專(zhuān)利名稱：醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面離子氮化方法，尤其是一種適用于制備硬質(zhì)氮化物陶瓷層、 實(shí)現(xiàn)金屬的表面陶瓷化，以提高其耐磨性和使用安全性的醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面 離子氮化方法。
背景技術(shù)：
CoCrMo (鈷鉻鉬)合金是以鈷為基本成份所形成的固溶體。合金中較多的鉻元素 能夠在合金表面形成薄且致密的Cr2O3 (氧化鉻)氧化層，提高合金的耐腐蝕和抗磨損性能。 雖然CoCrMo (鈷鉻鉬)合金因其良好的生物相容性、耐腐蝕和耐磨損性能，已廣泛應(yīng)用于人 工髖和膝關(guān)節(jié)假體的制造，但臨床上依然存在CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的磨損和金屬離子Co (鈷)、Cr (鉻)等的釋放問(wèn)題。人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后的長(zhǎng)期追蹤研究表明，這些潛在毒性的金 屬離子和磨損產(chǎn)生的磨損顆粒，可通過(guò)組織遷移而擴(kuò)散，是引起局部界面骨溶解，導(dǎo)致假體 無(wú)菌松動(dòng)，進(jìn)而造成人工關(guān)節(jié)置換失敗的主要原因。表面改性技術(shù)可在提高CoCrMo (鈷鉻鉬)合金耐磨損性能的同時(shí)，有效減少或阻止 金屬離子向植入假體周?chē)M織的釋放。在已開(kāi)發(fā)的表面處理技術(shù)中，研究較多的是離子注 入，氮離子注入可在CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面形成硬的氮化物注入層，提高耐磨性能并減 少有害離子的釋放。但氮離子注入厚度有限，5(Tl00keV下的注入層深度只有0.廣0.2 μ m， 對(duì)于承重和頻繁運(yùn)動(dòng)的髖和膝關(guān)節(jié)假體，這種厚度的滲層很難滿足要求。因?yàn)榧袤w在承重 載荷和摩擦的作用下，較薄的氮離子注入層容易被磨損掉，最終導(dǎo)致了 CoCrMo (鈷鉻鉬)合 金裸露出來(lái)，不能起到有效的耐磨和防止有害離子釋放的作用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面離子氮化方 法，通過(guò)對(duì)醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面進(jìn)行離子氮化處理，從而獲得高硬度和具有一定 厚度的氮化物陶瓷層，能夠顯著提高CoCrMo (鈷鉻鉬)合金假體的耐磨損性和使用安全性， 進(jìn)而提高CoCrMo (鈷鉻鉬)合金假體的使用壽命。技術(shù)方案本發(fā)明的醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面離子氮化方法，包括以下步 驟
a、將醫(yī)用CoCrMo(鈷鉻鉬)合金表面先用不同型號(hào)的多種水砂紙依次打磨，然后通過(guò) 機(jī)械拋光的方法降低CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的表面粗糙度至15nm以下；
b、將拋光后的CoCrMo(鈷鉻鉬)合金浸入酒精溶劑中超聲波清洗，以除去合金表面污 物，之后放入烘干爐中烘干；
C、將干燥后的醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金放入離子氮化爐的反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行 抽真空，當(dāng)反應(yīng)室的氣壓低于0. IPa時(shí)，向反應(yīng)室中通入氬氣，對(duì)醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金 進(jìn)行濺射清洗，清洗在反應(yīng)室升溫的過(guò)程中同步進(jìn)行，當(dāng)升溫達(dá)到預(yù)定的離子氮化溫度后， 停止濺射清洗；d、抽出反應(yīng)室中的氬氣，向反應(yīng)室中通入NH3(氨氣)，控制反應(yīng)室氣體壓力、離子氮化 溫度、放電電壓、電流密度，保溫纊10小時(shí)后，爐冷至100°C出爐。所述不同型號(hào)的多種水砂紙分別為180#，400#，800#，1200#水砂紙；所述浸入酒精 溶劑中超聲波清洗的時(shí)間為l(T20min ；所述放入烘干爐中烘干的溫為60°C，烘干的時(shí)間為 10小時(shí)；所述對(duì)醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金進(jìn)行濺射清洗時(shí)反應(yīng)室的氣壓為9(Tl50Pa，放 電電壓為48CT530V ；所述通入NH3 (氨氣)時(shí)反應(yīng)室氣體壓力控制在40(T500Pa，離子氮化 溫度為75(T850°C，放電電壓為55CT600V，電流密度為4 5mA/cm2。有益效果由于采用上述方案，離子氮化后，CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面形成 了具有一定厚度的致密的納米結(jié)構(gòu)氮化層——Cr2N (氮化二鉻)和CrN (氮化鉻)硬質(zhì)化合 物層，能有效的提高CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的表面硬度。且氮化層深入到CoCrMo (鈷鉻鉬) 合金的晶界中，與基體形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)合方式，必然會(huì)帶來(lái)良好的力學(xué)結(jié)合性 能。因此，離子氮化后，一定厚度的氮化層所具有的高硬度以及與CoCrMo (鈷鉻鉬)合金基 體的網(wǎng)狀結(jié)合方式，保證了離子氮化后，醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金假體的耐磨損性和使用 安全性的明顯提高，達(dá)到了發(fā)明的目的，并具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明的氮化物陶瓷層與基體之間形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征，很好的解決了氮化層 與CoCrMo (鈷鉻鉬)合金間結(jié)合狀況問(wèn)題；
2.氮化層與基體的網(wǎng)狀結(jié)合，能有效提高CoCrMo(鈷鉻鉬)合金的承載能力和耐磨損 性能，減少有毒離子的釋放；
3.本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，在生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的離子氮化層掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖2是本發(fā)明的氮化層與基體結(jié)合的斷面掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖3是本發(fā)明制備氮化層的X射線衍射(XRD)譜圖。圖4是本發(fā)明制備的氮化層的顯微硬度柱狀圖。圖5是本發(fā)明制備的離子氮化樣品和未處理樣品在不同實(shí)驗(yàn)載荷條件下的磨損 率圖。圖6是本發(fā)明制備的離子氮化樣品的磨損區(qū)域表面的掃描電子顯微鏡(SEM)微觀 形貌照片。圖7是未進(jìn)行離子氮化處理的樣品的磨損區(qū)域表面的掃描電子顯微鏡(SEM)微觀 形貌照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一、用180#，400#，800#，1200#的水砂紙依次打磨醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金 表面，然后通過(guò)機(jī)械拋光的方法降低CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的表面粗糙度至15nm以下，拋 光后用酒精溶劑超聲清洗CoCrMo (鈷鉻鉬)合金，清洗時(shí)間15min，以除去合金表面污物，再 在60°C的烘干爐中烘干10個(gè)小時(shí)，備用；將干燥后的醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金放入離子 氮化爐的反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行抽真空(反應(yīng)室的氣壓低于0. lPa)，然后向反應(yīng)室中通入 氬氣，對(duì)合金進(jìn)行濺射清洗，清洗時(shí)反應(yīng)室的氣壓為120Pa，放電電壓為500V，清洗在反應(yīng)室升溫的過(guò)程中同步進(jìn)行，升溫達(dá)到預(yù)定的離子氮化溫度后，停止濺射清洗；濺射清洗后， 抽出反應(yīng)室中的氬氣(反應(yīng)室氣壓低于0. IPa),,采用純NH3 (氨氣)為氣源，向反應(yīng)室中通 入NH3 (氨氣)，反應(yīng)室氣體壓力控制在450Pa，離子氮化溫度為800°C，放電電壓為575V，電 流密度為4. 5mA/cm2，保溫9小時(shí)后，爐冷至100°C出爐。
上述離子氮化工藝后，醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面形成了具有致密的納米結(jié)構(gòu) 的氮化物陶瓷層，顆粒呈球狀，排列均勻致密，顆粒尺寸小于120nm (如圖1);氮化層的厚度 約為18 μ m，且氮化層深入到CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的晶界中，與基體形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)合方式，必然會(huì)帶來(lái)良好的力學(xué)性能(圖2) ；XRD結(jié)果分析表明離子氮化后的氮化層 硬質(zhì)化合物相為CrN (氮化鉻)和Cr2N (氮化二鉻)相(圖3)；氮化層的硬度為980. 6HV0.05, 為CoCrMo (鈷鉻鉬)合金硬度的2. 8倍(圖4);以相同條件離子氮化處理的CoCrMo (鈷鉻鉬) 合金銷(xiāo)試樣(半徑4mm)為摩擦副，在2. 5MPa、5. 5MPa和8. 5MPa載荷下，25%小牛血清溶液 潤(rùn)滑，離子氮化試樣的磨損率顯著降低，2. 5MPa載荷下，磨損率僅為1. 26X10-8mg(N · m)—1， 耐磨損性能比未處理CoCrMo (鈷鉻鉬)合金提高了 4倍(圖5);離子氮化后樣品的磨痕表面 (圖6)相對(duì)于未處理的樣品(圖7)只出現(xiàn)了輕微的局部剝落現(xiàn)象，磨損較輕，磨痕較淺，表 明耐磨性有了明顯的提高。
實(shí)施例二、將醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面用180#，400#，800#，1200#的水砂紙依 次打磨，然后通過(guò)機(jī)械拋光的方法降低CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的表面粗糙度至15nm以下， 拋光后將CoCrMo (鈷鉻鉬)合金浸入酒精溶劑中超聲波清洗lOmin，以除去合金表面污物， 再在60°C的烘干爐中烘干10個(gè)小時(shí)，備用。將干燥后的醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金放入離 子氮化爐的反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行抽真空，當(dāng)反應(yīng)室的氣壓低于0. IPa時(shí)，向反應(yīng)室中通 入氬氣，對(duì)合金進(jìn)行濺射清洗，清洗在反應(yīng)室升溫的過(guò)程中同步進(jìn)行，清洗時(shí)反應(yīng)室的氣壓 為90 ，放電電壓為480V，升溫達(dá)到預(yù)定的離子氮化溫度后，停止濺射清洗；對(duì)醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金濺射清洗后，抽出反應(yīng)室中的氬氣(反應(yīng)室氣壓低于0. IPa),,采用純NH3 (氨 氣)為氣源，向反應(yīng)室中通入NH3 (氨氣)，反應(yīng)室氣體壓力控制在400Pa，離子氮化溫度為 750°C，放電電壓為550V，電流密度為4mA/cm2，保溫8小時(shí)后，爐冷至100°C出爐。
上述離子氮化工藝后，醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面形成了具有致密的納米結(jié)構(gòu) 的氮化物陶瓷層，顆粒呈球狀且排列均勻致密，尺寸小于IOOnm ；氮化層的厚度約為16μπι， 且氮化層深入到CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的晶界中，與基體形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；XRD結(jié)果分 析表明離子氮化后的亦形成CrN (氮化鉻)和Cr2N (氮化二鉻)硬質(zhì)化合物相；氮化層的硬 度為930. 3HV0.05 ；與實(shí)施例一進(jìn)行相同條件的摩擦實(shí)驗(yàn)，得到相類(lèi)似的結(jié)果，磨損率明顯降 低，磨痕表面只出現(xiàn)一些輕微的局部剝落現(xiàn)象，磨損較輕。
實(shí)施例三、將醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面先用180#，400#，800#，1200#的水砂紙 依次打磨，然后通過(guò)機(jī)械拋光的方法降低CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的表面粗糙度至15nm以下， 拋光后將CoCrMo(鈷鉻鉬)合金浸入酒精溶劑中超聲波清洗20min，以除去合金表面污物，再 在60°C的烘干爐中烘干10個(gè)小時(shí)，備用；將干燥后的醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金放入離子 氮化爐的反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行抽真空，當(dāng)反應(yīng)室的氣壓低于0. IPa時(shí)，向反應(yīng)室中通入 氬氣，對(duì)合金進(jìn)行濺射清洗，清洗在反應(yīng)室升溫的過(guò)程中同步進(jìn)行，清洗時(shí)反應(yīng)室的氣壓為 150Pa，放電電壓為530V，升溫達(dá)到預(yù)定的離子氮化溫度后，停止濺射清洗；對(duì)醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金濺射清洗后，抽出反應(yīng)室中的氬氣(反應(yīng)室氣壓低于0. IPa),,采用純NH3 (氨氣)為氣源，向反應(yīng)室中通入NH3 (氨氣)，反應(yīng)室氣體壓力控制在500Pa，離子氮化溫度為 850°C，放電電壓為600V，電流密度為5mA/cm2，保溫10小時(shí)后，爐冷至100°C出爐。
上述離子氮化工藝后，醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金表面形成了較致密的納米結(jié)構(gòu) 的氮化物陶瓷層，顆粒呈球狀，排列均勻，尺寸小于130nm;氮化層的厚度約為20 μ m，氮化 層與CoCrMo (鈷鉻鉬)合金基體形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，XRD結(jié)果分析表明離子氮化后的氮化 層硬質(zhì)化合物相為CrN (氮化鉻)和Cr2N (氮化二鉻)相；氮化層的硬度為940. 5HVa(15，與實(shí) 施例一進(jìn)行相同條件的摩擦實(shí)驗(yàn)，可得到相類(lèi)似的結(jié)果，磨損率明顯降低，磨痕表面只出現(xiàn) 一些輕微的局部剝落現(xiàn)象，磨損較輕。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法，其特征是包括以下步驟a、將醫(yī)用CoCrMo(鈷鉻鉬)合金表面先用不同型號(hào)的多種水砂紙依次打磨，然后通過(guò) 機(jī)械拋光的方法降低CoCrMo (鈷鉻鉬)合金的表面粗糙度至15nm以下；b、將拋光后的CoCrMo(鈷鉻鉬)合金浸入酒精溶劑中超聲波清洗，以除去合金表面污 物，之后放入烘干爐中烘干；C、將干燥后的醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金放入離子氮化爐的反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行 抽真空，當(dāng)反應(yīng)室的氣壓低于0. IPa時(shí)，向反應(yīng)室中通入氬氣，對(duì)醫(yī)用CoCrMo (鈷鉻鉬)合金 進(jìn)行濺射清洗，清洗在反應(yīng)室升溫的過(guò)程中同步進(jìn)行，當(dāng)升溫達(dá)到預(yù)定的離子氮化溫度后， 停止濺射清洗；d、抽出反應(yīng)室中的氬氣，向反應(yīng)室中通入NH3(氨氣)，控制反應(yīng)室氣體壓力、離子氮化 溫度、放電電壓、電流密度，保溫纊10小時(shí)后，爐冷至100°C出爐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法，其特征是所述不同型 號(hào)的多種水砂紙分別為180#，400#，800#，1200#水砂紙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法，其特征是所述浸入酒 精溶劑中超聲波清洗的時(shí)間為l(T20min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法，其特征是所述放入烘 干爐中烘干的溫為60°C，烘干的時(shí)間為10小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法，其特征是所述對(duì)醫(yī)用 CoCrMo (鈷鉻鉬)合金進(jìn)行濺射清洗時(shí)反應(yīng)室的氣壓為90150 ，放電電壓為48(T530V。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法，其特征是所述通入 NH3 (氨氣)時(shí)反應(yīng)室氣體壓力控制在40(T500Pa，離子氮化溫度為75(T850°C，放電電壓為 550 600V，電流密度為4 5mA/cm2。
全文摘要
一種醫(yī)用CoCrMo合金表面離子氮化方法，首先對(duì)水砂紙打磨的CoCrMo(鈷鉻鉬)合金表面后進(jìn)行拋光，酒精和去離子水超聲波清洗，烘干備用；其次用氬氣對(duì)作為基體的CoCrMo(鈷鉻鉬)合金進(jìn)行清洗；最后利用離子氮化技術(shù)以純NH3(氨氣)作為氣源，在CoCrMo(鈷鉻鉬)合金表面形成一種氮化物陶瓷層。其氮化層成分由致密的納米結(jié)構(gòu)的Cr2N(氮化二鉻)和CrN(氮化鉻)化合物組成，在一定程度上提高了CoCrMo(鈷鉻鉬)合金的表面硬度；氮化層深入到CoCrMo(鈷鉻鉬)合金的晶界中，與基體形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，易于推廣，可有效提高CoCrMo(鈷鉻鉬)合金的抗磨損性能，減少毒性Co(鈷)和Cr(鉻)離子的釋放及引起的失效問(wèn)題，在生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
文檔編號(hào)C23C8/02GK102031482SQ201010555638
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者孫彥敏, 張磊, 張緒平, 王慶良, 董建東 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)