CC BY
84
УДК 621.9.047/048-114
Н.В. Бекренев, С.В. Приходько
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ АБРАЗИВНО-СТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПОД ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ БИОПОКРЫТИЙ
Исследован микрорельеф поверхности титановых дентальных имплантатов, полученный абразивно-струйной обработкой с воздействием ультразвука, и определены эмпирические зависимости. Установлено, что сообщение изделию ультразвуковых колебаний обеспечивает формирование заданного рельефа в 2-3 раза быстрее, разброс элементов шероховатости по высоте снижается с 35-40 до 1421%, изменением направления колебаний возможно формировать ориентированный рельеф поверхности.
N.V. Bekrenev, S.V. Prihodko
ULTRASONIC MODIFYING OF DENTAL IMPLANTS SURFACE IN THE PROCESS OF ITS ABRASIVE MACHINING WITH ELECTROPLASMA
SPRAYING OF BIOCOVERINGS
The micro relief of a surface of the titanic samples, generated is researched by abrasive-jet processing at the message to a basis of ultrasonic fluctuations. Essential increase of a relief of a surface and uniformity of elements of a micro relief is established at influence on a basis of ultrasound. It is shown here, that at influence of a stream of an abrasive on a surface making ultrasonic fluctuations, comprehensible for the subsequent plasma spraying the micro relief is formed already in the first 10-15 seconds of processing while at processing without ultrasound this time makes 30-40 seconds.
Развитие современной техники характеризуется созданием и применением новых материалов, свойства которых в наибольшей степени отвечают служебному назначению изделия. При этом в большинстве случаев оказывается целесообразным (в основном по технологическим причинам) изготавливать основу из обычного конструкционного материала, а на поверхности изделия формировать специальное покрытие, обладающее комплексом механических, физико-химических и других свойств.
Проблема повышения качества напылённых покрытий имеет приоритетное значение во многих областях плазменной технологии, включая применение их в медицине. Подготовка поверхности изделий перед электроплазменным напылением покрытий является важным технологическим этапом, во многом определяющим адгезионную прочность покрытий, а значит - работоспособность изделий. Адгезия покрытий, в частности, имеет большое значение для дентальных имплантатов (искусственных зубных корней) поскольку определяет возможность их установки с требуемым натягом, что необходимо для качественного приживления, и последующее
адекватное восприятие жевательных нагрузок, соответствующее функционированию естественного зубного корня [1, 2].
Абразивно-струйная обработка среди различных механических, химических и электрофизических методов подготовки поверхности перед напылением покрытий и в настоящее время остается широко распространенным процессом. Это объясняется простотой осуществления и универсальностью, а также тем, что наряду с созданием развитого микрорельефа, обеспечивающего надежное механическое сцепление покрытия с основой, этот метод создает энергетическую активацию поверхностных атомов, увеличивая силы физического взаимодействия материалов покрытия и основы [3-5]. Однако, ему присущ ряд недостатков, наиболее существенными из которых можно считать:
1) хаотичный и неоднородный характер микрорельефа, что может привести к неоднородной адгезии покрытия;
2) возможность шаржирования (внедрения) частиц абразива в обрабатываемый материал;
3) наличие в контактной зоне «покрытие - основа» посторонних загрязнений, связанных с воздействием потока абразива на материал сопла пескоструйного аппарата и переносом его частиц к поверхности детали.
В соответствии с изложенным, совершенствование процесса абразивно-струйной обработки с целью повышения однородности микрорельефа и чистоты поверхности представляется важным для науки и практики, что позволит, например, повысить качество и процент приживляемости дентальных имплантатов.
Авторами исследовалась схема абразивно-струйной обработки поверхности при сообщении образцу ультразвуковых колебаний перпендикулярно и параллельно потоку абразивного порошка. В процессе экспериментальных исследований давление воздуха в системе подачи абразива составляло 0,7 МПа. Образец в виде пластины размерами 10x8x0,5 мм из титана ВТ 1-00 закрепляли в ультразвуковом преобразователе сначала так, что колебания были направлены перпендикулярно потоку абразива, а затем - параллельно. Частота колебаний составляла 22 кГц, амплитуда 8-10 мкм. В качестве абразива использовали корундовый порошок зернистостью 0,2-0,3 мм. Время эксперимента варьировалось от 10 до 40 секунд, давление воздуха - от 4 до 8 МПа, амплитуда колебаний образца - 3-8 мкм. Изучали параметры шероховатости поверхности методом профилометрии на профилографе 170111 и характеристики микрорельефа на компьютерном анализаторе изображений микроструктур АГПМ-6М. Рельефность оценивали по соотношению темных и светлых полей на изображении микрорельефа, а равномерность его параметров - по дисперсии величин темных пятен и дисперсии параметров шероховатости. Особое внимание уделяли времени формирования развитого рельефа поверхности, разбросу значений элементов микрорельефа в пределах поверхности образца. Был реализован полный факторный эксперимент и получены степенные функции отклика.
Наиболее характерные изображения микрорельефа, который образовался при обработке с ультразвуком и без ультразвука, представлены после обработки на анализаторе АГПМ-6М на рис. 1, а-г. Видно, что без озвучивания основы во время абразивно-струйной обработки характер микрорельефа во времени практически не меняется. Также мало изменяется характер микрорельефа и при сообщении ультразвуковых колебаний параллельно потоку абразива. Рельефность поверхности за время обработки практически не меняется и составляет 32 и 28% при времени обработки 10 и 40 секунд соответственно. Скорее всего, это связано с большим количеством мелких неровностей, которые могли остаться от предыдущей обработки, а при малом времени обработки поток абразива не смог их полностью нивелировать. Характер полученного микрорельефа представлен в основном немного вытянутыми углублениями и выступами, которые хаотично расположены в пространстве. При этом на малых временах воздействия потока абразива остаются значительные необработанные участки (рис. 1, а). В то же время при наложении на основу ультразвука
рельефность выросла с 27% при времени обработки 10 секунд до 44% при 40 секундах (рис.
2). Микронеровности полностью равномерно покрывают поверхность образца, а разброс их размеров во время обработки изменяется случайным образом, но в целом снижается. При обработке без ультразвука разброс параметров Rmax и Sm составил соответственно 45 и 100%, особенно при больших значениях давления воздуха и малых временах обработки. При обработке с ультразвуком наиболее существенный вклад в снижение разброса, а значит и равномерность рельефа, вносит амплитуда колебаний образца.
Так, при увеличении амплитуды с 3 до 8 мкм при обработке в течение 10 с и давлении 4 МПа разброс параметра Rmax снизился с 32 до 14%, при обработке в течение 40 с - с 26 до 20%. Однако, при увеличении давления с 4 до 8 МПа разброс вновь возрастает до 30-34%. Минимальный разброс значений параметра Бт составляет 22% при обработке с давлением 4 МПа, амплитуде 8 мкм и времени 40 с.
При обработке с малыми амплитудами в течение 10 с и при высоких давлениях воздуха величина Sm изменяется в пределах 32-64%.
Обобщая эти результаты, можно заключить, что наиболее равномерный микрорельеф поверхности формируется при ее обработке абразивом с давлением воздуха 4 МПа с амплитудой колебаний образца не менее 8 мкм в течение времени более 10 с.
На рис. 3-4 представлена динамика изменения параметров шероховатости в зависимости от времени обработки с наложением ультразвуковых колебаний на основу и без колебаний.
Из представленных графиков видно, что при наложении ультразвуковых колебаний на основу, начиная с 10-й секунды, параметры шероховатости выше, чем при обыкновенной абразивно-струйной обработке. Средний шаг неровностей микрорельефа Бт в этом случае примерно на 50% выше, чем при обработке без ультразвука, а Rz - на 2030%. В то же время параметр Яа практически не зависит от применения ультразвука. Скорее всего, это связано с уменьшением количества мелких неровностей, которые не играют существенной роли при дальнейшем плазменном напылении покрытий и мало сказываются на адгезии.
Таким образом, при воздействии ультразвуковых колебаний наблюдается увеличение рельефности поверхности по сравнению с обычной обработкой, начиная с 2530-й секунды. При обработке без ультразвука не наблюдается стабильной зависимости размеров элементов рельефа от времени.
Из представленного графика (рис. 5) видно, что количество элементов
микрорельефа (зёрен), получаемых при разных направлениях УЗ, отличается, а первая схема даёт большее их количество. Ввиду этого целесообразнее её применение при обработке. Исследования параметров шероховатости показало, что при воздействии УЗ наблюдается увеличение параметров Ra, Rz, Rmax, особенно при обработке по первой схеме. Наибольшее увеличение наблюдается в первые 15 секунд обработки. Например, величина Ятах после 10 секунд обработки составила приблизительно 6 мкм, а без ультразвука - 3,5 мкм - через 40 секунд соответственно 6 и 6,5 мкм. Это говорит о возможности формирования достаточно развитого рельефа за значительно меньшие промежутки времени, что с одной стороны позволяет повысить производительность, а с другой стороны дает возможность уменьшить количество инородных включений. Сходные результаты получаются для Rz. При обработке по первой схеме наблюдается более сложный рельеф в виде вытянутых неровностей, которые должны обеспечить более надёжное сцепление частиц покрытия с основой.
Рис. 1. Внешний вид микрорельефа после обработки без ультразвука в течение 10 с (а) и 40 с ( б) и с ультразвуком (в и г)
Рис. 2. Рельефность поверхности Р в зависимости от времени обработки t
1,с
с уз без уз
Рис. 3. Зависимость параметра ^ от времени обработки t
б
а
в
г
Рис. 4. Зависимость параметра Эт от времени обработки
^ с
Рис. 5. Количество лунок (М) в зависимости от времени и направления УЗК
Функции отклика, полученные в результате обработки экспериментальных данных, имеют следующий вид:
г, -1,21 ,<0,36 0,075 ,0,055 Ч
Rmax = в ’ А’ р’ V , (1)
о 1,4 .<0,22 0,01 ,0,1
Sm = e ’ А ’ р V , (2)
где А - амплитуда колебаний образца, мкм; р - давление воздуха МПа; t - время обработки, с.
Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод, что из трех технологических факторов в наибольшей степени на величину элементов микрорельефа поверхности влияет амплитуда ультразвука, влияние давления и времени меньше на порядок. При этом давление оказывает большее влияние на высоту элементов рельефа, а время - на их шаг.
Видно, что при комбинированной подготовке поверхности под электроплазменное напыление основными управляющими факторами можно считать амплитуду ультразвука и время. Давление желательно минимизировать по указанной выше причине -отрицательному влиянию на разброс значений элементов микрорельефа.
При изучении микрофотографий выяснилось, что с увеличением времени обработки при воздействии УЗ микрорельеф приобретает пространственный характер, ориентированный в направлении колебаний излучателя. Это может быть связано со скользящим характером взаимодействия частиц с поверхностью основы. Углубления и выступы становятся больше по размеру и гораздо длиннее. Можно предположить, что частицы покрытия при напылении будут сцепляться с ними гораздо лучше, чем при обычном рельефе.
На формирование ориентации рельефа может повлиять и то, что ультразвук особым образом действует на дефекты кристаллической решетки металла, они становятся подвижнее, изменяется предел прочности материала и, следовательно, он легче обрабатывается [6]. При направленном действии на подложку абразивной струи в зоне таких изменений повышается интенсивность обработки. Кроме этого, на рис. 6, а представлена микрофотография шлифа поверхности, подвергнутой воздействию УЗ. На ней чётко видно, что поверхность приобрела очертания стоячей волны, в то время как на микрофотографии 6, б не наблюдается подобного рельефа. Очевидно, что первая поверхность имеет более развитую морфологию рельефа и большую его площадь, что сказывается на последующем сцеплении покрытия с этой поверхностью.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что наложение ультразвуковых колебаний на основу в процессе абразивно-струйной обработки обеспечивает получение более развитого и однородного микрорельефа поверхности, что может способствовать повышению величины и равномерности адгезии, а значит - улучшению качества и надежности дентальных имплантатов с плазмонапыленными биопокрытиями.
Рис. 6. Поверхность, подвергнутая УЗ (а) и обычной (б) абразивно-струйной обработке
Выводы
1. На формирование микрорельефа абразивно-струйной обработкой с воздействием ультразвука существенно влияет ориентация колебаний изделия. Наибольший эффект достигается при направлении колебаний перпендикулярно потоку абразива.
2. Воздействие ультразвука на основу при абразивно-струйной обработке позволяет формировать более развитый ориентированный микрорельеф с меньшим разбросом величин параметров, чем при обработке по обычной схеме. При этом формируется большая площадь самого образца за счет изменения профиля поверхности.
3. Для подготовки поверхности под электроплазменное напыление можно рекомендовать следующие режимы, обеспечивающие формирование развитого микрорельефа с минимальным разбросом параметров, амплитуда колебаний 8 мкм, давление воздуха не более 4 МПа, время обработки - 20-30 с.
4. При электроплазменном напылении порошковых покрытий на поверхность, подготовленную абразивно-струйной обработкой с воздействием ультразвуковых колебаний перпендикулярно потоку абразива, можно ожидать увеличения его адгезионных характеристик и повышения равномерности адгезии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Конструирование, производство и применение внутрикостных стоматологических имплантатов: учеб. пособие / Н.В. Бекренёв, Н.В. Протасова, И.В. Родионов, А.В. Лясникова. Саратов: СГТУ, 2003. 76 с.
2. Лясникова А. В. Повышение качества электроплазменного напыления биопокрытий имплантатов на основе модифицирования подложки: автореф. ... канд. техн. наук / А.В. Лясникова. Саратов, 2002. 24 с.
3. Лясников В.Н. Плазменное напыление покрытий в производстве изделий электронной техники / В.Н. Лясников, В.С. Украинский, Г.Ф. Богатырев. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1985. 200 с.
4. Мчедлов С.Г. Совершенствование технологии изготовления поршневых колец на основе применения тангенциальной обработки свободным абразивом поверхности под упрочняющее плазменное покрытие: автореф. . канд. техн. наук / С.Г. Мчедлов. Саратов, 2002. 18 с.
5. Проволоцкий А.Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин / А.Е. Проволоцкий. Киев: Наукова думка, 1989. 279 с.
6. Хорбенко Н.Г. Ультразвук в машиностроении. Изд. 2-е, перераб. и доп. / Н.Г. Хорбенко. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
Бекренёв Николай Валерьевич -
доктор технических наук,
профессор кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Приходько Сергей Викторович -
аспирант кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
