316L不锈钢血管支架材料电化学抛光工艺研究.pdf

《316L不锈钢血管支架材料电化学抛光工艺研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《316L不锈钢血管支架材料电化学抛光工艺研究.pdf（4页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、#基础与实验研究#Study on electrochemical polishing of 316L stainless steel stentJI Shi-wei,H UAN G Nan*,WAN Guo-j iang,WAN G Kai(Key Laboratory of Advanced Technology of Materials,Ministry Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)ABSTRACT This research focuses on DC-electrochemical poli

2、shing of 316L stainless steel stent materials.Functions ofthe components in electrochemical polishing solutions were studied.T he effect of operating conditions on polishing qualitywas investigated.High smooth surface can be obtained quickly.KEY WORDS 316L stainless steel;Stent;Electrochemical polis

3、hing316L 不锈钢血管支架材料电化学抛光工艺研究季士委,黄 楠*,万国江,王 凯(西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室,四川 成都 610031)摘 要 采用直流电化学抛光技术,研究了 316L 不锈钢血管支架材料电化学抛光液中各成分的作用及操作条件对抛光质量的影响。通过优化,用实验得到的工艺能很快获得光亮平整的抛光表面。关键词 316L 不锈钢;支架;电化学抛光中图分类号 TH142 文献标识码 A 文章编号 1672-8475(2006)03-0217-04 基金项目 国家自然科学基金中-港合作项目(30318006);四川省国际合作项目(05HH0023)。作者简介 季士委(1

4、982-),男,浙江天台人,硕士。E-mail:Zdjsw 通讯作者 黄楠,西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室,610031。E-mail:nhuang 收稿日期 2005-12-15 修回日期 2006-02-270 引言当前,冠状动脉病变已经是威胁人类生命的根本性的原因之一 1。随着介入治疗技术的发展,血管内金属支架的研制十分引人瞩目。其中 316L 不锈钢作为血管支架材料的应用已经有较长历史。金属支架的致血栓性已被证实是支架植入后影响病人康复的重要因素。研究分析表明,影响支架与血液相容性的因素很多,其主要因素为表面粗糙度。表面粗糙度越大,暴露在血液中的面积越大,凝血的可能性越大 2

5、。但由于血管支架形状结构复杂、尺寸小,在采用激光切割等方式完成粗加工后,其表面精整采用人工机械抛光已不可能 3。电化学抛光以其自身优点被优先考虑用于对支架的表面精整 4。本论文采用直流电化学抛光的方法,对 316L 不锈钢血管支架材料进行表面精整工艺研究。探索一种应用于医用不锈钢植入器械的实用、高效的表面精整工艺,尤其是诸如 316L 制人工血管支架的表面电化学抛光。图 1 实验装置示意图1 实验方法1.1 实验装置 如图 1 所示,该实验装置由电解槽、加热装置、温度计、阴极材料(不锈钢)、搅拌器、直流电源及若干导线组成。电源的正极接被抛光试样(阳极)。搅拌器处于液面极板下方。电解液不宜太多,

6、能#217#中国介入影像与治疗学 2006 年第 3 卷第3 期 Chin J Interv Imaging Ther,2006,Vol 3,No 3淹没样品即可,这样有助于气泡的顺利逸出。极间距以 3 5 cm 为佳。1.2 工艺流程 常温化学除油清洗去氧化皮清洗电化学抛光清洗中和清洗钝化清洗干燥保存。1.2.1试样制备 用电火花线切割法将 316L 不锈钢制成直径为 12 mm 的薄片,在 100#粗砂纸上打磨后,再依次在 280#、400#、600#、800#的水砂纸磨到粗糙度 Ra 0.16 0.08 Lm。采用激光刻蚀 316L 不锈钢圆管,然后稀酸浸泡,超声波清洗,把切屑去除,即得

7、到实验用血管支架。1.2.2 化学除油配方碳酸钠 20 g/L氢氧化钠 15 g/L磷酸钠 20 g/L乳化剂(OP-10)10 ml/L温度 常温时间 10 min1.2.3 去氧化皮10%稀硫酸 10 min1.2.4 中和液5%碳酸氢钠溶液 2 3 min1.2.5 钝化液重铬酸钾 18 g/L氢氧化钠 3 g/LpH 值 6.5 7.5时间 5 10 min1.3 检验方法1.3.1 显微镜观察 抛光后在显微镜下观察,表明应无划痕、无变形、无方向性,平整光亮。1.3.2耐腐蚀性 在德国 Zahner 公司 IM6 电化学工作站上进行,采用动电位法测量电化学抛光后的表面(E)在 Hank

8、s 溶液中的极化曲线,同时测量机械抛光不锈钢(M)的极化曲线进行对比。1.4 抛光液配方、操作条件及注意事项1.4.1 抛光液配方及操作条件磷酸(85%)650 ml/L硫酸(98%)250 ml/L三氧化铬 80 g/L添加剂 10 g/L温度 70 80e电压 18 V时间 2 min阴阳极面积 4B1阴极材料 不锈钢1.4.2 注意事项配置抛光液过程中应注意各成分的加入顺序,配成溶液的三氧化铬先加入到磷酸中,搅拌均匀后加硫酸,待完全冷却后再加添加剂。做完一定量的实验后,抛光液会失效,应部分更新或者全部更换。2 结果与讨论2.1 电化学抛光液中各成分的作用及影响2.1.1 磷酸 磷酸是抛光

9、液的主要成分,在抛光过程中,既能起溶解作用,又能在不锈钢表面形成磷酸盐保护膜,阻止不锈钢表面发生过腐蚀 5。磷酸含量偏低,抛光液比重小,黏度小,离子扩散速度加快,金属溶解加快,不利于达到整平和抛光效果;磷酸含量过高,则成本过高,且抛光慢。实验结果表明,当磷酸含量在650 ml/L 时,抛光效果达到最好。结果见表 1。表 1 磷酸含量对抛光质量的影响磷酸(ml/L)抛光表面状况560试样表面平整性差,光亮度差590试样表面平整性一般,光亮度差620试样表面平整,光亮度一般650试样表面平整,光亮680试样表面平整,光亮2.1.2硫酸 硫酸是抛光液组成的一部分。在抛光工艺中没有单独使用硫酸的情况,

10、原因是单独采用硫酸时,析出的溶解度不大的硫酸盐晶体将阻碍抛光进一步的进行 5。硫酸有助于提高抛光液的电导率,提高分散能力和阳极电流效率。加入适量的硫酸有助于制品表面整平,提高表面光亮度,硫酸含量过低,制品难以整平;硫酸含量过高,会降低表面光洁度,缩短电抛光液的使用寿命。实验结果表明,当硫酸含量为250 ml/L 时,综合效果最佳。结果见表 2。表 2 硫酸含量对抛光质量的影响硫酸(ml/L)抛光表面状况190试样表面平整性差,光亮度差210试样表面平整性一般,光亮度较差230试样表面平整,光亮度一般250试样平整,光亮270试样平整,光亮2.1.3 三氧化铬 CrO3是很少单独用来做电解抛光#

11、218#中国介入影像与治疗学 2006 年第 3 卷第 3 期 Chin J Interv Imaging T her,2006,Vol 3,No 3剂的,常常是加在其他成分中使用,如在硫酸、磷酸中加一些 CrO3配成抛光溶液。电解液中加入 CrO3以后可以得到良好的抛光效果。每种含 CrO3的电解液,要得到良好 的抛光结 果,都必须维持 一定的Cr2O72+形式存在,它有很强的氧化性,能使制品表面形成钝化膜,避免制品产生过腐蚀,有利于提高抛光质量。实验表明:实验中以 80 g/L 为宜。三氧化铬含量大于 80 g/L 时对抛光质量的贡献不大,但当三氧化铬含量过低时抛光质量明显下降。2.1.4

12、 添加剂 加入适量的添加剂,如乙二醇,有利于改变抛光液的黏度,提高制品表面的抛光质量,还可以减少对杂质的敏感性。本研究表明,添加剂的含量以 10 g/L 为宜。2.2 操作条件的影响2.2.1 电压 当进行电解抛光时,只有在一定的电流密度下才能达到抛光效果。由于本实验所用的试样大小一定,两极之间的距离保持不变,进而表现为只有在一定范围内的电压作用下,才会有良好的抛光效果。实验表明,在本实验中,当电压低于 15 V 时,样品表面的整平效果不明显,光泽度也很差;槽压在 18 21 V之间的平整度最佳;当电压高于 21 V 时,样品表面会出现明显的凹凸不平和大的蚀坑,有的甚至形成很深的蚀孔。2.2.

13、2 抛光液温度 温度参数与电压一样,对于每一种金属)电解液的组合,都有其最适的温度范围,在此范围内能保证获得最好的效果。电解液温度过分低时,就会引起阳极溶解减缓、减弱或者完全遏制电解液的抛光作用,使其转变为腐蚀作用,促使电解液和阳极膜的黏度提高,阻碍阳极溶解产物的扩散。过度提高温度,一方面会使金属溶解急速增大,降低电解液和阳极溶解产物的黏度,使扩散容易,降低电解液的电阻;另一方面,随着温度的升高和相邻阳极层过热,加剧了阳极近处气体和蒸气的生成,遂引起了表面腐蚀,在表面上显现条纹,迫使电解液排离表面和延缓过程进行的强度。在本实验中,当温度低于 50e 时,表面质量很差;而后随着温度的上升,表面质

14、量逐渐提高,到80e 时达到最佳;再继续提高温度,表面质量又逐渐降低。2.2.3抛光时间 准确地调节电解抛光的时间是获得良好结果的必要条件。实践表明,抛光速度在最初几分钟比较大,以后就逐渐缓慢下来甚至停止。材料原来的表面光洁度越差,这种效应越明显。同样,金属/溶液界面上的电容、电阻及试样反射率的变化也是在最初几分钟就完成,以后即趋于平稳。在实验中,抛光时间为 1 min 的表面,有明显的整平效果,但金属光泽较差;2 min 的抛光样品表面质量,光洁度和整平度都为最好;4 min 抛光样品光泽度很差,甚至出现被腐蚀的相,但平整度下降不是很快。因此抛光时间 2min 已经足够。图 2 机械抛光与电

15、化学抛光后阳极极化图2.3 耐腐蚀性 如图 2 电化学抛光不锈钢的腐蚀电位要高于机械抛光的腐蚀电位,从热力学来说具有更稳定的状态,这主要是由于在抛光及其后处理中,不锈钢表面形成了一层更厚的致密保护氧化膜,其能量状态明显要低于直接暴露的金属或机械抛光样品表层在空气中氧化得到的薄的疏松氧化膜层,从而有高的自然腐蚀电位。电化学抛光不锈钢的自然腐蚀电流密度即腐蚀速率比机械抛光样品略小,即电化学抛光不锈钢的耐蚀性优于机械抛光样品。另外,电化学抛光后的表面的孔蚀电位要明显高于机械抛光的孔蚀电位,即钝化膜在腐蚀溶液中的稳定性增强。这对于支架材料来讲具有重要的意义。机械抛光表面有一硬化变形层,在机械研磨过程中

16、,不可避免有磨料嵌入其中,更加速了 变形 层的 腐蚀 速率,而电 化学 抛光 的结果,使金属变形层溶解,表面活性降低,更重要的是表图 3 抛光前血管支架(40)图 4 抛光后血管支架(40)#219#中国介入影像与治疗学 2006 年第 3 卷第3 期 Chin J Interv Imaging Ther,2006,Vol 3,No 3面有一连续的钝化物薄膜形成,可以有效地阻止溶液到达金属基体,从而显著提高耐腐蚀性能。在本文研究得到的最优条件下抛光 316L 血管支架,能得到表面光亮、平整、尺寸均匀的合格的血管支架,如图 3、4所示。3 结论 本实验研制的抛光液抛光效果良好,成本低。抛光液成分

17、简单,无挥发性,使用寿命长。抛光后 316L 不锈钢试样表面平整、光亮,耐腐蚀性较机械抛光试样明显增强。抛光后的支架尺寸均匀,表面平整光亮,具有很高的金属光泽。参考文献 1 Raval A,Choubey A,Engineer C,et al.Development and as-sessment of 316LVM cardiovascular stents.Materials Science andEngineering A,2004,386:331-343.2 Chen JH,Yang DZ,Liu JX et al.T he research progress of corro-sio

18、n resistance of metallic implants.Materials Science and Eng-ineering(Chinese),2002,18(4):130-134.3 Jiang XX,Wang JY.Electrochemistry of alloy phases.Shanghai:Shanghai Science and T echnology Press,1984:11.4 Rajurkr KP.Electrochemical polishing of biomedical titanium or-ifice rings.J M ater Proc T echnol,1992,35:83-91.5 Guo XL,Yi X.Studies on electrochemical polishing of stainlesssteel.Electroplating&Finishing(Chinese),2001,20(5):11-13.#220#中国介入影像与治疗学 2006 年第 3 卷第 3 期 Chin J Interv Imaging T her,2006,Vol 3,No 3