不同时间对钛表面微弧氧化处理后与瓷结合强度的影响
作者：李健学，张玉梅，憨勇，刘啸晨，于凡。
Effects of microarc oxidation time on bonding strength of titanium to porcelain。
【Abstract】 AIM：To study the effects of time length of microarc oxidation (MAO) on the titaniumceramic bonding strength. METHODS： Titanium samples were treated with MAO in a Na2SiO3 electrolytic solution with duty cycle 0.04, frequency 500 Hz, and voltage 300 V. According to the different oxidation time, experimental groups consisted of 3, 6, 10 min groups. The nonMAO samples were used as a control group. The surface of the samples was observed by scanning electron microscope (SEM). The samples were bonded to porcelain. The bonding strength of the samples was measured by a threepoint bending test. RESULTS： The bonding strength (MPa) of the samples to porcelain in 3, 6, 10 min groups and control group was 56.4±0.8, 40.4±2.3，36.0±3.0，32.2±1.9. The longer the oxidation time was, the rougher the surface was, the larger the pore diameter was and the fewer the pore was. The thickness of oxidized layer was increased from 5 μm to 12 μm, but the bonding strength of titaniumporcelain was decreased, respectively (3min group vs 6min and 10min group, P0.01; 6min group vs 10min group, P＞0.05). The bonding strength of the MAO groups were higher than that of the nonMAO group (P0.01). CONCLUSION： The MAO on titanium is favorable to the titanium ceramic bonding strength and the different oxidation time has a different effect on the titaniumceramic bonding strength.
【Keywords】 microarc oxidation；time；bonding strength; titanium。
【摘要】 目的：观察钛试样在微弧氧化处理过程中于不同氧化时间形成的氧化膜对钛瓷结合强度的影响. 方法: 电解液由去离子水和Na2SiO3溶液组成，占空比和频率分别为0.04,500 Hz，电压300 V,根据时间不同分为3组，分别为3, 6, 10 min组. 对钛试样表面进行处理，将未行微弧氧化处理的钛试样作为对照组. 扫描电镜观察膜表面形貌；对不同组别试件进行瓷粉烧结;采用三点弯曲试验测量钛与瓷的结合强度. 结果：3, 6, 10 min组和未行微弧氧化组与瓷的结度分别是56.4±0.8，40.4±2.3，36.0±3.0，32.2±1.9. 随着氧化时间的延长,试件表面变化较大,微孔直径增大,微孔数量明显减少，表面变得粗糙，氧化层膜的厚度也随之增加，从5 μm左右增加到12 μm. 随时间的延长,钛与瓷的结合强度逐渐降低，结合强度在3 min组明显高于6，10 min组(P＜0.01)，6，10 min组结合强度相差不大，无统计学意义(P＞0.05), 但微弧氧化组的结合强度明显高于未行微弧氧化组(P＜0.01). 结论：钛在烤瓷前经微弧氧化处理有利于钛与瓷的结合，且在微弧氧化过程中不同氧化处理时间对钛瓷结合强度有影响.
钛是一种化学性能非常活泼的金属，在高温下可以和多种气态物质如氧、氢、氮及包埋料中的多种元素发生反应，这样的高反应性使钛在铸造和与瓷熔附时带来困难［1］. 为解决这一问题,有学者指出可通过在钛与瓷之间引入中间层,隔绝钛与氧的接触,控制钛表面过度氧化来提高钛瓷的结合强度. 微弧氧化是在金属表面原位生长氧化物陶瓷层的新技术，将此法用于钛瓷结合前钛的表面处理,可形成与钛基底结合强度高、多孔的氧化膜,并利用氧化膜中含有热稳定性好的金红石相阻止钛继续氧化,从而增加钛瓷结合强度. 微弧氧化处理时间对钛表面形成的TiO2陶瓷膜的厚度以及孔径的大小有一定的影响,我们研究不同氧化处理时间对微弧氧化膜及钛瓷结合强度的影响,为选择出适合钛瓷结合的微弧氧化处理参数提供实验依据.
1材料和方法。
1.1材料①纯钛锻制成25 mm×3 mm×0.5 mm试样（西北有色金属研究院提供）；②微弧氧化设备MAO100(西安交通大学金属材料强度国家重点实验室）； ③扫描电镜(JSM6460，Japan)；④Multi・mat 99型烤瓷炉(美国Dentsply公司); ⑤AGS万能材料试验机(日本岛津公司)；⑥ Noritake钛瓷粉( SuperTi22日本则武公司).
1.2方法。
1.2.1表面处理将喷砂处理后的钛试件在丙酮及去离子水中超声清洗15 min. 以采用脉冲直流微弧氧化设备进行表面处理作为试验组. 电解液由去离子水和20 g/L Na2SiO3配置而成. 不锈钢为阴极，试样为阳极. 温度保持在40℃以下. 占空比和频率分别为0.04, 500 Hz，电压300 V,根据时间不同将试验组分成3组，分别为3 min组，6 min组和10 min组. 微弧氧化处理后的钛试件在丙酮中超声清洗15 min. 自然晾干. 采用扫描电镜观察试样表面的微结构特征及膜层的厚度. 将未经微弧氧化法处理的钛试件待烤瓷作为对照组.
1.2.2烤瓷及结合强度的测试采用Noritake钛瓷系统，在试验组和对照组的钛试件中间部分(8 mm×3 mm的范围)依次涂粘结瓷、遮色瓷和牙本质瓷. 烧结条件如表1所示,真空度0.37×105 Pa. 烧结结束待试件冷却后将试件置于万能试验机上，钛瓷试件两端置于直径均为1.0 mm的支持物上，两支点的间距为20 mm，瓷面向下，用曲面半径为1.0 mm的压头，在试条上面的金属面中点处施加与钛瓷界面垂直的力，直至试件瓷层末端钛瓷界面分离,加载速度为（1.0±0.5）mm／min, 记录钛瓷开裂时的加载值(Ffail)，用公式τ=k×Ffail计算出钛瓷间的结合强度(k值是有关金属材料弹性模量与试件形状大小有关的常数)［2］.表1烧结瓷时的条件统计学处理：通过组间两两比较用t检验分析统计学意义,数据用x±s表示.