Daria Jóźwiak Temat pracy: ODPORNOŚĆ KOROZYJNA STALI

WYśSZA SZKOŁA INśYNIERI DENTYSTYCZNEJ
IM. PROF. MEISSNERA W USTRONIU
WYDZIAŁ INśYNIERII DENTYSTYCZNEJ
Daria Jóźwiak
Temat pracy:
ODPORNOŚĆ KOROZYJNA STALI CHIRURGICZNEJ
316L MODYFIKOWANEJ POWŁOKĄ CERAMICZNĄ
SiO2 OTRZYMYWANĄ METODĄ ZOL - śEL W
ROZTWORZE SZTUCZNEJ KRWI.
Praca dyplomowa napisana
w Katedrze Nauk o Materiałach
pod kierunkiem naukowym
dr inŜ. Jacka Chęcmanowskiego
Wprowadzenie
W ostatnich latach wzrosło zapotrzebowanie na nowe materiały
konstrukcyjne, a ich własności powinny spełniać warunki
nowoczesnych technologii. Do poŜądanych tych cech materiałów
naleŜy duŜa odporność na korozję róŜnego rodzaju i w róŜnych
środowiskach. W technice dentystycznej szerokie zastosowanie
mają materiały metaliczne. JednakŜe konstrukcje wykonywane z
tych materiałów przyczyniają się do występowania zjawisk
elektrochemicznych w jamie ustnej, które mogą działać
niekorzystnie na organizm ludzki. Korozja tych materiałów moŜe
spowodować osłabienie uzupełnienia protetycznego, co moŜe
wiązać się z jego uszkodzeniem. Wykorzystując metody w
inŜynierii powierzchni moŜna polepszyć odporność korozyjną
metali. Metody te słuŜą do nanoszenia na powierzchnię metaliczną
powłok ochronnych, najczęściej obecnie powłok ceramicznych.
Wykonywane są badania nad poprawą właściwości elementów
metalowych. Zastosowanie znalazła równieŜ m.in. technika zolŜel. Proces ten umoŜliwia otrzymywanie powłok ochronnych,
nanoproszków oraz materiałów monolitycznych.
Odłamanie licówki po roku
uŜytkowania
Odprysk ceramiki przyszyjkowej po
trzyletnim uŜytkowaniu.
Cel pracy:
Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu wielowarstwowych powłok
ceramicznych SiO2 na odporność korozyjną stali nierdzewnej typu 316L
w roztworze sztucznej krwi.
•
•
•
•
•
•
Dla realizacji zamierzonego celu konieczne było:
otrzymanie zolu SiO2,
wytworzenie wielowarstwowych powłok SiO2
spiekanie kolejno otrzymanych warstw w temperaturze 300 °C;
sporządzenie roztworu sztucznej krwi.
W wykonanych badaniach zastosowano środowisko korozyjne:
roztwór sztucznej krwi, w temperaturze 37 °C.
Zmiennymi parametrami w wykonanych badaniach była:
liczba kolejno naniesionych warstw w powłoce SiO2: powłoka
jednowarstwowa (próbka oznaczona symbolem „A”), dwuwarstwowa
(próbka „B”), trójwarstwowa (próbka „C”), czterowarstwowa (próbka
„D”), pięciowarstwowa (próbka „E”), sześciowarstwowa (próbka „F”) oraz
siedmiowarstwowa (próbka „G”).
Metodyka badawcza:
W części doświadczalnej została przedstawiona preparatyka
otrzymywania wielowarstwowych powłok ceramicznych SiO2 oraz
wyniki badań elektrochemicznych stali typu 316L bez oraz z powłokami
po ekspozycji w roztworze sztucznej krwi (SBF).
Do przygotowania powłok uŜyto następujących odczynników:
•
•
•
•
•
•
•
•
Tetraetoksysilan
Alkohol etylowy
Kwas octowy
Kwas azotowy
NaCl
KCl
CaCl2
NaHCO3
Si(C2H5O)4 (TEOS)
C2H5OH (ET)
CH3COOH
HNO3
•
•
•
•
•
K2HPO4.3H2O
MgCl2.6H2O
Na2SO4
(CH2OH)3CNH2
HCl
Roztwór powłokowy SiO2 sporządzono z odpowiedniego prekursora
przez rozpuszczenie go w rozpuszczalniku organicznym, jakim był
bezwodny alkohol etylowy.
Następnie całość homogenizowano w płuczce ultradźwiękowej przez
75min.
W tym czasie do roztworu dodawano następujące składniki:
kwas azotowy (V)
kwas octowy
Skład chemiczny otrzymanych zolu podany w stosunku
molowym.
Badania wykonano na stali nierdzewnej 316L.
Skład chemiczny stali typu 316L (%mas.).
Skład chemiczny roztworu sztucznej krwi (SBF).
Wykorzystane w badaniach próbki miały kształt krąŜków o średnicy
14,8 mm i grubość 1,0 mm.
Procedura przygotowania próbek:
•
•
•
•
•
W celu właściwego
przygotowania powierzchni stali
nierdzewnej typu 316L
wykonywano następujące
operacje:
Szlifowanie na papierze ściernym
o uziarnieniu 400, 600, 800;
Przemywanie wodą destylowaną;
Suszenie;
Odtłuszczanie w acetonie, w
płuczce ultradźwiękowej w czasie
30 min;
Ponowne suszenie.
Ultrapłuczka.
Pokrywanie podłoŜa warstwą zolu:
Powłoki nanoszono metodą
zanurzeniową (szybkość
wynurzania 2,5 mm/min). Próbki
z naniesioną powłoką suszono na
wolnym powietrzu przez 24
godziny. Następnie próbki
umieszczano w zimnym piecu. Po
osiągnięciu zadanej temperatury
próbkę wspiekano przez czas 60
minut. Szybkość wzrostu
temperatury pieca wynosiła 2
deg/min.
Aparatura do zanurzania i
wynurzania próbek.
Metodyka wykonywania badań
Elektrochemiczne pomiary stałoprądowe słuŜące do oceny odporności
korozyjnej, polegały na rejestrowaniu krzywych polaryzacyjnych w
konwencjonalnym układzie trójelektrodowym.
Przyjęto następujące oznaczenia umowne:
•
•
•
•
•
iE=-750mV – gęstość prądu katodowego przy potencjale -750mV;
EK-A lub Ecorr – potencjał przejścia katodowo anodowego;
Ei=2A/cm2 – potencjał przy gęstości prądu anodowego 2 A/cm2;
Rp – opór polaryzacyjny;
P – przepuszczalność powłoki.
Układ pomiarowy, słuŜący do,
elektrochemicznych pomiarów
stałoprądowych.
Elektrochemiczne naczyńko
pomiarowe.
300
200
E ' , mV
100
0
316L
A
B
C
D
E
F
G
-100
-200
SYMBOL PRÓBKI
-300
Potencjał korozyjny (E’) stali nierdzewnej 316L bez modyfikacji oraz
z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO2 po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w temperaturze
37 °C.
1 0-3
1 0-4
I (A/cm 2)
1 0-5
10
-6
10
-7
316L
316L
316L
316L
316L
316L
316L
316L
1 0-8
1 0-9
10-10
-1,5
-0,5
0,5
1,5
+
+
+
+
+
+
+
1wars twa SiO2 (próbka A)
2 wars twy S iO 2 ( pr óbk a B )
3 wars twy S iO 2 ( pr óbk a C )
4 wars twy S iO 2 ( pr óbk a D )
5 wars tw Si O2 (próbka E )
6 wars tw Si O2 (próbka F)
7 wars tw Si O2 (próbka G)
2 ,5
3,5
E (Volts)
Krzywe potencjodynamiczne stali nierdzewnej 316L bez
modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi
SiO2 po 120 - minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w
temperaturze 37 °C.
-500
E K - A , mV
-400
-300
-200
-100
0
316L
A
B
C
D
E
F
G
SYM BO L PRÓ BKI
Potencjał przejścia katodowo-anodowego (EK – A) stali nierdzewnej
316L bez modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami
ceramicznymi SiO2 po 120 minutowej ekspozycji w roztworze
sztucznej krwi w temperaturze 37 °C.
1400
1200
E W , mV
1000
800
600
400
200
0
316L
A
B
C
D
E
F
G
-200
SYMBOL PRÓBKI
Potencjał zarodkowania wŜeru (EW) stali nierdzewnej 316L bez
modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO2
po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w
temperaturze 37 °C.
Przepuszczalnosc , %
14
12
10
8
6
4
2
0
A
B
C
D
E
F
G
SYMBOL PRÓBKI
Przepuszczalność wielowarstwowych powłok SiO2 naniesionych na
stal nierdzewną typu 316L po 120 minutowej ekspozycji w
roztworze sztucznej krwi w temperaturze 37 °C.
5
3x10
5
2x10
5
1x10
5
RP , Ωcm
2
4x10
316L
A
B
C
D
E
F
G
SYMBOL PRÓBKI
Porównanie oporów polaryzacyjnych (Rp) stali nierdzewnej 316L bez
modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi SiO2
po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w
temperaturze 37 °C.
Obszar pasywny , mV
2000
1500
1000
500
0
316L
A
B
C
D
E
F
G
SYMBOL PRÓBKI
WydłuŜenie obszaru pasywnego stali nierdzewnej 316L bez
modyfikacji oraz z wielowarstwowymi powłokami ceramicznymi
SiO2 po 120 minutowej ekspozycji w roztworze sztucznej krwi w
temperaturze 37 °C.
Stwierdzenia i wnioski.
Na podstawie wykonanych badań elektrochemicznych stali
chirurgicznej typu 316L, polegających na rejestrowaniu krzywych
polaryzacyjnych oraz na podstawie analizy wyników badań
stwierdzono, Ŝe modyfikacja wielowarstwowymi powłokami SiO2
stali 316L wpływa na odporność korozyjną gdyŜ korzystnie wpływa
na wyznaczone wartości parametrów elektrochemicznych o których
była mowa powyŜej. ObniŜa szybkość korozji stali nierdzewnej typu
316L w roztworze sztucznej krwi (zawierających jony chlorkowe) w
temperaturze 37 °C.
Do oceny właściwości ochronnych wielowarstwowych powłok
SiO2, otrzymanych metodą zol-Ŝel, na stali nierdzewnej typu
316L, zastosowano następujące wielkości elektrochemiczne:
potencjał stacjonarny, korozyjny (E’), zmierzony po 120-to
minutowej ekspozycji próbki w roztworze sztucznej krwi,
gęstość prądu katodowego zmierzona przy potencjale -750
mV, potencjał przejścia katodowo-anodowego stali 316L bez
oraz z wielowarstwowymi powłokami SiO2 (EK-A), potencjał
zarodkowania wŜeru (EW) przy gęstości prądu 2,5µA/cm2 oraz
opór polaryzacyjny (Rp), a takŜe wydłuŜenie obszaru
pasywnego.
Dziękuję
za uwagę