钛材料涂层对新型式硬质沙钻装置数值切割功能的制约

钛材料涂层对新型式硬质沙钻装置数值切割功能的制约 文章来源：中国切割机网

　　
　　1材料与方法
　　1.1材料与设备镍铬合金
　　（HeraeniumS型，Heraeus公司）金刚砂钻针（MANI，日本株式会社）；超高真空多功能磁控溅射设备（JGP560C8型，沈阳科学仪器研制中心有限公司）；丙酮、无水乙醇（上海实验试剂有限公司）；手机头（NSK，日本）；数控车床（CJK6150，济南三机床有限公司）。
　　1.2实验方法
　　1.2.1实验分组选择同一批次SF－13标准磨粒（106～125μm）的MANI金刚砂钻针24只，随机均分成A、B两组（ISO111／016），工作端磨粒长度8.2mm，钻针总长度22.0mm，直径1.0mm.A组采用直流反应磁控溅射方法在金刚砂表面镀氮化钛涂层，B组为对照，未镀氮化钛涂层。
　　1.2.2镍铬合金金属薄片
　　（切割基底）的制作制作5cm×1.5cm×0.15cm的长方体蜡型2组，常规包埋、失蜡、铸造后形成金属块，经切削打磨后形成厚度为1.0mm的金属薄片，并在距离宽度边缘5mm处分别作长度为5cm的刻度标记线，作为金刚砂钻针的切割起始线。
　　1.2.3镀膜前金刚砂钻针的固定制作一块5cm×2cm×0.2cm不锈钢薄片，然后在薄片上依次打两排直径为1mm的圆孔共20个，作为金刚砂钻针的固位孔。将金刚砂钻针插入固位孔后，使用0.25mm正畸用的不锈钢丝采用“8”字结扎的方法自钻针柄部中央两两结扎数圈固定。
　　1.2.4镀膜前金刚砂钻针的表面预处理镀膜前先将固定后的金刚砂钻针连同不锈钢薄片依次放入盛有丙酮、无水乙醇的有盖托盘中，然后把托盘置于超声清洗槽中超声清洗15min，烘干后放入镀膜室备用。
　　1.2.5氮化钛涂层的制备氮化钛涂层是在JGP560C8型超高真空多功能磁控溅射设备上采用直流反应磁控溅射完成的。采用高纯Ti靶为靶源，溅射时靶与基片距离为6mm，使用冷却水降温以防止基片温度过高。磁控溅射前镀膜室抽真空，真空度优于3×10－4Pa，溅射气体为Ar，反应气体为N2，总气压保持在0.6Pa，氩气流量40sccm（ml／min），氮气流量10sccm，反应溅射功率为140W，TiN薄膜的沉积厚度约为2μm。
　　1.2.6垂直切割效率的测定1）以连接杆一端垂直固定手机，另一端固定在铁架上，可以作逆时针方向旋转，用金属夹具固定镍铬合金金属薄片，使钻针切端与金属薄片水平接触以模拟临床切割方式，用砝码控制金刚砂钻针的施加外力为100g，调节气压，控制手机恒定转速为300000r／min，切割过程中应加水冷却，控制水流速度为15ml／min.2）本实验设定当钻针切割长度为5mm，厚度为1mm镍铬合金金属薄片所用时间超过15min时，即切割效率低于0.067mm／min，则认为金刚砂钻针已丧失切割能力。3）从镍铬合金金属薄片切割起始标记线处开始作垂直向切割并同时开始计时，切割长度为5mm，厚度为1mm，记录第1、2、3次、直至金刚砂钻针没有切割效率为止切穿金属薄片时所用时间，以每分钟切割金属薄片的厚度作为衡量金刚砂钻针切割效率的标准。4）取12只金刚砂钻针切割效率的平均值作为垂直向切割效率。
　　1.3统计学分析采用SPSS13.0软件，对实验数据进行两样本t检验统计学分析（α＝0.05）。P＜0.
　　05为差异具有统计学意义。
　　2结果
　　实验结果见1.当切割次数为1次和2次时，A组金刚砂钻针的切割效率稍低于B组，但两者间无显著性差异；当第3次切割时，A组金刚砂钻针切割效率却高于B组，且两者间也无显著性差异；当切割次数在4、5和6次时，A组金刚砂钻针切割效率明显高于B组，其差异有显著统计学意义（P＜0.05）；B组金刚砂钻针在切割第6次后已经丧失切割能力，而A组金刚砂钻针的切割效率却仍保持在0.475mm／min.
　　3讨论
　　氮化钛涂层是一种使用广泛，制备技术成熟的硬质薄膜。氮化钛表面呈现金黄色，具有典型的NaCl型结构，属面心立方结构点阵，其中钛原子占据面心立方的顶角。熔点高达2950℃，密度5.43g／cm3，化学性能稳定，具有良好的生物相容性、硬度高、抗腐蚀性强、与金属结合紧密等优点，是工业上常用的耐磨损、耐腐蚀涂层材料，被广泛应用在硬质合金刀具和高速钢刀具表面，以提高其切削速度和使用寿命。
　　金刚砂钻针的切割效率取决于钻针表面形貌（表面沟纹、形态多样性），钻针切割端的加载负荷，还与金刚石颗粒分布及大小、金刚石块的多面型及表面聚合度、金刚砂颗粒周围金属矩阵的非统一性、钻针砂粒间碎屑的堆积以及钻针的磨损有关。电镀层的厚度、层数，不同制造商和制造工艺也是影响金刚砂钻针切割效率的重要因素。大多数牙科医生进行牙体预备固定修复时加载在高速涡轮机上的力值为50～150g，而临床实际操作过程中钻针正常的加载负荷为100g，低于100g力时切割效率会下降。当压力增加1倍时，粗砂钻针切割效率增加了34，但对中等砂粒钻针切割效率无影响；当压力降低50时，粗砂钻针切割效率下降了50，而中等砂砾切割效率却下降了40～42。增加压力的同时还会导致牙体表面温度升高，牙髓组织发生暂时性或性损伤的机率更大。Siegel等研究3种不同微粒大小的金刚砂钻针对切割效率的影响，结果表明在很短时间内，中等砂粒、粗砂粒和特粗砂粒钻针的切割效率具有可比性；随着时间延长，粗砂粒的切割效率明显高于中等砂粒，但粗砂和特粗砂钻针的切割效率无明显差异。Grajower等研究指出钻针切割性能与其表面沟纹关系很复杂，多面型金刚石块数量的多少与切割效率高低并没有相关性。
　　关于切割效率的研究目前还缺乏模拟牙齿硬组织的切割基底，主要是因为牙釉质分布排列不规则、具有多向性、呈凸面型，而实际上预备的切割基底表面平坦、厚度均匀、方向单一。而多数学者采用可切削玻璃陶瓷来模拟要切割的牙釉质，是因为它的努氏硬度、弹性模量和热力学特性与牙釉质相接近。Watanabe等使用Free－machineTi、CPTi、Ti6Al4V、TypeIVgold和Co－Cr等5种合金作为切割基底来研究高速涡轮机钻针的切割效率，而孙等则采用了树脂试块作为切割对象。
　　Siegel等研究3种不同加载负荷（手机头加载负荷为71g、147.5g、295g时，钻针切割端产生的负荷分别为44g、91.5g、183g）下钻针的磨损情况和碎屑的堆积量，结果发现加载负荷在71g时，不同砂粒钻针均出现小的磨损和碎屑堆积量；当加载负荷增加到147.5g和295g时，中等砂粒的钻针之间产生的碎屑堆积量稍有差别；当加载负荷在147.5g时，粗砂粒钻针产生的碎屑堆积量要高于负荷295g力时的碎屑堆积量。显微镜下观察表明碎屑沉积较砂粒磨损、颗粒脱落对切割效率的影响更具有决定性意义。
　　本实验结果表明，当切割次数为1次和2次时，A组金刚砂钻针的切割效率稍低于B组，这可能是由于氮化钛镀层改变了金刚砂钻针的表面特性，与摩擦系数降低有关；当第3次切割时，A组金刚砂钻针切割效率却高于B组，这主要可能是因为未镀氮化钛涂层金刚砂钻针颗粒间存在大量碎屑沉积，而镀层表面碎屑不易沉积；当切割次数在4、5和6次时，A组金刚砂钻针切割效率明显高于B组，这可能是第4次切割后镀氮化钛涂层钻针表面已经发生大量磨损，暴露原有的金刚砂微粒，导致切割效率出现明显增加，而未镀氮化钛涂层却由于发生进一步磨损而切割效率又有所下降。通过直流反应磁控溅射的方法在金刚砂钻针的表面沉积氮化钛涂层可以提高钻针的耐磨性，使钻针获得持久的切割效率并延长其使用寿命，缩短了临床医生的操作时间，提高了工作效率。
　
　

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