微弧氧化WE43镁合金人工髋关节摩擦磨损行为研究

高文，王守仁*，周吉学，乔阳

（1.济南大学机械工程学院，山东　济南　250022；2.山东省科学院新材料所，山东　济南　250014）

微弧氧化WE43镁合金人工髋关节摩擦磨损行为研究

高文1，王守仁1*，周吉学2，乔阳1

（1.济南大学机械工程学院，山东济南250022；2.山东省科学院新材料所，山东济南250014）

摘要：在硅酸钠体系中对WE43镁合金人工髋关节进行微弧氧化，采用扫描电镜（SEM）观察微弧氧化膜层表面微观形貌，进而进行摩擦磨损性能试验，探讨其磨损机制。结果表明，经微弧氧化后可得到生长均匀、致密的氧化层；微弧氧化膜层具有一定的减摩效果和抗循环疲劳的能力，抗磨效果良好；微弧氧化WE43镁合金在低中载荷下磨损机制为磨粒磨损，高载荷下为磨粒磨损与剥落磨损并存。

关键词：微弧氧化；镁合金；人工髋关节；摩擦磨损

在髋关节植入物领域，临床应用广泛的医用金属材料有316l不锈钢、钴基合金和钛合金。但这些金属材料在体内腐蚀溶出有毒离子，引起炎症反应，它们的密度和弹性模量与人体硬组织相差较大，力学相容性差；而且这些金属在宿主体内不可降解，若作为短期植入材料时，通常在人体功能恢复后，需经二次手术将其取出，这样增加了患者痛苦及医疗费用支出［1］。相比于上述临床医用金属材料，镁及镁合金作为骨植入材料具有一系列的优势［2］：（1）作为人体必须的一种重要元素，几乎参与人体所有的新陈代谢活动，比如，镁参与蛋白质的合成，能够激活体内多种酶，抑制神经异常兴奋性，维持核酸结构的稳定性；（2）镁（1.738g/cm3）及其合金（1.75～1.85g/cm3）密度低，有较高的比强度和比刚度，弹性模量（45GPa）接近人骨（20GPa），可有效降低骨植入物产生的应力遮挡效应；（3）镁具有良好的生物活性和生物相容性，释放出的镁离子有利于骨细胞的形成，能够诱导骨骼的生长，加速骨的愈合。即便镁具有如此巨大的优势，但镁活泼的化学性质，导致镁及其合金的耐腐蚀性能较差，特别是在含有氯离子的人体环境中更是如此。1907年，LambotteA用纯镁板与镀金钢钉固定小腿骨折，由于纯镁板在体内的过快腐蚀，使其在术后仅8天就失去完整性，产生的大量皮下气泡导致手术失败［3］。因此，降低镁及其合金在体内的腐蚀速度，对其在医用外科植入领域中的成功应用具有重要有意义。为解决镁合金快速腐蚀的问题，研究者利用诸如提纯、合金化、以其表面改性处理等方式改善镁合金的耐腐蚀能力。在表面改性技术中，微弧氧化技术通过在合金表面制备以基体金属氧化物为主的陶瓷层，可以提高其耐腐、耐磨、绝缘和抗高温氧化性能［4］，在医用植入应用方面有一定的应用前景。

但是作为一种医用植入材料，仅仅具有耐腐蚀能力是不够的，还需考虑其与宿主组织间的生物相容性以及宿主活动条件下的摩擦磨损性能。郅青等［5］对AZ91D镁合金微弧氧化膜的腐蚀行为研究证实微弧氧化处理能明显提高镁合金的耐腐蚀性能；胡慧玲等［6］通过ZM5表面微弧氧化膜层在室温干滑动下的摩擦磨损实验，认为处理后镁合金耐磨性提高；微弧氧化后的镁合金具有良好的生物相容性，植入物与宿主组织之间的结合比较稳定，如Lin［7］、Razavi［8］和Fischerauer［9］分别开展了体外细胞毒性和小鼠体内移植效果方面的研究，证实了微弧氧化镁合金良好的生物相容性。然而临床应用的镁合金仅限于WE43，Biotronik公司曾利用其制备可降解血管支架，在动物实验和临床应用中都取得了良好效果［10］；WE43镁合金中含有的Y和稀土元素，是改善镁合金力学和腐蚀性能非常重要的元素［11］，但未见对WE43镁合金微弧氧化后在医学领域的摩擦磨损性能研究的报道。为此，本文开展了WE43镁合金人工髋关节微弧氧化试验，并进行了摩擦磨损性能的分析，期望拓展现有人工髋关节的取材范围，减轻患者的病痛。

1　试验材料及方法

1.1微弧氧化试验

本文中人工髋关节的材料为WE43镁合金，组分为Mg-4%Y-3.3%RE（Nd，Gd）-0.5%Zr。人工髋关节柄几何特征采用现阶段临床应用成熟的人工髋关节柄形貌，利用熔模铸造技术［12］制备了镁合金人工髋关节柄。

微弧氧化试验采用JHMAO-200KVA型微弧氧化设备，在硅酸钠（Na2SiO3）电解液体系中，放入24mm×24mm×5mm块状试样，连接电极。设定微弧氧化时间为15min［13］，接通电源，开展试验。

试验后，采用MEF-3金相显微镜观察氧化层厚度；使用FEIQUANTAFEG250型场发射扫描电镜SEM观察试样微弧氧化成膜表面形貌。

1.2摩擦磨损试验

摩擦磨损试验采用MMG-10型气氛保护摩擦磨损试验机，采用环－块式摩擦副进行试验：环件材料为超高分子量聚乙烯（UHMWPE），以模拟人工髋关节髋臼（外径13mm，内径9mm）；试块材料为WE43镁合金和微弧氧化后WE43镁合金，以模拟人工髋关节股骨头，尺寸为24mm×24mm×5mm。试验中设置镁合金WE43试块组作参照组。试验中使用的润滑剂为模拟体液（simulatedbodyfluid［14］，SBF）。

摩擦磨损试验以以下方式开展：

（1）在转速90r/min、载荷100N条件下，分别考察有、无润滑剂下WE43镁合金和微弧氧化处理后的摩擦特性；（2）润滑条件下，设定载荷100N，转速分别为60、90、120、150r/min，考察转速对试样摩擦磨损性能影响；（3）润滑条件下，设定转速为90r/min，载荷分别为30、60、100、140和180N，考察载荷对试样摩擦磨损性能的影响。分别记录上述各状态下的摩擦系数。采用扫描电镜SEM观察试样摩擦磨损微观形貌。

2　试验结果与分析

2.1微弧氧化膜层生长状态及成分分析

图1是WE43镁合金微弧氧化金相图和膜层成分图。如图1a所示，微弧氧化后，氧化膜层与基体材料良好地结合在一起。随着微弧氧化的进行，表层的膜层突进式地向基体内部生长，同时基体表层发生退让性的熔化，氧化膜层生长速度较为一致，其与基体的结合部位呈均匀的波浪状态，未见有局部氧化膜层较厚的现象发生。微弧氧化膜层主要以Mg和O两种元素为主（图1b）。

图1　WE43镁合金微弧氧化金相图和膜层成分图Fig.1micro-arc　oxidation　phase　diagram　and　film　component　graph　of　WE43magnesium　alloy

2.2微弧氧化膜层表面特征分析

图2为WE43镁合金微弧氧化的表面形貌及膜层横断微观结构图。图2a中微弧氧化后的表层氧化膜层呈现多孔的形貌，孔洞之间依靠枝干相互支撑。膜层表层孔隙和枝干大小趋于一致，分布均匀。在WE43镁合金微弧氧化膜层横断面图像（图2b）中，膜层整体较为致密，表层的孔隙被彼此交织的中部孔隙阻隔成为盲孔，很好地阻隔了基体与外界的接触，下部孔隙较少，可起到减缓腐蚀速度的作用。

图2　WE43镁合金微弧氧化的表面形貌及膜层横断微观结构Fig.2　Surfacemorphology　and　transverse　filmmicrostructure　ofmicro-arc　oxidation　of　WE43magnesium　alloy

2.3人工髋关节用WE43镁合金摩擦磨损性能分析

2.3.1未处理和微弧氧化两种状态下WE43镁合金的摩擦磨损性能分析及对比

图3为未处理和微弧氧化两种状态下的WE43镁合金分别在干、湿两种摩擦环境中的瞬时摩擦系数。图3a为未处理的WE43镁合金膜层的瞬时摩擦系数，在干摩擦中，前200s摩擦系数迅速上升，随着时间的增加，干摩擦系数呈现小幅度波动上升趋势，1500s后趋于平稳；在模拟体液润滑的条件下，摩擦系数在低于0.3的小范围内波动前进。可见，干摩擦下的摩擦系数比模拟体液润滑下的摩擦系数高。图3b为微弧氧化WE43镁合金膜层的瞬时摩擦系数，可知，随着时间的增加，干、湿两种状态下的摩擦系数在100s后均趋于稳定状态，微弧氧化WE43镁合金膜层在润滑剂下摩擦系数小于干摩擦下的摩擦系数，并且，此处两状态下的摩擦系数均小于同条件下未处理镁合金的摩擦系数，可见微弧氧化起到了减摩的效果。

图3　干、湿两种摩擦环境中WE43镁合金的瞬时摩擦系数Fig.3　Instantaneous　friction　coefficient　of　WE43magnesium　alloy　for　dry　and　wet　different　friction　conditions

图4为未处理和微弧氧化两种状态下的WE43镁合金在不同载荷下的摩擦系数波动情况。图4a为未处理的WE43镁合金的摩擦系数波动，可见，伴随着载荷的增大，WE43镁合金摩擦系数下降。由于对摩副之间的接触在微观上是配对副表面微凸体之间的接触，当配对副受到载荷作用时，压力作用使得表面微凸体挤压变形进而被剪切去除，从而改善了材料表面的粗糙度，进而其摩擦系数降低。图4b为微弧氧化WE43镁合金的摩擦系数波动，可见，随着载荷的增加，微弧氧化WE43镁合金膜层摩擦系数升高，在140～180N之间，摩擦系数上升的趋势最为明显。由此可知，摩擦系数在低、中载荷范围内变化平稳，微弧氧化层起到了减摩抗磨的作用，但高载荷（180N之后）作用时，膜层出现失效迹象，使摩擦系数升高。

图4　不同载荷下WE43摩擦系数的波动Fig.4　Fluctuation　of　friction　coefficient　of　WE43　for　different　loads

图5为未处理和微弧氧化两种状态下的WE43镁合金在不同转速下的摩擦系数波动情况。图5a为未处理的WE43镁合金的摩擦系数，由于对摩副的快速旋转，使得材料表面剥落颗粒增多，增加了滑动的摩擦阻力，摩擦系数升高。图5b为微弧氧化WE43镁合金的摩擦系数，可见，转速的改变对WE43镁合金膜层的摩擦系数改变没有太大影响，膜层在该条件速度范围内具备一定的抵抗循环疲劳能力，抗磨性能良好。

图5　不同转速下镁合金WE43摩擦系数的波动Fig.5　Fluctuation　of　friction　coefficient　of　WE43　for　different　rotating　speeds

2.3.2未处理和微弧氧化两种状态下WE43镁合金的摩擦磨损形貌分析及对比

图6为未处理和微弧氧化两种状态下WE43镁合金在低载荷下的摩擦磨损形貌。图6a为未处理的WE43镁合金的摩擦磨损形貌，可以看出，低载荷下，WE43镁合金磨损表面上有平行于滑动方向的犁沟出现，且其边缘有被挤压的突起，突起表面有垂直于滑动方向的裂纹，这些裂纹很可能是磨损颗粒产生的诱因；在滑道间，多数颗粒散落其中，部分颗粒被剥离出来，此时磨损机制为磨粒磨损。图6b为低倍下微弧氧化WE43镁合金的摩擦磨损形貌，如图所示，微弧氧化WE43镁合金膜层的磨损表面比较平坦，有为数不多的小尺寸颗粒散落。高倍图像（图6c）显示微弧氧化膜层凸起部分被压溃磨削掉，形成的细小的磨损颗粒随流动的润滑剂脱离出来。磨损机制为磨粒磨损。

图6　低载（30　N）作用下两种WE43镁合金的摩擦磨损形貌Fig.6　Friction　and　wearmorphology　of　two　kinds　of　WE43magnesium　alloys　for　light　load（30　N）

图7为未处理和微弧氧化两种状态下WE43镁合金在高载荷下的摩擦磨损形貌分析。图7a为未处理的WE43镁合金的摩擦磨损形貌，可见，高载荷下的WE43镁合金的磨损形貌相对平坦，但磨损颗粒依然存在，且表面有被严重挤压粘结带走的平坦凹坑，这些凹坑边缘有腐蚀裂纹出现。此时磨粒磨损依然是主导磨损机制，腐蚀磨损加重。图7b为低倍下微弧氧化WE43镁合金的摩擦磨损形貌，微弧氧化WE43镁合金磨损形貌中出现了平行于滑移方向范围较宽但浅的犁沟。图7c高倍显示磨削迹象为表层微弧氧化膜层剥落后被反复地碾压，涂层发生失效；剥落层边缘产生裂纹，一些裂纹向下延伸到膜层内部，继续引起新的膜层剥落失效，直至膜层完全失去作用。此时的磨损机制中磨粒磨损与剥落磨损并存。

图7　高载（180　N）作用下WE43镁合金的摩擦磨损形貌Fig.7　Friction　and　wearmorphology　of　WE43magnesium　alloy　for　heavy　load（180　N）

3　结论

（1）利用微弧氧化技术在人工髋关节用镁合金WE43表面制备的氧化膜层与基体结合致密，厚度均匀，微观表面平整度好，阻隔了基体与外界的接触，可有效地提高基体腐蚀抗性。

（2）模拟体液的润滑作用，降低了WE43镁合金的摩擦系数，起到了减摩效果；微弧氧化技术的应用降低了干、湿两种工况下的摩擦系数，微弧氧化膜层在低中载荷范围内具有一定的抗循环疲劳的能力，减摩效果良好。

（3）模拟体液润滑下，WE43镁合金的主导磨损机制为磨粒磨损；低、中载荷作用下，微弧氧化膜层的磨损机制仅以磨粒磨损存在，高载荷下，磨粒磨损与剥落磨损同时存在。

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Frictionandwearresearchofartificialhipjointwithmicro-arcoxidationWE43magnesiumalloy

GAOWen1，WANGShou-ren1*，ZHOUJi-xue2，QIAOYang1

（1.SchoolofmechanicalEngineering，UniversityofJinan，Jinan250022，China；2.InstituteofNewmaterials，ShandongAcademyofSciences，Jinan250014，China）

Abstract：Weperformedmicro-arcoxidationforartificialhipjointswithWE43magnesiumalloyinsodiumsilicatesystem.Weemployedscanningelectronmicroscopy（SEM）toobservethemicrostructureofmicro-arcoxidationcoatingandthenconductedfrictionandweartesttoinvestigateitswearmechanism.Resultsshowthatuniformanddenseoxidationcoatingcanbeacquiredaftermicro-arcoxidation.Thecoatinghasacertainfrictionreductionandanti-cyclicfatiguecapabilities，soitsanti-weareffectisbetter.Thewearmechanismofmicro-arcoxidationofWE43magnesiumalloyisonlyabrasivewearforlightandmediumloads.However，spallingwearandabrasivewearcoexistforheavyloads.

Keywords：micro-arcoxidation；magnesiumalloy；artificialhipjoint；frictionandwear

中图分类号：TG174.451；TH117.1

文献标识码：A

文章编号：1002-4026（2016）01-0033-06

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.006

收稿日期：2015-09-07

基金项目：国家自然科学基金（51372101，U1134101）

作者简介：高文（1991－），女，硕士研究生，研究方向为摩擦学设计与应用。

*通讯作者，王守仁。Email：me＿wangsr＠ujn.edu.cn