与传统奥氏体不锈钢相比,氮(N)合金化使高氮无镍不锈钢获得优异的耐点蚀能力、力学性能和生物相容性,在医用植入物中具有巨大的应用潜力。高氮钢以N元素代替镍(Ni)元素稳定奥氏体组织,可以有效避免Ni离子溶出对人体的毒性作用。 但是高氮钢中为增加N溶解度而大量增加的Mn元素,这会大幅度降低不锈钢的耐均匀腐蚀能力,而大量金属离子溶出会明显降低其生物相容性。基于此,本文研究硝酸钝化对高氮钢的耐均匀腐蚀性能的影响规律和机制。 不锈钢钝化
另外,本文试图开发出一种更加简单和环保的钝化的处理方式,并且初步研究钝化对高氮钢表面性能的影响。本文得到如下主要结论:(一)高氮钢的耐均匀腐蚀能力明显低于316L不锈钢和Ti6Al4V合金,其主要的溶出离子是Fe离子和Mn离子。
硝酸钝化后,高氮钢腐蚀速率可降至1/20,明显优于钝化后的316L不锈钢,与Ti6Al4V相当。硝酸钝化温度、浓度和时间三者均对高氮钢的耐均匀腐蚀性能有影响,其中温度对高氮钢耐均匀腐蚀性能的影响最为显著,而硝酸浓度对耐蚀性影响较小。
随着温度的升高,高氮钢的耐均匀腐蚀性能逐渐增强,而随着硝酸浓度的增加,高氮钢耐均匀腐蚀性能仅稍微增强。硝酸钝化后,高氮钢的耐均匀腐蚀性能的大幅度增加与钝化膜中Cr元素大量富集及N元素以CrN的形式在钝化膜/基体界面大量富集相关。
(二)采用水钝化后,高氮钢离子溶出量大幅降低。水钝化温度和时间均对高氮钢的耐均匀腐蚀性能有显著影响。
随着温度的升高,高氮钢的耐均匀腐蚀性能逐渐增加。随着时间的延长,高氮钢的耐均匀腐蚀性能进一步得到提高。
在高温长时间的钝化条件下,高氮钢的耐均匀腐蚀性能可以达到和硝酸钝化同样的水平,但是水钝化需要更高的钝化温度和更多钝化时间。水钝化提高高氮钢耐均匀腐蚀性能与钝化膜厚度增加及Cr元素富集有关,未发现明显的N富集。
与硝酸钝化不同,水钝化通过选择性溶解使Cr元素大量富集并与氧反应形成更多的Cr2O3,进而提高高氮钢的耐均匀腐蚀性能。(三)钝化后,高氮钢表面与水和α-溴代萘的接触角均大幅度减小,润湿性能得到大幅度提高。
钝化后,高氮钢表面张力增大,这主要与其极性分量大幅度增加有关。高氮钢表面具有正电荷,并且钝化后,过剩电荷量变大。
与硝酸钝化相比,水钝化后的高氮钢的表面具有更优异的润湿性能。因此,钝化后高氮钢可以获得更加优异的生物相容性。
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