بهينه سازي حمام بمنظور كاهش ولتاژ در روش نيتروكربوره كردن الكتروليتي پلاسمايي فولاد ضد زنگ آستنيتي و بررسي زيست سازگاري آن در بدن خرگوش
نازنين افسركازروني*1، محمد حسين شريعت2، محمد ابراهيم بحرالعلوم3، سيف اﷲ دهقاني4، فاطمه محزون5 و تايماز جوزقي6

چكيده
بمنظور بهبود ويژگيهاي سطحي براي استفاده در كاشتهاي پزشكي، يك فرايند نيتروكربوره كردن الكتروليتي پلاسمايي روي فولاد ضد زنگ آستنيتي بكار گرفته شد. محلول پايه، اورهاي با 10 درصد كلريد آمونيوم و 3 درصد كربنات سديم به عنوان حمام الكتروليت آماده شد. سپس نمونهها باجريان مستقيم و كمترين ولتاژ (150 ولت) پوشش داده شدند. ريخت شناسي سطح و سطح مقطع نمونهي پوشش داده شده به وسيلهي ميكروسكوپ الكتروني روبشي بررسي شد. ريز ساختار و تركيب شيميايي نمونهها به وسيلهي آناليز تفرق اشعهي ايكس (XRD) و پراكنش انرژي اشعهي ايكس (EDX) مطالعه شد. ريز ساختار لايهي بيروني پوشش شامل اكسيدهاي كروم و آهن ميشود. براي بررسي زيست سازگاري نمونهي نيتروكربور شده و مقايسهي آن با فولاد ضدزنگ آستنيتي، دو گروه نمونه شامل نمونهي بدون پوشش و نمونهي پوشش داده شده، در استخوان درشت ني خرگوش قرار گرفت. پس از 6 هفته پينها از بدن خارج شدند و به وسيلهي ميكروسكوپ الكتروني روبشي و پراكنش انرژي اشعهي ايكس (EDX) مطالعه شد. عكسها نشان دهندهي سطح نمونه هستند و با مقايسهي آن با عكس هاي پيش از قرار گيري در بدن ميتوان به وجود لايهاي از بافت پي برد. آناليز EDX نيز مقادير قابل ملاحظهاي از فسفر و كلسيم و توزيع نايكنواخت آنها را روي سطح نمونه نشان ميدهد كه نشان دهندهي رشد بافت روي سطح به دليل ساختار متخلخل است.

واژههاي كليدي: نيتروكربوره كردن الكتروليتي پلاسمايي، زيست سازگاري.

دانشجوي كارشناسي ارشد، مهندسي مواد، دانشگاه شيراز nazanin.afsar.k@gmail.com
استاد، مهندسي مواد، دانشگاه شيراز
استاد، مهندسي مواد، دانشگاه شيراز
استاد، دامپزشكي، دانشگاه شيراز
دكتراي مهندسي مواد، دانشگاه شيراز
دانشجوي كارشناسي ارشد، مهندسي مواد، دانشگاه شيراز
پيشگفتار
فولاد ضد زنگ آستنيتي معمولا براي ساخت كاشتهاي ارتوپدي بكار ميرود و كاربردهايي مانند پروتز استخوان لگن، پيچ، صفحات تثبيت و غيره دارند. اين كاربرد گسترده از فولاد ضد زنگ آستنيتي بيشتر به دليل مقاومت خوب آن در مقابل خوردگي يكنواخت است. با وجود اينكه روي فولاد ضد زنگ آستنيتي لايههاي غير فعال شكل ميگيرند كه مقاومت نسبتا خوبي نسبت به خوردگي يكنواخت دارند، اين پوسته غير فعال به شدت نسبت به خوردگي موضعي حساس است. در نتيجه، كاربرد فولاد ضد زنگ به عنوان يك مادهي بيومتريال به وسيلهي خوردگي حفره اي كه يكي از شديدترين انواع حملههاي سطحي موضعي روي فولاد ضد زنگ است، محدود شده است. به وسيلهي شيوههايي كه عموما روي از بين بردن نا خالصي هاي سطحي تمركز كردهاند، تغيير ويژگيهاي شيميايي و توزيع عناصر در پوستهي نافعال و يا با افزايش نسبت كرم به آهن در پوسته، پيشرفتهايي در بهبود مقاومت به خوردگي حفرهاي بدست آمده است[1].
فناوري تغيير دهي در سطح را ميتوان بمنظور بهبود سازش با بدن، افزايش دادن پيوند با استخوان، كاهش دادن سايش يا خوردگي و غيره بكار برد. اين روش همچنين ميتواند سايش را كاهش داده و با وجود اين كه ويژگيهاي بهينهي حجمي سطح زيري را حفظ ميكند، رفتار اصطكاكي سطح را بهبود دهد. در نتيجهي تغيير دهي در سطح، طول عمر مفيد اجزا و قطعات به گونهي قابل ملاحظه اي افزايش مييابد[2]. براي كاهش خوردگي و واكنشهاي مضر در كاشتهاي مورد استفاده در ارتوپدي، پوششي تركيبي از سيليكا كه شامل هيدروكسي آپاتيت، شيشهي زيست فعال و شيشه- ذرات سراميكي است، آماده شد و روي فولاد ضد زنگ آستنيتي به روش سل- ژل اعمال گرديد[3]. رشد بافتهاي بيولوژيكي بر روي كاشتهايي كه خلل و فرج زياد بر روي سطح دارند، بسيار عالي است[4]. در واقع، ويژگيهاي سطح و جذب سطحي پروتئين يا مواد ميان بافتي كه در نزديكي سطح هستند، بر روي واكنش بين كاشتها و بافتهاي زنده كه در مقياس نانومتري هستند، تاثير ميگذارند [5]. در پژوهشي ديگر فصل مشترك بين پوششهاي پلاسماي اسپري شده بر روي تيتانيوم (كه به وسيلهي عمليات قليايي كردن بهبود يافته اند) و استخوان مطالعه شده است[6]. وجود خلل و فرج روي سطح كاشتهاي قليايي شده بهبود يافته منجر به افزايش تشكيل استخوان جديد روي سطح ميشود كه با سرعت زياد در خلل و فرجها رشد ميكند. آناليز طيف سنجي پراكنش انرژي، اثر تيتانيوم، كلسيم و فسفر را نشان ميدهد كه در فصل مشترك بين استخوان و كاشتها ديده شده اند[6].
همچنين، براي بهبود ويژگيها از فرآيندهاي نيتروكربوريزه كردن الكتروليتي پلاسمايي استفاده ميشود. اين روش از عملياتهاي الكتروشيميايي است كه يك لايهي نيتروژن و كربن با عملكرد چسبندگي بين سطحي و ويژگيهاي مكانيكي بهينه، بوجود ميآورد [7]. پژوهشهاي بسياري در مورد انواع روشهاي الكتروليتي پلاسمايي به وسيلهي يروخين و همكارانش انجام گرفته است[8] كه شامل اكسسيداسيون الكتروليتي پلاسمايي با پالس جريان متناوب روي آلومينيوم، بمنظور ايجاد يك لايهي سطحي چسبناك، سخت و ضخيم و هم چنين، اشباع سازي الكتروليتي پلاسمايي با استفاده از انواع گوناگون روشهاي كربوريزه و نيتروره كردن بمنظور ايجاد لايههاي مقاوم به خوردگي با ويژگيهاي مكانيكي خوب ميباشد. ريخت شناسي سطحي، زبري، ريزساختار و ديگر ويژگيهاي فولادي كه تحت اين روش قرار گرفته نيز به وسيلهي يروخين و همكارانش بررسي شده است[9]. تركيب شيميايي الكتروليت نقشي مهم در نوع و مقدار عناصر آلياژي مثل كربن، اكسيژن، نيتروژن، بور، ولتاژ اعمالي، دماي نهايي بدست آمده و همچنين خواص نمونه دارد[8]. برم دهيالكتروليتي پلاسمايي، بمنظور بهبود سختي سطحي روي فولاد ضد زنگ انجام شده است[10]. تاثير ولتاژ بر اشباع سازي الكتروليتي پلاسمايي نيز بررسي شده است[11]. كربوريزه كردن پلاسمايي در مورد آلياژهاي تيتانيوم براي بررسي ريخت شناسي سطحي، ريزساختار، زبري، تنش فشاري به جاي مانده، كار سختي، ريز سختي و همچنين، بمنظور بهبود مقاومت به خستگي و سايش آلياژهاي تيتانيوم انجام شده است[12]. كربوريزه كردن الكتروليتي پلاسمايي پالسي براي بمباران اتمهاي كربن روي سطوح آلومينيومي بكار رفته است[13]. روي هم رفته، روشهاي الكتروليتي يك ساختار سطحي استثنايي بوجود ميآورند كه به دليل مكانيزمهاست. با اعمال ولتاژي كه به آرامي در حال افزايش است، ابتدا شدت جريان افزايش مييابد، سپس هنگامي كه بستهي پلاسمايي يكنواخت در اطراف كاتد تشكيل شد، شدت جريان كاهش مييابد. اين محيط مياني كه از گازهاي يونيزه شده تشكيل شدهاند، جرقههاي الكتريكي توليد ميكند. يك لايهي بسيار نازك و مقاوم به خوردگي در مدت زمان كمي (معمولا چندين دقيقه) روي فولاد شكل ميگيرد[4]. يكي از فراسنجهاي مهم در روشهاي الكتروليتي پلاسمايي ولتاژ اعمالي است. در چندين پژوهش، ولتاژهاي اعمالي متفاوتي بكار گرفته شده است. براي مثال، 160-230 ولت[7]، 75- 175 ولت[8]، 120 ولت[9]، 600 ولت[10]، 500- 700 ولت كاتدي 200- 400 ولت آندي[11]، 230 و 250 ولت[14] و 180 ولت[15] گزارش شده اند.
در اين پژوهش، پوششدهي لايهي نيتروكربوره به روش الكتروليتي پلاسمايي در مورد فولاد ضد زنگ آستنيتي و ريخت شناسي سطح نمونهها بررسي شد.
همچنين، با قرار دادن اين نمونهها در بدن خرگوش زيست سازگاري و رشد بافت زنده بر روي آنها نيز مطالعه گرديد.

روش كار
نمونهها، با قطر 2 و طول 40 ميلي متر از فولاد ضد زنگ آستنيتي، با تركيب آورده شده در جدول1، آماده شد و به وسيلهي پوليش زدن، ناخالصيهاي سطحي آن پاك گرديد سپس با آب مقطر و الكل شسته و خشك شد.
محلول پايهي اورهاي با تركيب شيميايي كه در جدول2 موجود است، در يك بشر 2 ليتري آماده شد. يك پوستهي استوانهاي از جنس فولاد ضد زنگ با قطر داخلي 15سانتيمتر درون اين بشر قرار گرفت و به پايانهي مثبت يك منبع تغذيهي برق جريان مستقيم به عنوان آند متصل شد. سپس نمونه به عنوان كاتد درون محلول قرار گرفت. ولتاژ اعمال گرديد و رفته رفته از كمترين مقدار ممكن تا 150 ولت افزايش داده شد. در طي اين فرايند، يك جريان بيشينهي 18 آمپر در ولتاژ80 ولت بدست آمد. همان گونه كه انتظار ميرفت، آزاد شدن گاز و ايجاد شعله در مراحل اوليهي افزايش ولتاژ مشاهده شد. هنگامي كه ولتاژ به 80 ولت رسيد، يك بستهي پلاسماي پيوسته شكل گرفت و جريان تقريبا به 5 آمپر كاهش يافت. با افزايش ولتاژ تا 150 ولت، بستهي پلاسما پايدار شد و با يك نور آبي تيره شروع به درخشش كرد. از يك ترموكوپل نوع k براي اندازه گيري دما استفاده شد و در نتيجه، C° 400 بدست آمد. نمونه به مدت 10 دقيقه تحت عمليات قرار گرفت و سپس كونچ شد و در آب شسته شد. سپس سطح نمونه و تركيبات آن به وسيلهي ميكروسكوپ الكتروني روبشي و آناليز پراكنش انرژي اشعهي ايكس و تفرق اشعهي ايكس مورد مطالعه قرار گرفت.
پس از پوشش دهي، پينها درون اتوكلاو استريليزه شدند. سپس براي بررسي فصل مشترك بين نمونهها و بافت زنده و زيست سازگاري پينها، نمونهها به وسيلهي جراحي درون مدولاي استخوان درشت ني خرگوش به مدت 6 هفته قرار گرفتند. بمنظور بررسي ترميم استخوان در اثر شكستگي شياري عرضي، به وسيلهي ارهي برقي كوچكي روي استخوان ايجاد شد. براي مطالعهي دقيقتر دو گروه خرگوش انتخاب گرديد كه به دو گروه پنج تايي تقسيم شدند. يك گروه به عنوان نمونههاي كنترل و يكگروه شامل نمونههاي نيتروكربوره بود. پس از پايان شش هفته، پينها از بدن خرگوشها خارج و سطح آنها به وسيلهي ميكروسكوپ الكتروني روبشي مورد مطالعه قرار گرفت. همچنين، تركيبات تشكيل شدهي روي سطح به وسيلهي آناليز پراكنش انرژي اشعهي ايكس بررسي شدند.
نتايج
شكل (a- 1) ريخت شناسي سطح و شكل (b- 1) ريخت شناسي سطح مقطع نمونهي پوشش داده شده را نشان ميدهد. با افزايش مقدار كافي كلريد آمونيوم و كربنات سديم، ساختار سطحي منحصر به فردي تشكيل ميشود كه ميتواند به دليل تشكيل پلاسما و ذوب موضعي سطح فلز و در ادامه، سريع سرد كردن باشد[8].
مقدار اضافي كلريد آمونيوم كه به حمام اضافه شده است، در مقايسه با پژوهش پيشين[15]، باعث كاهش 30 ولت در ولتاژ اعمالي ميشود. همان گونه كه در شكل 2 ديده ميشود، لايهي بيروني پوشش حاوي اكسيدهاي كروم و آهن است، با اندازهي ضخامت 20 ميكرومتر كه در شكل 1 ديده ميشود. همچنين، نمودار آناليز XRD نشان دهندهي وجود Fe2N و Fe2C است كه همان آستنيت گسترده است. وجود اكسيدهاي آهن و كروم باعث ايجاد سختي سطحي زياد ميشوند. نتايج مشابه به وسيلهي ايكس. ناي و همكاران گزارش شده است[14]. آناليز EDX در شكل 3 نشان ميدهد كه عنصر اصلي در لايهي سطحي كروم است. در حالي كه نيتريد كروم در لايهي سطحي ديده نميشود. اين ممكن است به اين دليل باشد كه دماي سطح نمونه كمتر از C° 450 بوده كه اين دماي بحراني براي رسوب نيتريد كروم ميباشد. سريع سرد كردن نمونه پس از عمليات پوشش دهي از نفوذ كربن و نيتروژن براي تشكيل رسوب به صورت نيتريد و كاربيد در مرز دانهها، جلوگيري ميكند و آنها را به صورت محلول جامد نگه ميدارد[14]. وجود نداشتن نيتريد كروم منجر به بهبود خواص سايشي ميشود[16].
ريختشناسي سطح پين نيتروكربوره شده و پين بدون پوشش پس از بيرون آوردن از درون بدن خرگوش، در شكل 4 نشان داده شده است. در شكل (a- 4) نمونهي بدون پوشش و در شكل (b- 4) و شكل (c- 4) نواحي گوناكون نمونهي نيتروكربور شده است. همان گونه كه در عكسهاي ميكروسكوپ الكتروني (شكل 1 و 4) مشاهده ميشود، با مقايسهي ريخت شناسي سطح پينها پيش و پس از قرارگيري در بدن خرگوش، لايهاي روي سطح پينها تشكيل شده است. پلاسماي متمركز بوجود آمده با سطح پين واكنش ميدهد و ويژگيهاي سطح اين نمونهها را تحت تاثير قرار ميدهد. تركيدن حبابهاي پلاسما و ذوب شدن موضعي لايهي سطحي منجر به تشكيل گودالهاي كوچك و كره هايي ميشود [15].
لايهاي كه روي نمونه پوشش داده شده وجود دارد، يكنواخت است، ولي روي پين بدون پوشش بافتهاي تشكيل شده بسيار كم و نا يكنواخت است، همچنين، روي نمونهي بدون پوشش خوردگي حفرهاي ديده ميشود. در حقيقت، اين لايهي يكنواخت به دليل وجود اين پستي و بلنديها ميباشد. اينها مكاني براي رشد بافتهاي نرم و همچنين، استخواني ميشوند [6]. در شكل 5 آناليز پراكنش انرژي اشعهي ايكس مقادير قابل ملاحظهاي از فسفر و كلسيم را نشان ميدهد كه بيانگر تركيبات لايهي بافتي ميباشد. همچنين، آناليز خطي پراكنش انرژي اشعهي ايكس (شكل 6) نشانگر توزيع نايكنواخت اين عناصر روي سطح است، تقريباً توزيع اين دو عنصر با يك روند ميباشد، همچنين، توزيع عناصر ديگري مانند نيتروژن، كربن و آهن نيز ديده ميشود [6].

نتيجه گيري
افزودن كلريد آمونيوم بيشتر به حمام، باعث كاهش بيشتر در ولتاژ از ولت180 به ولت150، بدون كاهش در دماي موضعي بدست آمده شد. همچنين، در مورد نمونهي نيتروكربوره، به دليل وجود ناهمواريهاي روي سطح در مقايسه با فولاد ضد زنگ آسستنيتي، براحتي بافت رشد ميكند و لايهاي نسبتاً يكنواخت تشكيل ميدهد. اين لايه شامل عناصري مانند كلسيم، فسفر، نيتروژن، كربن و آهن ميباشد كه توزيعي نايكنواخت دارند. در نهايت، ميتوان به اين نتيجه رسيد كه پوششهاي نيتروكربوره باعثافزايش رشد بافت روي سطح و زيست سازگاري ميشوند.

قدر داني
در نهايت، نويسندگان اين مقاله از مسئولان آزمايشگاه بخش مهندسي مواد و گروه جراحي دانشكدهي دامپزشكي كه مسئوليت جراحي خرگوشها را بر عهده داشتند، قدرداني ميكنند. همچنين، از معاونت محترم پژوهشي دانشگاه شيراز و دانشكدهي مهندسي كه هزينههاي اين پروژه را از راه گرانت 89-GR-ENG-62 به دكتر بحرالعلوم و گرانت 89-GR-ENG-8 به دكتر شريعت پرداخت نمودند، قدرداني ميشود.

Science and engineering—An overview”, Journal of Surface and Coating Technology, Vol. 201, pp. 8746–8760, 2007.
M.A. Béjar., R. Henriquez., “Surface hardening of steel by plasma-electrolysis boronizing”, Journal of Material and Design, Vol. 30, pp. 1726–1728, 2009.
M. Aliofkhazraei., A. Sabour Rouhaghdama., A. Heydarzadeh., and H. Elmkhaha., “Nanostructured layer formed on CP-Ti by plasma electrolysis (effect of voltage and duty cycle of cathodic/anodic direction)”, Materials Chemistry and Physics, Vol. 113, pp. 607–612, 2009.
N. Tsuji., S. Tanaka., and T. Takasugi., “Effects of combined plasma-carburizing and shot-peening on fatigue and wear properties of Ti–6Al–4V alloy”, Surface and Coating Technology, Vol. 203, pp. 1400–1405, 2009.
M. Aliofkhazraei., C. Morillo., R. Miresmaeili., and A. Sabour Rouhaghdam., “Carburizing of low-melting-point metals by pulsed nanocrystalline plasma electrolytic carburizing”, Surface and Coating Technology, Vol. 202, pp. 5493–5496, 2008.
X. Nie., C. Tsotsos., A. Wilson., A.L. Yerokhin., A. Leyland., and A. Matthews., “Characteristics of a plasma electrolytic nitrocarburising treatment for stainless steels”, Surface and Coating Technology, Vol. 139142, pp. 135-142, 2001.
F. Mahzoon., M. E. Bahrololoom., and S. Javadpour., “Optimization of a novel bath for plasma electrolytic nitrocarburizing of 316L stainless steel and study of tribological properties of the treated steel surfaces”, Surface Engineering, Vol. 25 (8), pp. 628-633, 2009.
G. Jiang., Quian Peng., Cong Li., Ying Wang., Jian Gao., Shu Yuan Chen., Jun منابع
A. Shahryari., S. Omanovic., and J. A. Szpunar.,”Electrochemical formation of highly pitting resistant passive films on a biomedical grade 316LVM” Materials Science and
Engineering C, Vol. 28, pp. 94–106, 2008.
H. Liang., B. Shi., A. Fairchild., and T. Cale., “Applications of plasma coatings in artificial joints: an overview”, Journal of Vacuum, Vol. 73, pp. 317–326, 2004.
C. Garcı´a., S. Cere´., A. Dura´n., “Bioactive coatings prepared by sol–gel on stainless steel 316L”, Journal of NonCrystalline Solids, Vol. 348, pp. 218–224, 2004.
Amit Bandyopadhyay, Felix Espana, Vamsi Krishna Balla, Susmita Bose, Yusuke Ohgami, Neal M. Davie, “Influence of porosity on mechanical properties and in vivo responseof Ti6Al4V implants”, Acta Biomaterialia, Vol. 6, pp. 1640–1648, 2010.
Y. Oshida., Bioscience., and Bioengineering of Titanium Materials, 1st edition, Chapter 8, p. 217-245, Elsevier, Oxford, 2007. 6- W, Xue., X, Liu., X, Zheng., Ch. Ding., “In vivo evaluation of plasma-sprayed titanium coating after alkali modification”,
Biomaterials, Vol. 26,3029–3037, 2005.
A. L. Yerokhin., A. Leyland., C. Tsotsos., A. D. Wilson., X. Nie., and A. Matthews., “Duplex surface treatments combining plasma electrolytic nitrocarburising and plasmaimmersion ion-assisted deposition”, Surface and Coating Technology, Vol. 142–144, pp. 1129–1136, 2001.
A. L. Yerokhin., X. Nie., A. Leyland., A. Matthews., and S. J. Dowey., “Plasma
Electrolysis for surface enginering “, Surface and Coating Technology, Vol. 122, pp. 73–93, 1999.
P. Gupta., G. Tenhundfeld., E.O. Daigle., D.
Ryabkov., “Electrolytic plasma technology:
Wang., Bao-luo Shen., “Effect of DC properties of 316L stainless steel”, Surface plasma nitriding temperature on and Coating Technology, Vol. 202, pp. microstructure and dry-sliding wear 2749-2754, 2008.
پيوستها

شكل 1- a- ريختشناسي سطح نمونهي نيتروكربورشده، b: ريز ساختار سطح

مقطع.

شكل 2- طيفهاي a ،XRD: نمونهي بدون پوشش، b: نمونهي نيتروكربور شده.

شكل 3- طيفهاي a ،EDX: نمونهي بدون پوشش، b: نمونهي نيتروكربور شده.

شكل 4- ريخت شناسي سطح پس از بيرون آوردن از بدن خرگوش، a: نمونهي بدون پوشش، b و c: نمونهي نيتروكربور شده.

شكل 5- طيف EDX، نمونهي پوشش داده شده پس از بيرون آوردن از بدن خرگوش.

شكل 6- طيف روبش خطي EDX، نمونهي پوشش داده شده پس از بيرون آوردن از بدن خرگوش.

جدول1- تركيب شيميايي فولاد ضد زنگ 316L
آهن كربن كروم نيكل موليبدن منگنز گوگرد سيليسيم فسفر عنصر
بقيه <0/03 18 -16 14 -10 3 -2 <2 <0/03 <1 <0/045 درصد وزني

جدول2- تركيب شيميايي حمام
اوره آب(درصد وزني) كربنات سديم(درصد وزني) كلريد آمونيوم(درصد وزني) گليسرين(درصد وزني) نمونه
بقيه 7 3 10 3 1



قیمت: تومان


پاسخ دهید