超声场对316L不锈钢表面磷化组织和性能的影响

在生物医用材料中，奥氏体不锈钢以其良好的力学性能、耐蚀性以及低廉的价格而得到广泛应用。但医用不锈钢表面硬度较低，耐磨性较差，使用后期植入体容易产生松动且有Ni、Cr、Mo等有害金属离子溢出，影响使用性能，故必须对其进行表面改性处理。

目前常用的表面处理方法主要是涂镀技术及气相沉积等，处理成本高、批量小，其应用存在极限性。磷化处理作为一种成熟的表面技术，经济实用，可满足大批量生产要求。常用的磷化处理一般包括锌系磷化和钙系磷化，锌和钙都是人体骨骼生产所需要的元素，对人体无害，因此生成的磷化膜层具有生物活性，能促进骨骼生长。但是316L不锈钢由于钝化膜的存在，导致磷化膜形成困难。本工作通过引入超声波，借助超声波提供的能量及空化作用来促进磷化反应的进行，考察了所得磷化膜的摩擦磨损性能及耐蚀性能，以为316L不锈钢表面磷化提供技术支撑。

基材为316L奥氏体不锈钢板材，试样尺寸为10mm×10mm×1mm，试样上方打孔，以方便悬挂。磷化处理工艺流程：化学除油→水洗→活化（去除自然钝化膜）→水洗→超声辅助磷化→干燥→检测。

不锈钢表面钝化膜的存在是影响磷化效果关键的因素，采用的活化溶液组成：98～102g/L(NH4)2SO4，85～90g/LH2SO4，活化温度为50～60℃，时间为20min。硫酸铵作为促进剂，可以提高酸液对不锈钢钝化膜的去除能力，加快酸洗速度，提高酸洗效率。

针对医用316L不锈钢磷化处理，改进了已有的磷化配方，去除了磷化液中对人体的有害元素，添加了对人体无害的Ca2+，旨在改善磷化膜的性能，并提高其表面的生物活性，磷化液组成及工艺条件为：4g/LZnO，0.1mol/LHNO3，0.12~0.15mol/LCa(NO3)2，0.035～0.050mol/LZn(H2PO4)2；磷化温度为75℃，磷化时间为1h；选用KQ-200KDE型高功率数控超声清洗器，超声功率为200W。结果表明：

（1）超声场能明显加速316L不锈钢表面磷化速度，且形成的磷化膜更加致密、完整、均匀。

（2）316L不锈钢磷化处理后，耐蚀性得到提高，其中，超声场下磷化处理的试样耐蚀性提高更明显，其自腐蚀电位明显正移，由基材的-0.813V提高至-0.246V，自腐蚀电流降低了1个数量级。

（3）316L不锈钢磷化处理后，试样表面的摩擦系数显著降低，由基材的0.574下降至0.122，进一步提高了316L不锈钢的耐磨性能。