The Tribological Properties of the TI6AL4V Alloy with Nitrogen Ion Implantation

• Autorzy: Piotrowska Katarzyna , Baranowicz Paweł , Wysokińska-Miszczuk Joanna , Madej Monika , Skóra Monika

Warianty tytułu

PL

Ocena właściwości tribologicznych stopu tytanu TI6AL4V implantowanego jonami azotu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the analysis of the influence of ion implantation on the properties of titanium alloy used in biotribological systems. The object of the study was the titanium alloy Ti6Al4V implanted with nitrogen ions. Tribological model tests were carried out in combination with a sphere with Al2O3 – a Ti6Al4V alloy disc implanted with N+ ions. Experimental friction tests were carried out on pin-on-disc testers in conditions of technically dry conditions and in conditions of lubrication with the Ringer’s solution. The tests on the TRB tester were carried out in a swinging motion, while on the T-01 tester in a sliding movement. Friction coefficient and wear were determined for all tests. Surface morphology testing and chemical composition analyses were performed using the Jeol JSM-7100F scanning electron microscope, equipped with an EDS microanalyzer. Surface geometry measurements prior to and after tribological tests were performed on a Taylor Hobson’s Talysurf CCI contactless optical profilometer. The optical tensiometer was used to determine the contact angles with demineralized water and Ringer’s solution. The tribological tests of the titanium alloy Ti6Al4V lead to the conclusion that implantation of N+ ions results in better tribological properties of the alloy. The best tribological characteristics were obtained for a titanium alloy implanted with nitrogen ions under technically dry friction conditions. The influence of the tribological system on Ringer’s fluid influenced the reduction of coefficients of friction in the oscillating movement (Tribometer TRB) and sliding motion (Tester T-01M). In the case of a oscillating movement, higher wear of the tested friction pair was observed under friction conditions with the Ringer solution lubrication.

PL

W artykule przedstawiono analizę wpływu implantacji jonowej na właściwości stopu tytanu stosowanego w systemach biotribologicznych. Przedmiotem badań był stop tytanu Ti6Al4V implantowany jonami azotu N+. Tribologiczne badania modelowe przeprowadzono w skojarzeniu kula z Al2O3–tarcza ze stopu Ti6Al4V implantowana jonami azotu. Eksperymentalne testy tarciowe zrealizowano na testerach typu pin-on-disc w warunkach tarcia technicznie suchego oraz tarcia ze smarowaniem roztworem Ringera. Badania na testerze TRB przeprowadzono w ruchu wahadłowym, natomiast na testerze T-01 w ruchu ślizgowym. Dla wszystkich testów określono współczynnik tarcia oraz zużycie. Przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej SEM wraz z analizą składu chemicznego EDS oraz profilometrii interferometrycznej obserwowano morfologię oraz topografię powierzchni badanych próbek przed i po testach tribologicznych. Tensjometr optyczny posłużył do wyznaczenia kątów zwilżania wodą demineralizowaną oraz roztworem Ringera. Uzyskane wyniki badań pozwoliły na stwierdzenie, że zastosowanie implantacji jonowej istotnie poprawia właściwości tribologiczne stopu tytanu zarówno w warunkach tarcia technicznie suchego, jak i w warunkach smarowania roztworem Ringera. Najlepsze charakterystyki tribologiczne uzyskano dla stopu tytanu implantowanego jonami azotu w warunkach tarcia technicznie suchego. Oddziaływanie systemu tribologicznego z płynem Ringera wpłynęło na zmniejszenie współczynników tarcia w ruchu wahadłowym (Tribometr TRB) i ślizgowym (Tester T-01M). W przypadku ruchu wahadłowego większe zużycie badanych par trących zaobserwowano w warunkach tarcia ze smarowaniem roztworem Ringera.

Słowa kluczowe

EN

titanium alloys; ion implantation; friction; wear; SEM/EDS; contact angle

PL

stopy tytanu; implantacja jonowa; tarcie; zużycie; SEM/EDS; kąt zwilżania

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 1
• Strony: 37--47
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Piotrowska Katarzyna

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, al. Tysiąclecia P.P. 7, 25-314 Kielce, Poland

autor

Baranowicz Paweł

• NZOZ Ekstradent, Juliusza Słowackiego 21/1U, 25-365 Kielce, Poland

autor

Wysokińska-Miszczuk Joanna

• Medical University of Lublin, ul. Karmelicka 7, 20-081 Lublin, Poland

autor

Madej Monika

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, al. Tysiąclecia P.P. 7, 25-314 Kielce, Poland

autor

Skóra Monika

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, al. Tysiąclecia P.P. 7, 25-314 Kielce, Poland

Bibliografia

• 1. Zasińska K.: The influence of ion implantation on the selected utility properties of the Ti-13Nb-13Zr alloy in aspect of application on a friction elements in a hip joint endoprostheses, Rozprawa doktorska, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2017.
• 2. Brojanowska A., Ossowski M., Sobiecki J. R., Wierzchoń T.: Corrosion resistance in Ringer solution of titanium alloy Ti6Al4V after low-temperature glow-discharge nitriding and carbonitriding, Inżynieria Materiałowa, 2008, 29, 963–967.
• 3. Frączek T., Maźniak K., Ogórek M.: Ocena efektywności azotowania tytanu technicznego w różnych obszarach wyładowania jarzeniowego, Oficyna Wydawnicza Polskiego Towarzystwa Zarządzania Produkcją, 2014, Opole.
• 4. Wierzchoń T., Czarnowska E., Grzonka J., Sowińska A., et al.: Glow discharge assisted oxynitriding process of titanium for medical application, Applied Surface Science, 2014, 334, 74–79.
• 5. Olik R., Warcholiński B., Ratajski J.: Modelowanie procesów azotowania i PVD podwyższających trwałość narzędzi ze stali WCL, Pomiary Automatyka Kontrola, 2010, 7, 819–823.
• 6. Rosiński W.: Implantacja jonowa, PWN, Warszawa 1975.
• 7. Rosiński W.: Wybrane zastosowania implantacji jonów w nauce i technice, Ossolineum, Wrocław 1982.
• 8. Levintant-Zayonts N.: Wpływ implantacji jonowej na własności materiałów z pamięcią kształtu typu niti, Rozprawa doktorska, Warszawa 2009.
• 9. Madej M., Ozimina D., Baranowicz P.: Materials research and clinical studies of titanium dental implants. Mechanika w medycynie, Uniwersytet Rzeszowski, 2014, 144–157.
• 10. Pieczyńska D., Ostaszewska U., Jagielski J., Bielinski D. M.: Modyfikacja polimerów za pomocą bombardowania jonowego Cz. I. Polimery 2011, 56, 439–451.
• 11. Klokkevold P., Nishimura R. D., Adachi M., Caputo A.: Osseointegration enhanced by chemical etching of the titanium surface, A torque removal study in the rabbit, Clin, Oral Implant, Res. 1997, 8, 442–447.
• 12. Łukaszewska M., Gajdus P., Hędzelek W., Zagalak R.: Development of titanium implants surface, Review, Implantoprotetyka, tom X, nr 3 (36), 2009.
• 13. Rudawska A.: Wybrane zagadnienia konstytuowania połączeń adhezyjnych jednorodnych i hybrydowych, Politechnika Lubelska, 2013, Lublin.
• 14. Zasińska K.: The influence of ion implantation on the selected utility properties of the Ti-13Nb-13Zr alloy in aspect of application on a friction elements in a hip joint endoprostheses, Rozprawa doktorska, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2017.
• 15. Barnat-Hunek D.: Swobodna energia powierzchniowa jako czynnik kształtujący skuteczność hydrofobizacji w ochronie konstrukcji budowlanych, Monografia, Politechnika Lubelska, 2016, Lublin.
• 16. Liber-Kneć A., Łagan S.: The use of Contact Angle and the Surface Free Energy as the Surface Characteristics of the Polymers Used in Medicine, Polim. Med. 44, 1, 2014, 29–37.
• 17. Goddard J. M., Hotchkiss J. H.: Polymer surface modification for the attachment of bioactive compounds, Progress Polym. Sci. 2007, 32, 698–725.
• 18. Xu L. C.: Effect of surface wettability and contact time on protein adhesion to biomaterial surfaces, Biomaterial, 2007, 28, 3273–3283.
• 19. Sobieska S., Zimowska B., Łagan S.: Porównanie zwilżalności oraz swobodnej energii powierzchniowej biomateriałów i tkanki kostnej, Aktualne problemy Biomechaniki, z. 7, 2013, 153-156.
• 20. Ryan J. A., Evolution of Cell Culture Surfaces, BioFiles 2008, 3.8, 21.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).