形成的钼涂层能够有效地增加镍铬合金的耐磨性，理论上可以应用于口腔医用材料的表面处理，具有良好的应用前景。

涂层性能包括涂层自身性能及涂层与基体之间的性能，不同用途的涂层要求的性能也不尽相同，如结合强度、耐磨性、耐腐蚀程度、金瓷结合情况等，本实验只是探索了涂层性能中的一个方面，实际应用还需要进一步和更全面的研究。

［1］马骞，吴凤鸣.铬合金烤瓷冠修复后的离子析出状况及研究方法［J］.口腔医学，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.

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［6］胡欣，张洁，梁春永，等.载荷变化对口腔修复用纯钛摩擦磨损性能的影响［J］.中华口腔医学研究杂志，2009，3（2）：35-37.

［7］马宝平.超微碳化钼粉体的制备及其形成涂层的磨损性能研究［J］.金属材料与冶金工程，2010，38（2）：3-7.

［8］唐家伟，谢淑兰，潘鑫，等.离子喷涂涂层的研究进展［J］.热喷涂技术，2011，3（2）：35-39.

（本文编辑：赵丽洁）

R783.1

1007-3205（2013）01-0077-03

2012-05-21；

2012-06-12

刘江伟（1986-），男，河北平山人，河北医科大学第三医院医学硕士研究生，从事口腔修复研究。