Wpływ zawartości węgla i azotu w powłokach Ti(C,N) na ich wybrane właściwości mechaniczne

• Autorzy: Banaszek K. , Pietnicki K. , Klimek L.

Warianty tytułu

EN

Effect of carbon and nitrogen content in Ti(C,N) coatings on selected mechanical properties

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Stopy metali nieszlachetnych stosowane w protetyce i ortodoncji na różnego rodzaju uzupełnienia i aparaty mogą powodować niekorzystne odpowiedzi organizmu. Aby temu zapobiec stosuje się różnego rodzaju modyfikacje warstw wierzchnich oraz pokrycia ochronne. Najczęściej stosowanymi są tlenki, węgliki i azotki metali. Spośród tych ostatnich na szczególną uwagę zasługują węgliki i azotki tytanu, charakteryzujące się dobrymi właściwościami mechanicznymi i dużą odpornością na korozję. Celem niniejszej pracy było zbadanie wybranych właściwości (moduł sprężystości, twardość, przyczepność) powłok Ti(C,N) na stopach protetycznych w zależności od udziału w nich węgla i azotu. Badaniom poddano próbki w kształcie walców ze stopu protetycznego typu Ni-Cr pokrytego powłokami Ti(C,N) o różnej zawartości węgla i azotu w warstwie, poczynając od czystych powłok TiN do czystych TiC. Powłoki osadzano metoda rozpylania magnetronowego. Na tak otrzymanych próbkach wykonano badania twardości i modułu sprężystości metodą nanoindentacji oraz przyczepności zgodnie z normą VDI 3198. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że wzrost zawartości węgla w powłoce Ti(C,N) powoduje zarówno wzrost twardości od 20 GPa (TiN) do 34 GPa (TiC), jak i modułu sprężystości od 272 (TiN) do 382 (TiC). Przyczepność wszystkich badanych powłok do podłoża metalicznego była zadawalająca i mieściła się w klasie HF1 wzorca normy. W żadnym przypadku nie odnotowano delaminacji powłok, a tylko pęknięcia w okolicy odcisku, przy czym widoczne one były dopiero przy dość znacznym powiększeniu (1000x). Podsumowując przeprowadzone badania, można stwierdzić, że powłoki typu Ti(C,N) na protetycznym stopie Ni-Cr są zadowalające z punktu widzenia zastosowania ich jako ochronne na elementach protetycznych i ortodontycznych.

EN

Non-precious metal alloys used in prosthetics and orthodontics for various kinds of restorations and apparatuses can cause disadvantageous responses of the body. In order to prevent this, different surface layer modifications as well as protective coatings are applied. Among the most frequently used, we can name metal oxides, carbides and nitrides, among which titanium carbides and nitrides are especially worth-mentioning, as they characterize in good mechanical properties and high corrosive resistance. The aim of this work was to examine selected properties (modulus of elasticity, hardness, adhesion) of Ti(C,N) coatings applied on prosthetic alloys, depending on the carbon and nitrogen content. The tests involved the use of cylinder-shaped samples made of a Ni-Cr-type prosthetic alloy coated with Ti(C,N) coatings of different carbon and nitrogen contents in the layer, from pure TiN coatings to pure TiC coatings. The coatings were deposited by the magnetronic sputtering method. The samples obtained in this way then underwent hardness and modulus of elasticity tests by the nano-indentation method as well as adhesion tests according to the VDI 3198 standard. The results of the examinations showed that an increase of the carbon content in the Ti(C,N) coating causes an increase of both the hardness, from 20 GPa (TiN) to 34 GPa (TiC), and the modulus of elasticity, from 272 (TiN) to 382 (TiC). The adhesion of all the examined samples to the metal substrate was satisfying and was within the range of the HF1 grade of the standard’s model. None of the cases exhibited coating delamination – only fractures in the vicinity of the indentation, which were visible only at quite a large magnification (1000x). To sum up the performed tests, we can state that Ti(C,N)-type coatings applied on a prosthetic Ni-Cr alloy are satisfying from the point of view of their protective application for prosthetic and orthodontic elements.

Słowa kluczowe

PL

powłoki Ti(C, N); właściwości mechaniczne; twardość; moduł sprężystości; adhezja

EN

Ti(C,N) layers; mechanical properties; hardness; elastic modulus; adhesion

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 26, nr 1
• Strony: 33--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Banaszek K.

• Uniwersytet Medyczny w Łodzi, Katedra Stomatologii Odtwórczej, Zakład Stomatologii Ogólnej, ul. Pomorska 251, 92-213 Łódź, Poland

autor

Pietnicki K.

• Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Zakład Technik i Technologii Dentystycznych, ul. Bukowska 70, 60-812 Poznań, Poland
• Wyższa Szkoła Edukacji i Terapii, ul. Grabowa 22, 61-473 Poznań, Poland

autor

Klimek L.

• Uniwersytet Medyczny w Łodzi, Katedra Stomatologii Odtwórczej, Zakład Technik Dentystycznych, ul. Pomorska 251, 92-213 Łódź, Poland

Bibliografia

• [1] Wendler B., Błaszczyk A., Chejchman Z., Gawroński Z., Jakubowski K.: Wytwarzanie, własności i zastosowanie cienkich warstw węglików i węglikoazotków na podłożach stalowych. Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchni, I Ogólnopolska Konferencja Naukowa, Łódź–Spała 20–23.09.1994, Kwadrat, Łódź 1994, s. 255–260.
• [2] Wierzchoń T., Precht W., Ulbin-Pokorska I., Sikorski K.: Struktura i odporność korozyjna warstw azotku chromu wytwarzanych na stali metodą próżniowego odparowania łukowego. II Ogólnopolska Konferencja Naukowa Nowe Technologie w Inżynierii Powierzchni, Inżynieria Materiałowa t. XXI nr 6 (2000), s. 473–477.
• [3] Pancielenko M., Precht W.: Structure, chemical and phase composition of hard titanium carbon nitride coatings deposited on HS 6-5-2 steel. Conference Proceedings 10th Jubilee International Scientific Conference “Achievements in Mechanical & Materials Engineering”.
• [4] Szymanowski H., Sobczyk A., Gazicki-Lipman M., Jakubowski W., Klimek L.: Plasma enhanced CVD deposition of titanium oxide for biomedical applications. Surface and Coatings Technology nr 200 (2005), s. 1036–1040.
• [5] Peterson C., Hillberry B., Heck D.: Component wear of total knee prostheses using Ti-6Al-4V, titanium nitride coated Ti-6Al-4V, and cobalt-chromium- -molybdenum femoral components. J. Biomed. Mater. Res. nr 22 (1988), s. 887–903.
• [6] Thull R.: Korosionseigenschaften mit Titan-Niob- -Oxinitrid beschichteter Dentallegirungen. Dtsch. Zahnärztl. Z. vol. 46 nr 11 (1991), s. 712–717.
• [7] Wisbey A., Gregson P., Tuke M.: Application of PVD TiN coating to Co-Cr-Mo based surgical implants. Biomaterials vol. 8 nr 6 (1987), s. 477–480.
• [8] Geis-Gerstorfer J., Greener E.: Zum Einflus des Mo-Gehaltes und des pH-Werters auf das Korrosionsverhalten von Ni-20Cr-Mo-Dentallegirungen. Dtsch. Zahnärztl. Z. nr 44 (1989), s. 863–866.
• [9] Rylska D., Sokołowski J., Klimek L.: Corrosion resistance investigations of prosthetic dental alloys coated by TiN. Annals of Transplantation vol. 9 nr 1A (2004), s. 104–108.
• [10] Klimek L., Rylska D.: Corrosion protection of Ni-Cr and Co-Cr base dental alloys by titanium nitride lay-yers in 0,9% NaCl solution. Inżynieria Materiałowa t. XXV nr 3 (2004), s. 728–732.
• [11] Burnat B., Banaszek K., Błaszczyk T., Klimek L.: Wpływ składu warstwy Ti(C,N) na korozję stopu protetycznego NiCr. Inżynieria Materiałowa nr 4 (2010), s. 913–916.
• [12] Sokołowski J.: Ocena przydatności ochronnych powłok azotku tytanu wytworzonych na metalowych elementach uzupełnień protetycznych. Rozprawa habilitacyjna, Akademia Medyczna w Łodzi, Łódź 2001.
• [13] Gusev I., AkolzinaM., Fedorenko A., Durdyev S., Urazaeva N.: Nitrid titana v ortopedicheskoi stomatologii. Stomatologiia Mosk. vol. 65 nr 5 (1986), s. 47–50.
• [14] Ebner R., Lackner J. M., Waldhauser W., Major R., Czarnowska E., Kustosz R., Lacki P., Major B.: Biocompatibile TiN-based novel nanocrystalline films. Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences nr 54 (2006), s. 167–173.
• [15] Kotliar A., Sevidova S., Steglik T., Zhivkova L., Tarasov I.: Metodicheskie osobennosti issledowaniia elektrokhimicheskich svoistv metallicheskikh materialov v ortopedicheskoi stomatologii. Stomatologiia Mosk. vol. 70 (1991), s. 48–50.
• [16] Napadov M., Andreev A., Sapozhnikov A., Maslennikov M., Zaharov N.: Mnogosloinye zashchitnye nitridnye pokrytia na metallicheskie zubne protezy. Stomatologiia Mosk. vol. 65 nr 5 (1986), s. 53–54.
• [17] Zotov V., Murashkin N., Sirota A.: Otdalennye rezultaty primeneniia nesemnykh protezov iz nerzhaveiushchei stali s dekorativnym pokrytiem na osnovie nitrida titana. Stomatologiia Mosk. nr 4 (1990), s. 51–52.
• [18] Rylska D., Klimek L.: Microstructure and corrosion characteristic of prosthetic dental alloys coated by TiN. Acta Metallurgica Slovaca vol. 10 (2004), s. 938–942.
• [19] Precht W., Czyżniewska A., Rylski A., Pancielejko M., Walkowiak W.: Własności warstw TiCxN1-x nanoszonych na podłoża stalowe trzema metodami PVD. Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchni. I Ogólnopolska Konferencja Naukowa, Łódź – Spała 20–23.09.1994, Kwadrat, Łódź 1994, s. 191–194.
• [20] Walkowicz J., Bujak J., Miernik K., Smolik J.: Badania trwałościowe powłok TiN, TiC/Ti(C.N)/TiN. Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchni, I Ogólnopolska Konferencja Naukowa, Łódź – Spała 20–23.09.1994, Kwadrat, Łódź 1994, s. 219–224.
• [21] Januszewicz B., Klimek L.: Investigation of TiCN coatings on steel substrates deposited by means of low pressure cathode ARC technique. Acta Metallurgica Slovaca vol. 10 (2004), s. 926–929.
• [22] Xsiaodong L., Bhart B.: A review of nanoindentation continuous stiffness and its applications. Materials characterization nr 48 (2002), s. 11–36.
• [23] Anthony C.: Fisher-Cripps Nanoindentation (Mechanical Engineering Series). Springer 2nd ed. 2004.
• [24] Vidakis N., Antoniadis A., Bilalis N.: The VDI 3198 indentation test evaluation of a reliable qualitative control for layered compounds. Journal of Materials Processing Technology nr 143–144 (2003), s. 481–485.
• [25] Vidakis N., Antoniadis A., Bilalis N.: The VDI 3198 indentation test evaluation of a reliable qualitative control for layered compounds. Journal of Materials Processing Technology nr 143–144, (2003), s. 481–485.
• [26] Guemmaz M., Mosser M., Ahujab R., Johansson B.: Elastic properties of sub-stoichiometric titanium carbides. Comparison of FP-LMTO calculations and experimental results. Solid State Communications nr 110 (1999), s. 299–303.
• [27] Pierson H.O.: Handbook of refractory Carbides and Nitrides – Properties, Characteristics, Processing and Applications. Noyes Publications Westwood, New Yersey, USA, 1996.
• [28] Lengauer W., Binder S., Aigner K., Ettmayer P., Guillou A., Debuigne J., Groboth G.: Solid state properties of group IVb carbonitrides. Journal of Alloys and Compounds nr 217 (1995), s. 137–147.
• [29] Lipatnikov V. N., Rempel A. A., Gusev A. I.: Atomic ordering and hardness of nonstoichometric titanium Carbide. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials nr 15 (1997), s. 61–64.