医用Ti(C,N)基金属陶瓷刃具的耐蚀性研究

当当当

1　前言
   外科刃具材料必须具有很强的耐蚀性,满足一定的生物学条件和化学条件,并具有一定的强度、韧性以及优良的耐磨性[1]。医用不锈钢因其优良的耐蚀性而成为目前最主要的外科刃具材料[2]。然而,从材料学的角度看,与其它钢种和耐磨材料相比,不锈钢硬度低、耐磨性差,并不是刃具的首选材料。事实上,在外科临床上,作为骨科刃具的不锈钢在使用过程中表现出严重的磨损。人们曾希望用涂层技术提高刃具的耐磨性,但由于涂层技术自身的局限性[3,4],使涂层外科刃具目前仍难以取代传统的医用不锈钢。为此,外科临床希望能有一种高硬度高耐磨而又高耐蚀的新型刃具材料。
   Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷具有硬度高、耐磨性好、力学性能优良、抗塑性变形和抗崩刃性能突出等特点,在低速切削和湿式切削等领域内具有更大的优越性[5]。同时,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷具有良好的化学稳定性和耐蚀性能[6],其常用粘结相Ｎｉ和Ｍｏ是人体所需元素[7],所以,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷是目前所有工业刃具材料中最有可能发展为新型外科刃具材料的材料之一。鉴于此,本文针对外科刃具材料的工作条件,研制了一种新型Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷,考察其在医用消毒环境介质中的耐蚀性能,并讨论其腐蚀机理。

2　试验
   采用粉末冶金技术制备组分(质量分数)为30 0%Ｎｉ-14.0%Ｍｏ-6.0%Ｃｏ-16.0%ＴｉＮ-34.0%ＴｉＣ的Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷,1440℃真空烧结60ｍｉｎ。在医用次氯酸溶液(浓度为0.01ｍｏｌ/Ｌ)和Ｈ2Ｏ2水溶液(Ｈ2Ｏ2的质量分数为5%)两种医疗消毒溶液腐蚀环境下,以Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷、Ｔ8Ａ炭素工具钢、ＹＧ8硬质合金及1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ不锈钢等为对比材料,进行对比腐蚀试验,试样尺寸为5ｍｍ×5ｍｍ×2ｍｍ,腐蚀试验前经抛光处理。用分析天平测定腐蚀失重,扫描电子显微镜观察腐蚀表面,并用原子吸收光谱跟踪腐蚀液中的金属离子浓度,以此综合评价耐腐蚀性,并进行机理探讨。

3　试验结果及分析
3 1　试验结果
   耐蚀性定性比较试验是通过腐蚀前后试样表面状况的ＳＥＭ照片进行分析,而定量分析试验采用传统的失重法,用单位面积单位时间内的失重值评价其腐蚀速率。
   图1是四种试验材料腐蚀前试样表面的ＳＥＭ照片,图2和图3则分别为经Ｈ2Ｏ2水溶液和次氯酸溶液腐蚀后试样表面的ＳＥＭ照片。可以看出,在上面两种腐蚀介质中,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷的耐蚀性明显优于硬质合金ＹＧ8和炭素工具钢Ｔ8Ａ,但不及不锈钢1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ。
   图4所示为试样在Ｈ2Ｏ2水溶液和次氯酸盐溶液中的腐蚀速率直方图。从图中可以看出,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷在两种腐蚀介质中的耐蚀性明显优于ＹＧ8硬质合金和Ｔ8Ａ炭素工具钢,但不及1Ｇｒ18Ｎｉ9Ｔｉ不锈钢。如以ＹＧ8硬质合金作参照,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷在Ｈ2Ｏ2水溶液中具有比在次氯酸盐溶液中更低的腐蚀速率。
3 2　分析与讨论
   Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷具有一定的孔隙,在这些孔隙处容易引起应力集中,从而容易被腐蚀。其次,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷的硬质相颗粒和粘结相金属之间热膨胀系数不一致,且二者之间的相界面过渡层常常难以形成理想的过渡结构[8]。这样,试样最终组织中硬质相和粘结相之间的界面处于一定的应力场下,能量较高,成为腐蚀发生的诱发点。此外,在Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷试样的微观组织中,硬质相颗粒尺寸不是很均匀(图1ｄ),细小颗粒具有更高的界面能,易于腐蚀。所以,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷自身结构的特点,将在一定程度上降低材料本身的耐蚀性能。这可能是Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷的耐蚀性不及1Ｃｒ18ＮｉＴｉ不锈钢的重要原因之一。
   Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷由硬质相和粘结相组成,作为硬质相的陶瓷颗粒具有良好的化学稳定性,一般情况下不易腐蚀。表1列出了Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷被腐蚀后,对其腐蚀液进行原子吸收光谱分析所得到的腐蚀液中各元素的浓度,可见Ｔｉ元素的浓度极低,这进一步证实了硬质相颗粒的耐蚀性。
　粘结相主要是以Ｎｉ为基体的含Ｃｏ、Ｍｏ等的固溶体,相对于稳定的硬质相陶瓷颗粒具有更高的电极电位[6]。这样,两相之间由于电极电位的不同在一定电解质溶液中则可发生电化学腐蚀。
   在次氯酸盐溶液中,溶质主要为Ｃａ(ＣｌＯ)2,按下面的电解平衡方程发生电解,形成电解质溶液[9]:
         Ｃａ(ＣｌＯ)2+Ｈ2ＯＣａ2++ＯＨ-+Ｈ++2ＣｌＯ-
在电解质溶液中,粘结相金属Ｍｅ(Ｎｉ,Ｃｏ,Ｍｏ)的电极电位较高,会失去电子,成为阴极。以金属Ｎｉ为例:
         Ｎｉ-2ｅＮ2+ｉ
而陶瓷颗粒相电极电位低,作为细小颗粒其表面能高,能吸附Ｈ+,从而作为阳极,发生如下反应:
        2Ｈ++2ｅＨ2↑
由于ＣｌＯ-具有较强的氧化性,二价阳离子Ｎ2+ｉ能在次氯酸盐溶液中被氧化为Ｎ3+ｉ离子,发生如下反应[9]:
      2Ｎ2+ｉ+ＣｌＯ-+4ＯＨ-+Ｈ2Ｏ=2Ｎｉ(ＯＨ)3↓+Ｃｌ-
这样,使电化学腐蚀过程不断发生,腐蚀反应得以进行。同时,如前所述,两相之间的相界面过渡层处于一定的应力状态下,相界面过渡层含有大量的微晶化结构,是位错高度集中的地方[8,10],使相界面容易发生腐蚀。相界面过渡层的组元结构复杂,与粘结相金属之间电极电位不一致,这为构成微电池创造了电化学条件。因此,两相界面与两相之间也会发生电化学腐蚀。
    Ｈ2Ｏ2不论在酸性溶液或碱性溶液中都是强氧化剂[11],所以其稀溶液被广泛用作医疗杀菌剂。由表1可以看出,腐蚀试验后Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷在Ｈ2Ｏ2水溶液中,被蚀金属元素含量由高到低顺序为:Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｏ。而在Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷试样制备时,金属组元加入量以Ｎｉ最高,Ｍｏ次之,Ｃｏ最少。而且,通过组织分析和相分析表明,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷的粘结相中主要为Ｎｉ元素,Ｍｏ大部分构成碳氮化合物存在于相界面过渡层,粘结相中仅含少量的Ｍｏ固溶于Ｎｉ相,Ｃｏ主要分布于粘结相中。这样,相对于各自的含量而言,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷在Ｈ2Ｏ2水溶液中,Ｎｉ的相对耐蚀性较好。这可以解释为:由于Ｈ2Ｏ2的强氧化性,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷在Ｈ2Ｏ2水溶液中的腐蚀以氧化腐蚀为主要形式,Ｎｉ又极易被氧化,很快在表面形成一层钝化膜。Ｎｉ的氧化膜较致密、稳定,这在一定程度上降低了Ｎｉ被腐蚀的速率。
    Ｈ2Ｏ2在较低温度下能够缓慢分解,形成水和分子氧:
           2Ｈ2Ｏ22Ｈ2Ｏ+Ｏ2↑
随着温度升高,分解过程将加速。资料表明[11],Ｈ2Ｏ2水溶液中的金属离子、金属氧化物等将大大加速Ｈ2Ｏ2的分解。这样,在腐蚀实验中,腐蚀产物也将促进Ｈ2Ｏ2的分解。所以,当Ｈ2Ｏ2水溶液作为Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷的腐蚀介质时,Ｈ2Ｏ2的消耗一部分为Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷被腐蚀所致,另一部分则是由于Ｈ2Ｏ2自身的稳定性较差,逐渐分解而使Ｈ2Ｏ2的浓度进一步减小。腐蚀介质中Ｈ2Ｏ2浓度迅速减小,使腐蚀反应速度下降,从而降低了材料的被腐蚀速率。同时,腐蚀反应中Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷中的Ｎｉ由于Ｈ2Ｏ2强氧化性而生成氧化膜,一定程度上阻碍了腐蚀反应中的传质过程,降低了材料的被腐蚀速率。

4　结论
   (1)在两种常用医疗消毒介质Ｈ2Ｏ2水溶液和次氯酸盐溶液中,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷的耐蚀性不及1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ不锈钢,但明显优于ＹＧ8硬质合金和Ｔ8Ａ普通炭素工具钢。
   (2)Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷在次氯酸盐溶液中的腐蚀主要为电化学腐蚀,而在Ｈ2Ｏ2水溶液中则以氧化腐蚀为主要腐蚀形式。
   (3)Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷由于制备工艺不完善而带来的孔隙和硬质相颗粒尺寸不均匀等组织缺陷,是Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基金属陶瓷耐蚀性不理想的重要原因之一。

hunterzl

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陈近南

看了半天，累啊累。
其实这里研究的大多军刀，猎刀，医用手术刀，车刀等基本是不在讨论范围的。侧重点不一样的。
普通不锈钢的耐腐蚀性已经完全可以满足军刀猎刀的要求，完全没必要根医用刀具那样追求。重点还是锋利保持及韧性，否则也就不会出现1095这样的材料。手术刀用完可以扔了，这里研究的刀。。。。。谁扔？？又人扔嘛？喂～有没有人要扔刀啊。。。。
楼主文章出自什么地方啊，可信嘛。我对化学的只是停留在高中。。。文章中第一次接触“相”这个概念，但愿不要有错误啊。
既然看了，TiC是炭化钛吧，为啥没析出碳？不确定。

当当当

文章是我学长的论文，联系不上他，没经同意就贴出来了（删了一些），想必他知道也不会见怪。
相是物理化学领域的一个术语，我也不知道怎么解释，马氏体奥氏体说的就是钢的相，Tic不是碳化钛，是碳和钛形成的固溶体，也可看成一种相。
本文太过专业，说实话我这物理化学专业的也不是都能完全看懂，贴出来只是想与大家交流交流，顺便假装一下自己喜欢学习，呵呵。

陈近南

所谓固溶体是不是类似分子形式共享电子的分子结构？记得以前老师说过FeC3就是这中类型。8年了，当初学的时候也是浅尝，唉。。。。隔行如隔山咯。
跑题了跑题了。
再跑一下，昨天中央台采访，那孩子是个化学天才，人工合成冰毒，日产量1吨多。

刃阁

好象博克03年出过一个系列的厨刀用的就是类似的材料？当时没细看，不过一直奇怪为什么没被推广？另外，T6不知道是否符合这种要求？

hunterzl

别人合成冰毒都要麻黄素为原料，那小子的方法居然不用，而且他的工厂以前就在我家乡，我们一起学车的朋友里还有一个跟他喝过酒，怕怕！

当当当

所谓固溶体是不是类似分子形式共享电子的分子结构？
老兄说的这种结构更类似于合金。固溶体可理解为一种固体溶解于另外一种固体中，类似溶液，固溶体有一定的饱和度，温度变化或物相变化都可能使溶质过饱和而析出。

三度

博士论题！老粗绕道~~~~~~！;);)

buck882

TiC读作碳化钛，就象ＳiC读作碳化硅一样，但它不是化合物．是碳和钛的合金，靠金属键（ＴＩ），和共价键（Ｃ）结合．实际上是一层层钛原子和一层层碳原子构成．

maodie

阿哈，我是手术科室医生，如果有陶瓷刀具先推荐给我用阿

当当当

渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。

        它的含碳量为6.69％；熔点为1227℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。

        渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。

        渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时Fe3C又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下会发生分解。

阿刀

顶3下，当当当