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

（河北醫科大學第三醫院口腔科，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*

（河北醫科大學第三醫院口腔科，河北石家莊 050051）

目的應用新型的合金表面處理方法——等離子噴涂技術，進行鎳鉻合金表面鉬粉噴涂，檢測涂層耐磨性能，探索鎳鉻合金性能改良的方法與手段。方法將18個鎳鉻合金鑄件隨機分為等離子噴涂實驗組及不做任何處理的對照組，每組9個鑄件。通過磨損實驗檢驗涂層的耐磨性能，并對磨損后的實驗組鑄件進行掃描電鏡觀察。結果實驗組失質量為（0.101±0.028）g，對照組為（0.212±0.045）g，差異有統計學意義（P＜0.01）。結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處理的鎳鉻合金。

牙修復體；鉻合金；鉬

鎳鉻合金是早期應用于口腔的非貴金屬材料，具有良好的金屬機械性能，低廉的價格，良好的金瓷結合強度，在口腔修復領域應用十分廣泛，至今已有幾十年的歷史。但是鎳鉻合金作為牙科修復材料在口腔中性能的不穩定性正在受到越來越多的質疑。鎳鉻合金在口腔環境中金屬離子析出［1］引起的變態反應、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。因為貴金屬合金高昂的價格使得鎳鉻合金目前在我國經濟不發達地區的使用仍然有很大的市場，我們試圖尋找一種新的簡易處理方法和材料來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材料。有研究［2］表明鎳鉻合金中鉬的含量對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。本實驗采用等離子噴涂技術，在鎳鉻合金表面形成一新的涂層——鉬粉涂層，測試金屬表面耐磨性，旨在為鎳鉻合金表面性能改良及應用提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備：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型等離子噴涂設備（北京航天振邦有限公司），射吸式噴砂系統（由LD36冷凍式壓縮氣體干燥器、LU22-8螺桿式空氣壓縮機、過濾器、儲氣罐、噴槍、噴砂柜組成），MLD-10型動載磨料磨損實驗機（宣化材料試驗機廠），AN0642型電子天平（上海民僑精密科學儀器有限公司），101-2型電熱鼓風干燥箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 鎳鉻合金鑄件制備：根據GB 8641-1988標準，采用失蠟法制備10mm×10mm×25mm的磨損實驗用鎳鉻合金鑄件試樣18個，將18個鎳鉻合金鑄件隨機分為等離子噴涂實驗組及不做任何處理的對照組，每組9個鑄件。然后根據等離子噴涂技術在實驗組端面進行鉬粉的等離子噴涂，使涂層厚度保持在0.4mm。對照組為相同規格的鎳鉻合金試樣，不做其他任何處理。

1.2.2 材料和參數：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），載荷（130N）。

1.2.3 耐磨實驗：用AN0642型電子天平測量出試樣在實驗前的質量（精確到0.000 1g），然后將試樣安放在MLD-10型動載磨料磨損實驗機上使試樣的涂層面借助杠桿系統以一定的壓力與橡膠輪接觸，在漏斗中加入60#天然石英砂，按照上述實驗參數使磨料以固定速度落到旋轉的磨輪與試樣之間，保證橡膠輪的轉動方向與磨粒的流動方向一致，在此過程中密切觀察漏斗中磨粒的量，避免發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型電子天平測量試樣實驗完成后的質量（精確到0.000 1g），測定試樣的失質量，以此評價涂層的耐磨性能。

1.2.4 電鏡掃描：對磨損實驗后的實驗組鑄件進行掃描電鏡觀察。

2 結果

實驗組磨損前質量為（22.027±0.039）g，磨損后質量為（21.920±0.055）g，損失質量為（0.101± 0.028）g；對照組磨損前質量為（21.678±0.196）g，磨損后質量為（21.466±0.192）g，損失質量為（0.212±0.045）g。2組損失質量比較差異有統計學意義（P＜0.05）。

電鏡圖片顯示涂層表面有斑狀磨損，且可發現有凹坑及切削形成的較淺溝壑，以及一些層狀物。所有實驗樣本未發現涂層磨穿現象。見圖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，與牙釉質相近的硬度，易加工、易成型、易焊接，有很好的色澤優勢，而且在口腔長期存在下不易變色，原料成本適當。鎳鉻合金具有較大的彈性模量，在同等應力的作用下，鎳鉻合金產生的形變小，所以其制作的金屬內冠可以相應的很薄，這樣可以減少牙體的磨除量；鎳鉻合金的金瓷結合性能比其他材料（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；而且鎳鉻合金相對貴金屬合金等而言造價更低，能滿足大多數患者的承受能力，所以鎳鉻合金作為口腔修復材料在目前還有一定的市場。但隨著鎳鉻合金在臨床的應用，出現的問題也越來越多，如過敏、牙齦著色、牙周組織炎癥、黏膜疾病等局部問題。因此，尋找一種簡便易行，成本低的鎳鉻合金表面性能改良方法，避免離子析出，加強合金穩定性，將會使其應用更加安全與可靠。

3.2 等離子噴涂［3］

3.2.1 噴涂技術原理：將粉末送入惰性氣體（氮氣）電離所產生的高溫等離子弧中（溫度達100 000℃以上）熔化后，高速（487m/s）噴射到預先處理好的試件表面上形成涂層。用此噴涂技術形成的表面涂層結構細密，其氧化物含量和孔隙率較低，涂層與基體之間的結合形式以及涂層自身粒子間的結合形式以機械結合為主，另外還可以產生物理結合和冶金結合，涂層結合強度較高。同時噴涂設備控制精度高，可以精確控制涂層的厚度。

3.2.2 等離子噴涂方法：結合牙科金屬修復體的特點與要求，本實驗在在噴涂前進行表面預處理，包括表面凈化［4］、表面粗化［5］，反復摸索實驗參數，以獲得理想的結合強度。最終實驗選擇蒸汽法和超聲波法相結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（純氧化鋁），磨粒粒度（50#），噴嘴孔徑（7.9mm），設備類型（射吸式），噴砂壓力（0.58MPa），噴砂距離（120mm）。結果表明所有試件均獲得穩定、良好的鉬涂層。

3.2.3 涂層耐磨性［6］：在咀嚼過程中無論是天然牙還是修復體都不可避免的發生磨損，而且口腔是一個復雜的環境，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，在咀嚼過程中還存在唾液這一潤滑劑在不斷影響磨損程度。體外實驗的難點就是如何最大程度的模擬口腔環境。本實驗選用三體磨損形式的磨粒磨損實驗，以更好地模擬口腔內噴涂鉬粉后涂層的耐磨性能。實驗以天然石英砂為磨料，根據GB/T2918-1982標準設定實驗室環境溫度為（23±2）℃，相對濕度為44％～56％，所得實驗結果顯示在相同時間內實驗組比對照組的失質量少，且差異有統計學意義（P＜0.05）。電鏡圖片顯示涂層表面有斑狀磨損，且可發現有凹坑及切削形成的較淺溝壑，以及一些層狀物，這是由于在摩擦過程中兩者間的突起部分相互轉移，受到法向力和剪切力的作用最終剝脫下來，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。這種磨損過程中的自潤滑作用，改善了磨損時的潤滑狀態［7］，從而增強了涂層的耐磨性能。

3.3 鎳鉻合金表面鉬涂層的意義：本實驗的主要目的是探索對鎳鉻合金修復體如金屬冠、樁核的表面進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，成人體內總量為9mg，肝、腎中含量最高。同時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，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定性，避免鎳鉻合金中鎳離子的析出，提高生物安全性。

本實驗得出的數據表明，鎳鉻合金表面利用等離子噴涂技術形成的鉬涂層能夠有效地增加鎳鉻合金的耐磨性，理論上可以應用于口腔醫用材料的表面處理，具有良好的應用前景。

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，如結合強度、耐磨性、耐腐蝕程度、金瓷結合情況等，本實驗只是探索了涂層性能中的一個方面，實際應用還需要進一步和更全面的研究。

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（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，河北醫科大學第三醫院醫學碩士研究生，從事口腔修復研究。

*通訊作者。E-mail：471368205@qq.com

10.3969/j.issn.1007-3205.2013.01.032