鈦金屬的表面處理技術(shù)
鈦金屬的表面處理技術(shù)
鈦在高溫下易于與空氣中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素發(fā)生反應(yīng),在鑄件表面形成表面污染層,使其優(yōu)良的理化性能變差,硬度增加、塑性、彈性降低,脆性增加。
鈦的密度小,故鈦液流動(dòng)時(shí)慣性小,熔鈦流動(dòng)性差致使鑄流率低。鑄造溫度與鑄型溫差(300℃)較大,冷卻快,鑄造在保護(hù)性氣氛中進(jìn)行,鈦鑄件表面和內(nèi)部難免有氣孔等缺陷出現(xiàn),對(duì)鑄件的質(zhì)量影響很大.彈簧
因此,鈦鑄件的表面處理與其它牙用合金相比顯得更為重要,由于鈦的獨(dú)特的理化性能,如導(dǎo)熱系數(shù)小、表面硬度、及彈性模量低,粘性大,電導(dǎo)率低、易氧化等,這對(duì)鈦的表面處理帶來(lái)了很大的難度,采用常規(guī)的表面處理方法很難達(dá)到理想的效果。必須采用特殊的加工方法和操作手段。
鑄件的后期表面處理不僅是為了得到平滑光亮的表面,減少食物及菌斑等的積聚和粘附,維持患者的正常的口腔微生態(tài)的平衡,同時(shí)也增加了義齒的美感;更重要的是通過(guò)這些表面處理和改性過(guò)程,改善鑄件的表面性狀和適合性,提高義齒的耐磨、耐蝕和抗應(yīng)力疲勞等理化特性。
一、 表面反應(yīng)層的去除
表面反應(yīng)層是影響鈦鑄件理化性能的主要因素,在鈦鑄件研磨拋光前,必須達(dá)到完全去除表面污染層,才能達(dá)到滿(mǎn)意的拋光效果。通過(guò)噴砂后酸洗的方法可完全去除鈦的表面反應(yīng)層。
1. 噴砂: 鈦鑄件的噴砂處理一般選用白剛玉粗噴較好,噴砂的壓力要比非貴金屬者較小,一般控制在0.45Mpa以下。因?yàn)?,噴射壓力過(guò)大時(shí),砂粒沖擊鈦表面產(chǎn)生激烈火花,溫度升高可與鈦表面發(fā)生反應(yīng),形成二次污染,影響表面質(zhì)量。時(shí)間為15~30秒,僅去除鑄件表面的粘砂、表面燒結(jié)層和部分和氧化層即可。其余的表面反應(yīng)層結(jié)構(gòu)宜采用化學(xué)酸洗的方法快速去除。
2. 酸洗: 酸洗能夠快速完全去除表面反應(yīng)層,而表面不會(huì)產(chǎn)生其他元素的污染。HF—HCl系和HF—HNO3系酸洗液都可用于鈦的酸洗,但HF—HCl系酸洗液吸氫量較大,而HF—HNO3系酸洗液吸氫量小,可控制HNO3的濃度減少吸氫,并可對(duì)表面進(jìn)行光亮處理,一般HF的濃度在3%~5%左右,HNO3的濃度在15%~30%左右為宜。
二、鑄造缺陷的處理
內(nèi)部氣孔和縮孔內(nèi)部缺陷:可等熱靜壓技術(shù)(hot isostatic pressing)去除, 但對(duì)義齒的精度會(huì)產(chǎn)生影響,最好用X線探傷后,表面磨除暴露氣孔,用激光補(bǔ)焊。表面氣孔缺陷可直接用激光局部焊接修補(bǔ)。
三、研磨與拋光
1. 機(jī)械研磨: 鈦的化學(xué)反應(yīng)性高,導(dǎo)熱系數(shù)低,粘性大,機(jī)械研磨研削比低,且易于磨料磨具發(fā)生反應(yīng),普通磨料不宜用于鈦的研磨與拋光,最好采用導(dǎo)熱性好的超硬磨料,如金剛石、立方氮化硼等,拋光線速度一般為900~1800m/min.為宜,否則,鈦表面易發(fā)生研削燒傷和微裂紋。壓縮彈簧
2. 超聲波研磨: 通過(guò)超聲振動(dòng)作用,使磨頭和被研磨面間的磨粒與被研磨面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而達(dá)到研磨、拋光的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于常規(guī)旋轉(zhuǎn)工具研磨不到的溝、窩和狹窄部位變得容易了,但較大的鑄件研磨效果還不能令人滿(mǎn)意。
3. 電解機(jī)械復(fù)合研磨: 采用導(dǎo)電磨具,在磨具與研磨面之間施加電解液和電壓,通過(guò)機(jī)械和電化學(xué)拋光的共同作用下,降低表面粗糙度提高表面光澤度。電解液為0.9NaCl,電壓為5v,轉(zhuǎn)速為3000rpm/min.,此方法只能研磨平面,對(duì)復(fù)雜的義齒支架的研磨還處于研究階段。
4. 桶研磨:利用研磨桶的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力,使桶內(nèi)的義齒與磨料相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)而起到降低表面粗糙度的研磨目的。研磨自動(dòng)化、效率高,但只能降低表面粗糙度而不能提高表面光澤度,研磨的精度較差,可用與義齒精拋光前的去毛刺和粗研磨。
5. 化學(xué)拋光:化學(xué)拋光是通過(guò)金屬在化學(xué)介質(zhì)中的氧化還原反應(yīng)而達(dá)到整平拋光的目的。其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)拋光與金屬的硬度、拋光面積與結(jié)構(gòu)形狀無(wú)關(guān),凡與拋光液接觸的部位均被拋光,不須特殊復(fù)雜設(shè)備,操作簡(jiǎn)便,較適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦義齒支架的拋光。但化學(xué)拋光的工藝參數(shù)較難控制,要求在不影響義齒精度的情況下能夠?qū)αx齒有良好的拋光效果。較好的鈦化學(xué)拋光液是HF和HNO3 按一定比例配制,HF是還原劑,能溶解鈦金屬,起到整平作用,濃度<10%, HNO3起氧化作用,防止鈦的溶解過(guò)度和吸氫,同時(shí)可產(chǎn)生光亮作用。鈦拋光液要求濃度高,溫度低,拋光時(shí)間短(1~2min.)。
6. 電解拋光:又稱(chēng)為電化學(xué)拋光或者陽(yáng)極溶解拋光,由于鈦的電導(dǎo)率較低,氧化性能極強(qiáng),采用有水酸性電解液如HF—H3PO4、HF—H2SO系電解液對(duì)鈦幾乎不能拋光,施加外電壓后,鈦陽(yáng)極立刻發(fā)生氧化,而使陽(yáng)極溶解不能進(jìn)行。但采用無(wú)水氯化物電解液在低電壓下,對(duì)鈦有良好的拋光效果,小型試件可得到鏡面拋光,但對(duì)于復(fù)雜修復(fù)體仍不能達(dá)到完全拋光的目的,也許采用改變陰極形狀和附加陰極的方法能解決這一難題,還有待于進(jìn)一步研究。拉伸彈簧
四、鈦的表面改性
1. 氮化:采用等離子體滲氮、多弧離子鍍、離子注入和激光氮化的等化學(xué)熱處理技術(shù), 在鈦義齒表面形成金黃色TiN滲鍍層,從而提高鈦的耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性。但技術(shù)復(fù)雜,設(shè)備昂貴,用于鈦義齒的表面改性很難達(dá)到臨床實(shí)用化。
2. 陽(yáng)極氧化:鈦的陽(yáng)極氧化技術(shù)較為容易,在一些氧化性介質(zhì)中,外加電壓的作用下,鈦陽(yáng)極可形成較厚的氧化膜,從而提高其耐腐蝕性和耐磨性和耐候性。陽(yáng)極氧化的電解液一般采用H2SO4、H3PO4和有機(jī)酸水溶液。
3. 大氣氧化:鈦在高溫大氣中可形成較厚堅(jiān)固的無(wú)水氧化膜,對(duì)鈦的全面腐蝕、間隙腐蝕都有效,方法比較簡(jiǎn)便。
五、 著色
為了增加鈦義齒的美感、防止鈦義齒在自然條件下的繼續(xù)氧化的變色,可采用表面氮化處理、大氣氧化和陽(yáng)極氧化法表面著色處理,使表面形成淡黃色或金黃色,提高鈦義齒的美感。陽(yáng)極氧化法利用鈦的氧化膜對(duì)光的干涉作用,自然發(fā)色,可通過(guò)改變槽電壓在鈦表面形成多彩的顏色。扭轉(zhuǎn)彈簧
六、 其他表面處理
1: 表面粗化:為了提高鈦與飾面樹(shù)脂的粘結(jié)性能,必須對(duì)鈦表面進(jìn)行粗化處理,提高其粘結(jié)面積。臨床上常采用噴砂粗化處理,但噴砂會(huì)造成鈦表面的氧化鋁的污染,我們采用草酸刻蝕的方法,得到良好的粗化效果,刻蝕1h表面粗糙度(Ra)可達(dá)到1.50±0.30μm,刻蝕2h Ra為2.99±0.57μm,比單獨(dú)噴砂的Ra(1.42±0.14μm)提高一倍多,其粘結(jié)強(qiáng)度提高了30%。
2: 抗高溫氧化的表面處理:為了防止鈦在高溫下的急劇氧化,在鈦表面形成鈦硅化合物及鈦鋁化合物,可防止鈦在700℃以上溫度下的氧化。這種表面處理對(duì)鈦的高溫氧化非常有效,也許鈦表面涂覆這類(lèi)化合物,對(duì)鈦瓷結(jié)合有利,仍須進(jìn)一步研究。