离子氮化锻造CoCrMo合金的结构及摩擦学性能.pdf

2010年12月
润滑与密封
Dec,2010
第35卷第12期
LUBRICATION ENGINEERING
Vol 35 No. 1
DOI:10.3969/j-is.0254-0150.2010.12.014
离子氮化鍛造 Cocrmo合金的结构及摩擦学性能
张磊王庆良孙彦敏刘庆华
(中国矿业大学材料科学与工程学院江苏徐州221115
摘要:采用离子氮化技术,对医用 Cocrmo合金进行表面离子氮化处理。利用SEM和XRD分析表面形貌和组织结
构,并测定表面硬度,采用销一盘往复运动方式,在いMT-Ⅱ微摩擦廟损试验机上考察25%小牛血清润滑条件下的摩擦
磨损性能。实验结果表明,离子氮化 Cocrmo 1合金表面形成具有纳米结构的硬质CrN和C2N氮化层,表面粗糙度上升
8显微硬度明显提高。低载荷时,氨化 COCRM合金的摩擦因数均低于末处聖合金,但高截荷时的摩擦风数接近或高于未
8处理样品。不同氮化温度和载荷条件下,氮化样品的磨损辛都明显低于未处理样品,抗摩损性能提高近4倍。 COCRMO8
合金主要以黏着磨损为主,并伴有塑性变形,氮化 Cocrmo合金的磨损较轻,主要为黏着擦伤。
关键词:锻造 Cocrmo合金;离予氮化;显微结构;摩擦磨损
中留分类号:TG144文献标识码:A文章编号:0254-0150(2010)12-061-5
Study on Microstructure and Tribological Properties
of Plasma Nitriding Forged Cocrmo Alloy
Zhang Lei Wang Qingliang Sun Yanmin Liu Qinghua
School of Material Science and Engineering, China University of Mining &Tecnology, Xuzhou Jiangsu 221116, China
2 Abstract: A medical made forged Cocrmo alloy was nitrided y plasma nitriding process at various temperatures. The
itrided layer microstructures, phases and micro-hardness were studied by scanning electron microscopy(SEM), X-ray dif-
fraction(XRD and micro-hardness meter. Tribological properties were investigated on a pin-on-disc wear tester under
25% bovine serum solutions. The experimental results show that hard Cr, N and Crn phases form on the nitriding layer. The
hardness value and surface roughness increase after treated. Under bovine serum lubrication, all of nitrided samples show
the low friction coefficients at low applied loads. But the friction coefficient of samples nitrided at high nitriding tempera-
ture increase to the same values as the untreated one at high loads. The wear rate of all nitrided samples has a reduction
compared with untreated sample. It's also observed that the adhesive wear is the main mechanism for untreated and nitrided
Cocr Mo alloy. Compared with the untreated sample, only slight and shallow plowing grooves exist on the worn surface for
nitrided samples
Keywords: forged cobalt-chromium-molybdenum alloy; plasma nitriding microstructure; friction and wear
Cocrmo合金是以钴为基本成分所形成的固溶体,磨损和金属离子Co、Cr的释放问题3。人工关节
般含有铬、钼等合金化元素。合金中较多的铬元素置换术后的长期追踪硏究表明,这些潜在毒性的金属
能够在合金表面形成薄且致密的Cr203氧化层,提高离子和磨损产生的磨损颗粒,可通过组织迁移而扩
合金的耐腐蚀和抗损性能,这类薄层氧化膜同样形散,引起局部界面骨溶解,导致假体无菌松动,是造
成于医用不锈钢和钛合金表面”2。固溶在基体中的成人工关节置换的失败的主要原因。
钥元素可细化晶粒,且原子半径较大,固溶在钴基体
表面改性技术可在提高 Cocrmo合金耐磨损性能
中成为位错流动的壁障,经铸造或锻造后可有效提高的同时,有效减少或阻止金属离子向植入假体周围组
合金的强度。虽然 Cocrmo合金因其良好的生物相容织的释放。在已开发的表面处理技术中,研究较多的
性、耐腐蚀和耐磨损性能,已广泛应用于人工髋和膝是离子注入,氮离子注入可在 ocrmo合金表面形成
关节假体的制造,但临床上依然存在 Cocrmo合金的硬的氮化物注人层,提高耐磨性能并减少有害离子的
*基金项目:清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项
释放°-?。但氮离子注人厚度有限,50~100keV下
目( SKILTKFO8A01)
的注人层深度只有0.1~0.2m,对于承重和频繁
收稿日期:2010-07-15
运动的髋和膝关节假体,这种厚度的渗层很难满足要
作者简介:张磊(1986-),男,硕土研究生,目前从事生物摩求。等离子体热化学表面处理可有效改善材料的耐
擦学研究.E-mail:zhangbei8609@cumtedu.cn.
磨、耐腐蚀和疲劳强度り,利用该技术改性 Cocrmo