The correlation between 3D surface parameters of a ceramic element and the tribological characteristics in ceramic-polymer joints

• Autorzy: Kalbarczyk M. , Michalczewski R. , Piekoszewski W. , Szczerek M.

Warianty tytułu

PL

Analiza korelacji między parametrami 3D chropowatości powierzchni ceramicznej a charakterystykami tribologicznymi węzłów ceramiczno-polimerowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the study was a correlation between the tribological characteristics of a lubricated ceramic-polymer friction joint and the 3D roughness parameters of ceramic body. The tests of materials in reciprocating motion were performed by means of a pin-on-flat tribotester denoted as T-17. The ceramic plates with various roughness parameters which containing different concentration of ZrO2 and Al2O3 rubbing against UHMWPE specimen were tested. The friction and wear in presence of Ringer solution were measured. An atomic force microscope (AFM) was employed for observation and 3D surface parameter measurement of the specimen sufaces with nanoscale precision before and after tests. It was found that, in the case of ceramic-polymer friction joints working under reciprocating motion, the correlation between the friction coefficient and wear and roughness parameters exists. The friction coefficient and wear are lower for higher values of the roughness parameters of the ceramic plate. The roughness of hard ceramics affects the process of polymer transfer. In the case of high rough surfaces, polymer material is smeared on the ceramic surface creating a thin polymer film. However, in the case of smooth ceramic surfaces, the strong adhesive bounds are created and some large particles of polymer are transferred to the ceramic surface. To summarise, the correlation between 3D surface parameters and tribological characteristics is also confirmed by the differences in the material transfer process.

PL

Celem pracy było zbadanie korelacji między parametrami chropowatości powierzchni a charakterystykami tribologicznymi węzłów ceramiczno-polimerowych. Badano trzpienie z UHMWPE trące w ruchu oscylacyjnym o płytki ceramiczne o różnej zawartości ZrO2 i Al2O3. Węzeł tarcia smarowany był płynem Ringera. Badania prowadzono z użyciem tribotestera T-17. Wykonano pomiary współczynnika tarcia i intensywności zużywania elementów węzła tarcia. Powierzchnia próbek badana była za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM). W efekcie przeprowadzonych badań stwierdzono, że stan powierzchni twardych materiałów ceramicznych wpływa na rodzaj zużywania współpracującego polimeru. W przypadku ceramiki o dużej chropowatości dochodzi do wytworzenia filmu polimerowego na powierzchni ceramiki na skutek namazywania, a w konsekwencji następuje obniżenie współczynnika tarcia i zmniejszenie zużycia. Natomiast w przypadku ceramiki o niskiej chropowatości tworzą się sczepienia adhezyjne ceramika-polimer, a w rezultacie następuje odrywanie dużych fragmentów polimeru, tym samym wzrost współczynnika tarcia i zużycia.

Słowa kluczowe

EN

ceramics for hip joint prosthesis; atomic force microscope; AFM; pin-on-flat testing machine; 3D surface parameters

PL

materiały ceramiczne na endoprotezy; mikroskop sił atomowych; AFM; tribotester typu trzpień-płytka; parametry chropowatości powierzchni

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 43, nr 1
• Strony: 7--17
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Kalbarczyk M.

autor

Michalczewski R.

autor

Piekoszewski W.

autor

Szczerek M.

• Institute for Sustainable Technologies - National Research Institute, Tribology Department ul. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland, phone: [phone],

Bibliografia

• [1] Pytko S., Kowal A.: Implanty stawu biodrowego człowieka. Materiały Konferencji „Mechanika w Medycynie”. Rzeszów. 1998, p. 197-209.
• [2] Banchet V., Fidrici V., Abry J. C, Kapsa Ph.: Wear and friction characterization of materials for hip prosthesis. Wear, 263 (2007), pp. 1066-1071.
• [3] Dowson D.: A comparative study of the performance of metallic and ceramic femoral head components in total replacement hip joint. Wear 190 (1995), p. 171-183.
• [4] Niemczewska M.: Kształtowanie powierzchni elementów endoprotez wykonanych z materiałów ceramicznych. Doctoral Thesis. Politechnika Krakowska. 2006.
• [5] www.emc-sa.pl, listopad 2007.
• [6] Schreiner U., Simmacher M., Scheller G., Scharf G. P.: The influence of different surface treatment on the primary stability of cementless acetabular cups: an in vitro study. Biomedizinishe Technik. Biomedical Engineering, 52 (2007), p. 243-247.
• [7] Liu X., Chu P. K., Ding C: Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications. Materials Science and Engineering, 47 (2004), p. 49-121.
• [8] Liu C., Bi Q., Matthews A.: Tribological and electrochemical performance of PVD TiN Coatings on femoral head of Ti-6A1-4V artificial hip joint. Surface and Coatings Technology, 163-164 (2003), p. 597-604.
• [9] Heinrich G., Grögler Т., Rosiwal S. M., Singer R. F.: CVD diamond coated titanium alloys for biomedical and aerospace applications. Surface and Coatings Technology, 94-95 (1997), p. 514-520.
• [10] Traykova Т., Aparicio C, Ginebra M. P., Planell J. A.: Bioceramics as nanomaterials. Nanomedicine, 1 (2006), p. 91-106.
• [11] Gawlik J., Niemczewska-Wójcik M., Piekoszewski W., Rozenberg O. A.: Precise surface machining of ceramic biomaterials. Proc. of ICPM, Sandomierz-Kielce 2007.
• [12] Piekoszewski W.: Identyfikacja warunków smarowania styku skoncentrowanego elementów chropowatych. Doctoral Thesis. Politechnika Poznańska. 1996.
• [13] Piekoszewski W.: Badania smarowanego styku skoncentrowanego elementów chropowatych. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn. 34 (1999), p. 413-428.
• [14] Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Samborski Т., Wasiak J.: Metoda i urządzenie do badań tribologicznych materiałów na endoprotezy. Tribologia. 5 (2002), p. 1491-1502.
• [15] Milošev I., Kosec Т.: Metal ion release and surface composition of the Cu-18Ni-20Zn nickel-silver during 30 days immersion in artificial sweat. Applied Surface Science, 254 (2007), p. 644-652.
• [16] Kees M. G., Schlotterbeck H., Passemard R., Pottecher Т., Diemunsch P.: Ringer solution: osmolarity and composition revisited. Annales Françaises d'Anésthesie et de Reanimation. 24 (2005), p. 653-655.
• [17] Ohmae N., Martin J.M., Mori S.: Micro and Nanotribology. ASME Press. New York 2005.