高文，王守仁*，周吉學，喬陽

（1.濟南大學機械工程學院，山東　濟南　250022；2.山東省科學院新材料所，山東　濟南　250014）

微弧氧化WE43鎂合金人工髖關節(jié)摩擦磨損行為研究

高文1，王守仁1*，周吉學2，喬陽1

（1.濟南大學機械工程學院，山東濟南250022；2.山東省科學院新材料所，山東濟南250014）

摘要：在硅酸鈉體系中對WE43鎂合金人工髖關節(jié)進行微弧氧化，采用掃描電鏡（SEM）觀察微弧氧化膜層表面微觀形貌，進而進行摩擦磨損性能試驗，探討其磨損機制。結果表明，經(jīng)微弧氧化后可得到生長均勻、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制為磨粒磨損，高載荷下為磨粒磨損與剝落磨損并存。

關鍵詞：微弧氧化；鎂合金；人工髖關節(jié)；摩擦磨損

在髖關節(jié)植入物領域，臨床應用廣泛的醫(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，它們的密度和彈性模量與人體硬組織相差較大，力學相容性差；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，通常在人體功能恢復后，需經(jīng)二次手術將其取出，這樣增加了患者痛苦及醫(yī)療費用支出［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［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，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，維持核酸結構的穩(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)生的應力遮擋效應；（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胞的形成，能夠誘導骨骼的生長，加速骨的愈合。即便鎂具有如此巨大的優(yōu)勢，但鎂活潑的化學性質(zhì)，導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，使其在術后僅8天就失去完整性，產(chǎn)生的大量皮下氣泡導致手術失?。?］。因此，降低鎂及其合金在體內(nèi)的腐蝕速度，對其在醫(yī)用外科植入領域中的成功應用具有重要有意義。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。在表面改性技術中，微弧氧化技術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)用植入應用方面有一定的應用前景。

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條件下的摩擦磨損性能。郅青等［5］對AZ91D鎂合金微弧氧化膜的腐蝕行為研究證實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下的摩擦磨損實驗，認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合比較穩(wěn)定，如Lin［7］、Razavi［8］和Fischerauer［9］分別開展了體外細胞毒性和小鼠體內(nèi)移植效果方面的研究，證實了微弧氧化鎂合金良好的生物相容性。然而臨床應用的鎂合金僅限于WE43，Biotronik公司曾利用其制備可降解血管支架，在動物實驗和臨床應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，是改善鎂合金力學和腐蝕性能非常重要的元素［11］，但未見對WE43鎂合金微弧氧化后在醫(yī)學領域的摩擦磨損性能研究的報道。為此，本文開展了WE43鎂合金人工髖關節(jié)微弧氧化試驗，并進行了摩擦磨損性能的分析，期望拓展現(xiàn)有人工髖關節(jié)的取材范圍，減輕患者的病痛。

1　試驗材料及方法

1.1微弧氧化試驗

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

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

試驗后，采用MEF-3金相顯微鏡觀察氧化層厚度；使用FEIQUANTAFEG250型場發(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

摩擦磨損試驗采用MMG-10型氣氛保護摩擦磨損試驗機，采用環(huán)－塊式摩擦副進行試驗：環(huán)件材料為超高分子量聚乙烯（UHMWPE），以模擬人工髖關節(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，以模擬人工髖關節(jié)股骨頭，尺寸為24mm×24mm×5mm。試驗中設置鎂合金WE43試塊組作參照組。試驗中使用的潤滑劑為模擬體液（simulatedbodyfluid［14］，SBF）。

摩擦磨損試驗以以下方式開展：

（1）在轉(zhuǎn)速90r/min、載荷100N條件下，分別考察有、無潤滑劑下WE43鎂合金和微弧氧化處理后的摩擦特性；（2）潤滑條件下，設定載荷100N，轉(zhuǎn)速分別為60、90、120、150r/min，考察轉(zhuǎn)速對試樣摩擦磨損性能影響；（3）潤滑條件下，設定轉(zhuǎn)速為90r/min，載荷分別為30、60、100、140和180N，考察載荷對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　試驗結果與分析

2.1微弧氧化膜層生長狀態(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合在一起。隨著微弧氧化的進行，表層的膜層突進式地向基體內(nèi)部生長，同時基體表層發(fā)生退讓性的熔化，氧化膜層生長速度較為一致，其與基體的結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構圖。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構Fig.2　Surfacemorphology　and　transverse　filmmicrostructure　ofmicro-arc　oxidation　of　WE43magnesium　alloy

2.3人工髖關節(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)境中的瞬時摩擦系數(shù)。圖3a為未處理的WE43鎂合金膜層的瞬時摩擦系數(shù)，在干摩擦中，前200s摩擦系數(shù)迅速上升，隨著時間的增加，干摩擦系數(shù)呈現(xiàn)小幅度波動上升趨勢，1500s后趨于平穩(wěn)；在模擬體液潤滑的條件下，摩擦系數(shù)在低于0.3的小范圍內(nèi)波動前進。可見，干摩擦下的摩擦系數(shù)比模擬體液潤滑下的摩擦系數(shù)高。圖3b為微弧氧化WE43鎂合金膜層的瞬時摩擦系數(shù)，可知，隨著時間的增加，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)波動情況。圖4a為未處理的WE43鎂合金的摩擦系數(shù)波動，可見，伴隨著載荷的增大，WE43鎂合金摩擦系數(shù)下降。由于對摩副之間的接觸在微觀上是配對副表面微凸體之間的接觸，當配對副受到載荷作用時，壓力作用使得表面微凸體擠壓變形進而被剪切去除，從而改善了材料表面的粗糙度，進而其摩擦系數(shù)降低。圖4b為微弧氧化WE43鎂合金的摩擦系數(shù)波動，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，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)波動情況。圖5a為未處理的WE43鎂合金的摩擦系數(shù)，由于對摩副的快速旋轉(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，此時磨損機制為磨粒磨損。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，形成的細小的磨損顆粒隨流動的潤滑劑脫離出來。磨損機制為磨粒磨損。

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平坦，但磨損顆粒依然存在，且表面有被嚴重擠壓粘結帶走的平坦凹坑，這些凹坑邊緣有腐蝕裂紋出現(xiàn)。此時磨粒磨損依然是主導磨損機制，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。此時的磨損機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　結論

（1）利用微弧氧化技術在人工髖關節(jié)用鎂合金WE43表面制備的氧化膜層與基體結合致密，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；微弧氧化技術的應用降低了干、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）模擬體液潤滑下，WE43鎂合金的主導磨損機制為磨粒磨損；低、中載荷作用下，微弧氧化膜層的磨損機制僅以磨粒磨損存在，高載荷下，磨粒磨損與剝落磨損同時存在。

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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：TG174.451；TH117.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026（2016）01-0033-06

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.006

收稿日期：2015-09-07

基金項目：國家自然科學基金（51372101，U1134101）

作者簡介：高文（1991－），女，碩士研究生，研究方向為摩擦學設計與應用。

*通訊作者，王守仁。Email：me＿wangsr＠ujn.edu.cn