镍钛齿科车针新型复合镀层的制备与性能研究

【摘要】：针对现有齿科不锈钢车针临床使用过程中常常发生基体材料断裂、磨削无力以及因镀层对金刚石颗粒把持力不够而导致金刚石颗粒易脱落等问题,本论文设计了一类新型的以生物医用镍钛合金为基体,以包埋金刚石的新型复合镀层为切削层的电镀金刚石车针。针对新型复合镀层,选择钨元素和磷元素作为纯镍镀层的强化元素,以纳米金刚石作为增强粒子,围绕Ni/纳米金刚石、Ni-W/纳米金刚石及Ni-P/纳米金刚石复合镀层的制备和性能开展了系列研究,并在优选的工艺基础上,以包埋金刚石的Ni/Ni-P/(Ni-P/纳米金刚石)复合镀层为切削层,制备了镍钛齿科车针并对其性能进行了研究。 采用不同的混酸溶液对镍钛基体进行电镀前的预处理。研究表明,HF-H2SO4和HCl-H2SO4混合溶液均可在镍钛基体表面形成弥散分布的细小针状TiHH2相。TiHH2相可以防止电镀前镍钛基体的氧化,并能在电镀过程中促进基体和镀层金属之间形成金属键,有利于镍钛基体与镀层之间形成良好的结合；但由于镍钛基体在HF-H2SO4混合溶液中反应剧烈,并会产生裂纹,所以选择HCl-H2SO4混合溶液作为镍钛基体电镀前的预处理工艺。 Ni/纳米金刚石复合镀层的优化制备工艺为：电流密度1.5A/dm2, pH4.0,搅拌速度450rpm,温度30℃。纳米金刚石的加入将纯镍镀层的择优取向由(220)转变为(111)。镀液中纳米金刚石添加量为4g/l时,Ni/纳米金刚石复合镀层的硬度和耐磨性最好。 Ni-W/纳米金刚石复合镀层的结构为钨在镍中的固溶体,纳米金刚石在镍钨合金镀层中的加入并未改变镍钨合金镀层的晶体结构和取向。电流密度从8A/dm2增加到20A/dm2时,Ni-W合金镀层中W含量从32.6 wt.%增加到34.4wt.%；电流密度为12A/dm2时制备的Ni-W镀层结晶最细致、且与基体结合强度最好。镀液中纳米金刚石添加量达到8g/l时,Ni-W/纳米金刚石复合镀层的硬度和耐磨性最好。 Ni-P/纳米金刚石复合镀层中纳米金刚石的加入对Ni-P合金镀层有晶粒细化作用,使Ni-P合金镀层从非晶变成纳米晶。以电流密度为2A/dmm2,pH值为2.2,温度为80℃的优化工艺制备的Ni-P合金镀层为非晶镀层,磷含量可达10wt.%以上。镀液中纳米金刚石添加量达到8g/l时,Ni-P/纳米金刚石复合镀层的硬度和耐磨性最好。 齿科车针制备过程中,微米金刚石颗粒的上砂量随上砂电流密度的增加而增加,金刚石的包埋率随增厚镀时间的延长而增加。综合考虑金刚石颗粒的切削作用和基质金属对金刚石颗粒的把持力,选择上砂电流密度1.5A/dmm2,增厚时间4-5h为宜。 对三种纳米金刚石复合镀层的对比研究表明,Ni-P/纳米金刚石复合镀层的硬度和耐磨性最高,Ni/纳米金刚石复合镀层的硬度和耐磨性最低,Ni-W/纳米金刚石复合镀层的硬度和耐磨性居中。在干摩擦磨损过程,纳米金刚石复合镀层发生以磨粒磨损和粘着磨损为主的混合磨损。 对采用上述优化工艺、以包埋金刚石的Ni/Ni-P/(Ni-P/纳米金刚石)复合镀层为切削层的镍钛齿科车针的性能分析结果表明,金刚石在复合镀层中分布均匀、包埋适当,Ni-P/纳米金刚石复合镀层对金刚石颗粒的浸润性较好,结合界面处没有观察到缝隙。镍钛齿科车针的性能较目前普遍采用的不锈钢车针有大幅度的提高,其切削效率约为不锈钢车针的1.3倍,使用寿命约为不锈钢车针的1.5倍。