Tribologické chování kompozitů na bázi Ti-Si za podmínek čistého prokluzu

Tribological behavior of Ti–Si based in situ composites under sliding

článek ve sborníku ve WoS nebo Scopus

en

Nowadays, hard-on-hard bearings are widely used in joint replacements, where both components are made of hard materials as ceramics (alumina or zirconia) or CoCr alloys. These materials possess good tribological properties and corrosion resistance, however, ceramics are prone to brittle fracture, while CoCr alloys discharge metal ions and nanosize wear debris, which may lead to adverse tissue reactions, hypersensitivity and inflammations. Thus, the development of new materials with improved biocompatibility, tribological performance and reduced metal ion release is highly needed. The introduction of hard phases into titanium matrix to produce titanium matrix composites (TMCs) is an effective method to enhance wear and friction properties. Titanium matrix provides a high biocompatibility, corrosion resistance, strength and toughness for the composite, while the different types of ceramic, carbon or metal particles can be utilized as the reinforcements. The melting route is an attractive way to produce in situ TMCs, since the reinforcements, which are formed during phase transformations, have a good interfacial strength with the matrix. System Ti–Si enables to create in situ reinforced alloys due to phase transformations occurring under solidification and subsequent cooling. Our previous work showed 2-7 times better wear resistance for experimental Ti–6Si–5Zr alloy in comparison with commercial Ti–6Al–4V. This work was aimed to examine tribological performance of selected Ti–Si based in situ composites under sliding conditions using a commercial ball-on-disk tribometer. Measurements of the coefficients of friction and evaluation of the wear volumes were performed along with examinations of the wear track appearances.

V dnešní době jsou často využívány náhrady kyčelního kloubu typu "hard-on-hard", kdy jsou obě komponenty náhrady vyrobeny z materiálu o vysokém modulu pružnosti v řádu stovek GPa (keramika, CoCr slitiny). Tyto materiály vykazují dobré tribologické vlastnosti a korozní odolnost, na druhou stranu, keramické materiály jsou náchylné ke křehkému lomu a u CoCr slitin může dojít k nežádoucím reakcím mezi částicemi vzniklými opotřebením a okolní tkání. Z toho důvodu je vyžadován vývoj nových biokompatibilních materiálů s dobrými tribologickými vlastnostmi, u kterých zároveň dochází k redukci uvolněných kovových částic. Zavedení tuhé fáze do titanové matrice za účelem vytvoření kompozitů s titanovou matricí (TMC) se zdá být efektivní metodou za účelem snížení tření a opotřebení. Titanová matrice zajišťuje vysokou míru biokompatibility, korozní odolnosti, pevnosti a tuhosti kompozitu, zatímco pro vyztužení kompozitu je možné využít různé druhy keramiky či kovů. Tavení je vhodným způsobem pro vytvoření TMC in situ, jelikož výztuhy, které se formují v průběhu fázové transformace, mají dobrou mezifázovou pevnost vůči matrici. Systém Ti-Si umožňuje vytvářet in situ vyztužené slitiny v průběhu fázové transformace, která nastává při solidifikaci a následném ochlazování. Naše předchozí stude ukázala 2-7 násobné zlepšení odolnosti proti opotřebení v případě slitiny Ti-6Si-5Zr ve srovnání s komerční slitinou Ti-6Al-4V. Tato práce si klade za cíl zhodnotit tribologické vlastnosti vybraných kompozitů na bázi Ti-Si za podmínek čistého prokluzu na komerčním triobmetru konfigurace ball-on-disc. Byla provedena měření součinitele tření a bylo vyhodnoceno opotřebení materiálu současně s analýzou dráhy opotřebení.

Nowadays, hard-on-hard bearings are widely used in joint replacements, where both components are made of hard materials as ceramics (alumina or zirconia) or CoCr alloys. These materials possess good tribological properties and corrosion resistance, however, ceramics are prone to brittle fracture, while CoCr alloys discharge metal ions and nanosize wear debris, which may lead to adverse tissue reactions, hypersensitivity and inflammations. Thus, the development of new materials with improved biocompatibility, tribological performance and reduced metal ion release is highly needed. The introduction of hard phases into titanium matrix to produce titanium matrix composites (TMCs) is an effective method to enhance wear and friction properties. Titanium matrix provides a high biocompatibility, corrosion resistance, strength and toughness for the composite, while the different types of ceramic, carbon or metal particles can be utilized as the reinforcements. The melting route is an attractive way to produce in situ TMCs, since the reinforcements, which are formed during phase transformations, have a good interfacial strength with the matrix. System Ti–Si enables to create in situ reinforced alloys due to phase transformations occurring under solidification and subsequent cooling. Our previous work showed 2-7 times better wear resistance for experimental Ti–6Si–5Zr alloy in comparison with commercial Ti–6Al–4V. This work was aimed to examine tribological performance of selected Ti–Si based in situ composites under sliding conditions using a commercial ball-on-disk tribometer. Measurements of the coefficients of friction and evaluation of the wear volumes were performed along with examinations of the wear track appearances.

Titan, křemík, in situ kompozit, opotřebení, tření

Titanium, silicon, in situ composite, wear, friction

2014

21.05.2014

Tanger Ltd.

Ostrava

978-80-87294-52-9

Metal 2014

2704–2709

6