高文，王守仁*，周吉學(xué)，喬陽

（1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東　濟(jì)南　250022；2.山東省科學(xué)院新材料所，山東　濟(jì)南　250014）

微弧氧化WE43鎂合金人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損行為研究

高文1，王守仁1*，周吉學(xué)2，喬陽1

（1.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250022；2.山東省科學(xué)院新材料所，山東濟(jì)南250014）

摘要：在硅酸鈉體系中對(duì)WE43鎂合金人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行微弧氧化，采用掃描電鏡（SEM）觀察微弧氧化膜層表面微觀形貌，進(jìn)而進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)，探討其磨損機(jī)制。結(jié)果表明，經(jīng)微弧氧化后可得到生長(zhǎng)均勻、致密的氧化層；微弧氧化膜層具有一定的減摩效果和抗循環(huán)疲勞的能力，抗磨效果良好；微弧氧化WE43鎂合金在低中載荷下磨損機(jī)制為磨粒磨損，高載荷下為磨粒磨損與剝落磨損并存。

關(guān)鍵詞：微弧氧化；鎂合金；人工髖關(guān)節(jié)；摩擦磨損

在髖關(guān)節(jié)植入物領(lǐng)域，臨床應(yīng)用廣泛的醫(yī)用金屬材料有316l不銹鋼、鈷基合金和鈦合金。但這些金屬材料在體內(nèi)腐蝕溶出有毒離子，引起炎癥反應(yīng)，它們的密度和彈性模量與人體硬組織相差較大，力學(xué)相容性差；而且這些金屬在宿主體內(nèi)不可降解，若作為短期植入材料時(shí)，通常在人體功能恢復(fù)后，需經(jīng)二次手術(shù)將其取出，這樣增加了患者痛苦及醫(yī)療費(fèi)用支出［1］。相比于上述臨床醫(yī)用金屬材料，鎂及鎂合金作為骨植入材料具有一系列的優(yōu)勢(shì)［2］：（1）作為人體必須的一種重要元素，幾乎參與人體所有的新陳代謝活動(dòng)，比如，鎂參與蛋白質(zhì)的合成，能夠激活體內(nèi)多種酶，抑制神經(jīng)異常興奮性，維持核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；（2）鎂（1.738g/cm3）及其合金（1.75～1.85g/cm3）密度低，有較高的比強(qiáng)度和比剛度，彈性模量（45GPa）接近人骨（20GPa），可有效降低骨植入物產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋效應(yīng)；（3）鎂具有良好的生物活性和生物相容性，釋放出的鎂離子有利于骨細(xì)胞的形成，能夠誘導(dǎo)骨骼的生長(zhǎng)，加速骨的愈合。即便鎂具有如此巨大的優(yōu)勢(shì)，但鎂活潑的化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致鎂及其合金的耐腐蝕性能較差，特別是在含有氯離子的人體環(huán)境中更是如此。1907年，LambotteA用純鎂板與鍍金鋼釘固定小腿骨折，由于純鎂板在體內(nèi)的過快腐蝕，使其在術(shù)后僅8天就失去完整性，產(chǎn)生的大量皮下氣泡導(dǎo)致手術(shù)失敗［3］。因此，降低鎂及其合金在體內(nèi)的腐蝕速度，對(duì)其在醫(yī)用外科植入領(lǐng)域中的成功應(yīng)用具有重要有意義。為解決鎂合金快速腐蝕的問題，研究者利用諸如提純、合金化、以其表面改性處理等方式改善鎂合金的耐腐蝕能力。在表面改性技術(shù)中，微弧氧化技術(shù)通過在合金表面制備以基體金屬氧化物為主的陶瓷層，可以提高其耐腐、耐磨、絕緣和抗高溫氧化性能［4］，在醫(yī)用植入應(yīng)用方面有一定的應(yīng)用前景。

但是作為一種醫(yī)用植入材料，僅僅具有耐腐蝕能力是不夠的，還需考慮其與宿主組織間的生物相容性以及宿主活動(dòng)條件下的摩擦磨損性能。郅青等［5］對(duì)AZ91D鎂合金微弧氧化膜的腐蝕行為研究證實(shí)微弧氧化處理能明顯提高鎂合金的耐腐蝕性能；胡慧玲等［6］通過ZM5表面微弧氧化膜層在室溫干滑動(dòng)下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為處理后鎂合金耐磨性提高；微弧氧化后的鎂合金具有良好的生物相容性，植入物與宿主組織之間的結(jié)合比較穩(wěn)定，如Lin［7］、Razavi［8］和Fischerauer［9］分別開展了體外細(xì)胞毒性和小鼠體內(nèi)移植效果方面的研究，證實(shí)了微弧氧化鎂合金良好的生物相容性。然而臨床應(yīng)用的鎂合金僅限于WE43，Biotronik公司曾利用其制備可降解血管支架，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用中都取得了良好效果［10］；WE43鎂合金中含有的Y和稀土元素，是改善鎂合金力學(xué)和腐蝕性能非常重要的元素［11］，但未見對(duì)WE43鎂合金微弧氧化后在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的摩擦磨損性能研究的報(bào)道。為此，本文開展了WE43鎂合金人工髖關(guān)節(jié)微弧氧化試驗(yàn)，并進(jìn)行了摩擦磨損性能的分析，期望拓展現(xiàn)有人工髖關(guān)節(jié)的取材范圍，減輕患者的病痛。

1　試驗(yàn)材料及方法

1.1微弧氧化試驗(yàn)

本文中人工髖關(guān)節(jié)的材料為WE43鎂合金，組分為Mg-4%Y-3.3%RE（Nd，Gd）-0.5%Zr。人工髖關(guān)節(jié)柄幾何特征采用現(xiàn)階段臨床應(yīng)用成熟的人工髖關(guān)節(jié)柄形貌，利用熔模鑄造技術(shù)［12］制備了鎂合金人工髖關(guān)節(jié)柄。

微弧氧化試驗(yàn)采用JHMAO-200KVA型微弧氧化設(shè)備，在硅酸鈉（Na2SiO3）電解液體系中，放入24mm×24mm×5mm塊狀試樣，連接電極。設(shè)定微弧氧化時(shí)間為15min［13］，接通電源，開展試驗(yàn)。

試驗(yàn)后，采用MEF-3金相顯微鏡觀察氧化層厚度；使用FEIQUANTAFEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡SEM觀察試樣微弧氧化成膜表面形貌。

1.2摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)采用MMG-10型氣氛保護(hù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用環(huán)－塊式摩擦副進(jìn)行試驗(yàn)：環(huán)件材料為超高分子量聚乙烯（UHMWPE），以模擬人工髖關(guān)節(jié)髖臼（外徑13mm，內(nèi)徑9mm）；試塊材料為WE43鎂合金和微弧氧化后WE43鎂合金，以模擬人工髖關(guān)節(jié)股骨頭，尺寸為24mm×24mm×5mm。試驗(yàn)中設(shè)置鎂合金WE43試塊組作參照組。試驗(yàn)中使用的潤(rùn)滑劑為模擬體液（simulatedbodyfluid［14］，SBF）。

摩擦磨損試驗(yàn)以以下方式開展：

（1）在轉(zhuǎn)速90r/min、載荷100N條件下，分別考察有、無潤(rùn)滑劑下WE43鎂合金和微弧氧化處理后的摩擦特性；（2）潤(rùn)滑條件下，設(shè)定載荷100N，轉(zhuǎn)速分別為60、90、120、150r/min，考察轉(zhuǎn)速對(duì)試樣摩擦磨損性能影響；（3）潤(rùn)滑條件下，設(shè)定轉(zhuǎn)速為90r/min，載荷分別為30、60、100、140和180N，考察載荷對(duì)試樣摩擦磨損性能的影響。分別記錄上述各狀態(tài)下的摩擦系數(shù)。采用掃描電鏡SEM觀察試樣摩擦磨損微觀形貌。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微弧氧化膜層生長(zhǎng)狀態(tài)及成分分析

圖1是WE43鎂合金微弧氧化金相圖和膜層成分圖。如圖1a所示，微弧氧化后，氧化膜層與基體材料良好地結(jié)合在一起。隨著微弧氧化的進(jìn)行，表層的膜層突進(jìn)式地向基體內(nèi)部生長(zhǎng)，同時(shí)基體表層發(fā)生退讓性的熔化，氧化膜層生長(zhǎng)速度較為一致，其與基體的結(jié)合部位呈均勻的波浪狀態(tài)，未見有局部氧化膜層較厚的現(xiàn)象發(fā)生。微弧氧化膜層主要以Mg和O兩種元素為主（圖1b）。

圖1　WE43鎂合金微弧氧化金相圖和膜層成分圖Fig.1micro-arc　oxidation　phase　diagram　and　film　component　graph　of　WE43magnesium　alloy

2.2微弧氧化膜層表面特征分析

圖2為WE43鎂合金微弧氧化的表面形貌及膜層橫斷微觀結(jié)構(gòu)圖。圖2a中微弧氧化后的表層氧化膜層呈現(xiàn)多孔的形貌，孔洞之間依靠枝干相互支撐。膜層表層孔隙和枝干大小趨于一致，分布均勻。在WE43鎂合金微弧氧化膜層橫斷面圖像（圖2b）中，膜層整體較為致密，表層的孔隙被彼此交織的中部孔隙阻隔成為盲孔，很好地阻隔了基體與外界的接觸，下部孔隙較少，可起到減緩腐蝕速度的作用。

圖2　WE43鎂合金微弧氧化的表面形貌及膜層橫斷微觀結(jié)構(gòu)Fig.2　Surfacemorphology　and　transverse　filmmicrostructure　ofmicro-arc　oxidation　of　WE43magnesium　alloy

2.3人工髖關(guān)節(jié)用WE43鎂合金摩擦磨損性能分析

2.3.1未處理和微弧氧化兩種狀態(tài)下WE43鎂合金的摩擦磨損性能分析及對(duì)比

圖3為未處理和微弧氧化兩種狀態(tài)下的WE43鎂合金分別在干、濕兩種摩擦環(huán)境中的瞬時(shí)摩擦系數(shù)。圖3a為未處理的WE43鎂合金膜層的瞬時(shí)摩擦系數(shù)，在干摩擦中，前200s摩擦系數(shù)迅速上升，隨著時(shí)間的增加，干摩擦系數(shù)呈現(xiàn)小幅度波動(dòng)上升趨勢(shì)，1500s后趨于平穩(wěn)；在模擬體液潤(rùn)滑的條件下，摩擦系數(shù)在低于0.3的小范圍內(nèi)波動(dòng)前進(jìn)。可見，干摩擦下的摩擦系數(shù)比模擬體液潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)高。圖3b為微弧氧化WE43鎂合金膜層的瞬時(shí)摩擦系數(shù)，可知，隨著時(shí)間的增加，干、濕兩種狀態(tài)下的摩擦系數(shù)在100s后均趨于穩(wěn)定狀態(tài)，微弧氧化WE43鎂合金膜層在潤(rùn)滑劑下摩擦系數(shù)小于干摩擦下的摩擦系數(shù)，并且，此處兩狀態(tài)下的摩擦系數(shù)均小于同條件下未處理鎂合金的摩擦系數(shù)，可見微弧氧化起到了減摩的效果。

圖3　干、濕兩種摩擦環(huán)境中WE43鎂合金的瞬時(shí)摩擦系數(shù)Fig.3　Instantaneous　friction　coefficient　of　WE43magnesium　alloy　for　dry　and　wet　different　friction　conditions

圖4為未處理和微弧氧化兩種狀態(tài)下的WE43鎂合金在不同載荷下的摩擦系數(shù)波動(dòng)情況。圖4a為未處理的WE43鎂合金的摩擦系數(shù)波動(dòng)，可見，伴隨著載荷的增大，WE43鎂合金摩擦系數(shù)下降。由于對(duì)摩副之間的接觸在微觀上是配對(duì)副表面微凸體之間的接觸，當(dāng)配對(duì)副受到載荷作用時(shí)，壓力作用使得表面微凸體擠壓變形進(jìn)而被剪切去除，從而改善了材料表面的粗糙度，進(jìn)而其摩擦系數(shù)降低。圖4b為微弧氧化WE43鎂合金的摩擦系數(shù)波動(dòng)，可見，隨著載荷的增加，微弧氧化WE43鎂合金膜層摩擦系數(shù)升高，在140～180N之間，摩擦系數(shù)上升的趨勢(shì)最為明顯。由此可知，摩擦系數(shù)在低、中載荷范圍內(nèi)變化平穩(wěn)，微弧氧化層起到了減摩抗磨的作用，但高載荷（180N之后）作用時(shí)，膜層出現(xiàn)失效跡象，使摩擦系數(shù)升高。

圖4　不同載荷下WE43摩擦系數(shù)的波動(dòng)Fig.4　Fluctuation　of　friction　coefficient　of　WE43　for　different　loads

圖5為未處理和微弧氧化兩種狀態(tài)下的WE43鎂合金在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)波動(dòng)情況。圖5a為未處理的WE43鎂合金的摩擦系數(shù)，由于對(duì)摩副的快速旋轉(zhuǎn)，使得材料表面剝落顆粒增多，增加了滑動(dòng)的摩擦阻力，摩擦系數(shù)升高。圖5b為微弧氧化WE43鎂合金的摩擦系數(shù)，可見，轉(zhuǎn)速的改變對(duì)WE43鎂合金膜層的摩擦系數(shù)改變沒有太大影響，膜層在該條件速度范圍內(nèi)具備一定的抵抗循環(huán)疲勞能力，抗磨性能良好。

圖5　不同轉(zhuǎn)速下鎂合金WE43摩擦系數(shù)的波動(dòng)Fig.5　Fluctuation　of　friction　coefficient　of　WE43　for　different　rotating　speeds

2.3.2未處理和微弧氧化兩種狀態(tài)下WE43鎂合金的摩擦磨損形貌分析及對(duì)比

圖6為未處理和微弧氧化兩種狀態(tài)下WE43鎂合金在低載荷下的摩擦磨損形貌。圖6a為未處理的WE43鎂合金的摩擦磨損形貌，可以看出，低載荷下，WE43鎂合金磨損表面上有平行于滑動(dòng)方向的犁溝出現(xiàn)，且其邊緣有被擠壓的突起，突起表面有垂直于滑動(dòng)方向的裂紋，這些裂紋很可能是磨損顆粒產(chǎn)生的誘因；在滑道間，多數(shù)顆粒散落其中，部分顆粒被剝離出來，此時(shí)磨損機(jī)制為磨粒磨損。圖6b為低倍下微弧氧化WE43鎂合金的摩擦磨損形貌，如圖所示，微弧氧化WE43鎂合金膜層的磨損表面比較平坦，有為數(shù)不多的小尺寸顆粒散落。高倍圖像（圖6c）顯示微弧氧化膜層凸起部分被壓潰磨削掉，形成的細(xì)小的磨損顆粒隨流動(dòng)的潤(rùn)滑劑脫離出來。磨損機(jī)制為磨粒磨損。

圖6　低載（30　N）作用下兩種WE43鎂合金的摩擦磨損形貌Fig.6　Friction　and　wearmorphology　of　two　kinds　of　WE43magnesium　alloys　for　light　load（30　N）

圖7為未處理和微弧氧化兩種狀態(tài)下WE43鎂合金在高載荷下的摩擦磨損形貌分析。圖7a為未處理的WE43鎂合金的摩擦磨損形貌，可見，高載荷下的WE43鎂合金的磨損形貌相對(duì)平坦，但磨損顆粒依然存在，且表面有被嚴(yán)重?cái)D壓粘結(jié)帶走的平坦凹坑，這些凹坑邊緣有腐蝕裂紋出現(xiàn)。此時(shí)磨粒磨損依然是主導(dǎo)磨損機(jī)制，腐蝕磨損加重。圖7b為低倍下微弧氧化WE43鎂合金的摩擦磨損形貌，微弧氧化WE43鎂合金磨損形貌中出現(xiàn)了平行于滑移方向范圍較寬但淺的犁溝。圖7c高倍顯示磨削跡象為表層微弧氧化膜層剝落后被反復(fù)地碾壓，涂層發(fā)生失效；剝落層邊緣產(chǎn)生裂紋，一些裂紋向下延伸到膜層內(nèi)部，繼續(xù)引起新的膜層剝落失效，直至膜層完全失去作用。此時(shí)的磨損機(jī)制中磨粒磨損與剝落磨損并存。

圖7　高載（180　N）作用下WE43鎂合金的摩擦磨損形貌Fig.7　Friction　and　wearmorphology　of　WE43magnesium　alloy　for　heavy　load（180　N）

3　結(jié)論

（1）利用微弧氧化技術(shù)在人工髖關(guān)節(jié)用鎂合金WE43表面制備的氧化膜層與基體結(jié)合致密，厚度均勻，微觀表面平整度好，阻隔了基體與外界的接觸，可有效地提高基體腐蝕抗性。

（2）模擬體液的潤(rùn)滑作用，降低了WE43鎂合金的摩擦系數(shù)，起到了減摩效果；微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用降低了干、濕兩種工況下的摩擦系數(shù)，微弧氧化膜層在低中載荷范圍內(nèi)具有一定的抗循環(huán)疲勞的能力，減摩效果良好。

（3）模擬體液潤(rùn)滑下，WE43鎂合金的主導(dǎo)磨損機(jī)制為磨粒磨損；低、中載荷作用下，微弧氧化膜層的磨損機(jī)制僅以磨粒磨損存在，高載荷下，磨粒磨損與剝落磨損同時(shí)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

中圖分類號(hào)：TG174.451；TH117.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026（2016）01-0033-06

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.006

收稿日期：2015-09-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51372101，U1134101）

作者簡(jiǎn)介：高文（1991－），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

*通訊作者，王守仁。Email：me＿wangsr＠ujn.edu.cn