Widok Wybrane parametry procesu tarcia powłoki ochronnej formowanej metodą IBAD na powierzchni polietylenowej panewki biodrowej

Mgr inŜ. Tomasz RYBAK, mgr inŜ. Joanna SULEJ-CHOJNACKA, mgr inŜ. Adrian MRÓZ, prof. dr hab. inŜ. Monika GIERZYŃSKA-DOLNA

Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań e-mail: tomasz.rybak@inop.eu

Dr Bogusław RAJCHEL

Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków

Wybrane parametry procesu tarcia powłoki

ochronnej formowanej metodą IBAD

na powierzchni polietylenowej panewki biodrowej

Selected parameters of friction process for protective

IBAD coating on hip endoprosthesis polyethylene cup

W artykule przedstawiono wyniki badań tribologicznych pary trącej „głowa-panewka”, stanowiącej układ ru-chowy endoprotezy stawu biodrowego, o średnicy φ28 mm. W badaniach uŜyto głowę wykonaną ze stopu CoCrMo oraz panewkę UHMWPE z powłoką C-C wykonaną w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Badania prowadzono w Laboratorium InŜynierii Powierzchni i Tribologii Instytutu Obróbki Plastycznej w Po-znaniu z wykorzystaniem symulatora SBT-01. Przeprowadzono badania momentu tarcia, siły docisku, wartości temperatury styku oraz zuŜycia elementów endoprotezy o średnicy φ28 mm i porównano z wynikami pary trącej: głowa CoCrMo oraz panewka UHMWPE bez powłoki uformowanej jonowo. Podano i omówiono wyniki badań. Abstract

The article presents results of tribological tests for φ 28 mm head-cup friction couple, which is the motion system of the hip endoprosthesis. In the studies femoral head made of CoCrMo alloy and polyethylene acetabular cup with C-C coating made in Institute of Nuclear Physics of Polish Academy of Science were applied. Investigations were performed in Laboratory of Surface Engineering and Tribology in Metal Forming Institute in Poznan using SBT-01 simulator. Friction moment, contact force, joint temperature and ø 28 mm friction elements wear were investigated. This results was compared to results of friction couple: CoCrMo femoral head and UHMWPE acetabular cup without ion formed coating. There are presented and discussed investigations results.

Słowa kluczowe: endoproteza stawu biodrowego, para trąca głowa-panewka, powłoki C-C, metody jonowe,

badania tarciowo-zuŜyciowe

Key words: hip endoprosthesis, femoral head-acetabular cup friction couple, C-C coating, ion methods,

friction-wear tests

1. WSTĘP

Artykuł opracowano na podstawie wyni-ków badań przeprowadzonych w Instytucie Obróbki Plastycznej w roku 2010 w ramach własnych badań statutowych. Prace te dotyczy-ły badań tribologicznych nowych rozwiązań w endoprotetyce stawu biodrowego.

Układ ruchowy głowa-panewka stanowi podstawowy element endoprotezy stawu bio-drowego. Od doboru materiałów na tę parę

1. INTRODUCTION

The article was elaborated based on Metal Forming Institute 2010 statute work results. This work was concerning on tribological investigations of new solutions in hip endopro-tetics.

Femoral head–acetabular cup morion system is a basic element of hip endoprosthesis. Material choice for this friction couple deter-mines friction and wear resistance.

trącą zaleŜą zarówno opory tarcia, jak teŜ od-porność na zuŜycie. Najczęściej stosowane [1] panewki polietylenowe posiadają tę wadę, iŜ polietylen jest materiałem o niskiej odporności na zuŜycie. W endoprotezach stawu biodrowe-go, przy zastosowaniu artykulacji metal-polietylen, główną przyczyną uszkodzeń endo-protez jest zuŜywanie panewki polietylenowej [2]. Powstające drobiny polietylenu o średnicy od φ 1 µm do φ 10 µm mogą wywołać około-protezowy stan zapalny prowadzący do zjawi-ska obluzowania endoprotezy [3]. W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie uformowa-no metodą IBAD na powierzchni trącej panew-ki polietylenowej powłokę C-C. W Laborato-rium InŜynierii Powierzchni i Tribologii w In-stytucie Obróbki Plastycznej w Poznaniu auto-rzy przeprowadzili porównawcze badania tar-ciowo-zuŜyciowe przy uŜyciu symulatora do badań elementów endoprotez stawu biodrowe-go SBT-01. Symulator jest urządzeniem skon-struowanym i wykonanym w Instytucie przy współpracy z Politechniką Częstochowską. Wcześniejsze wyniki badań za pomocą symula-tora SBT-01 przedstawiono w pracach [4, 5, 6]. Badaniom poddane zostały panewka z powłoką C-C oraz referencyjna panewka z UHMWPE tej samej produkcji. W obu przypadkach, jako przeciwpróbki zastosowano ten sam typ głów ze stopu CoCrMo. Wszystkie badane elementy miały średnicę roboczą φ 28 mm.

2. MATERIAŁY I METODYKA BADAŃ

W niniejszej pracy analizie tarciowo-zuŜyciowej poddano wyniki badań panewki z UHMWPE oraz panewki z UHMWPE pokry-tej powłoką węglową. Obie badane panewki UHMWPE, były komercyjnymi panewkami firmy IMPLANTCAST. Powłoka węglowa została uformowana na powierzchni panewki w pracowni dra B. Rajchela w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

Powłoki węglowe formowano dwuwiąz-kową metodą IBAD na powierzchni panewek stawu biodrowego wykonanych z UHMWPE. W celu uzyskania strumienia energetycznych atomów oraz jonów węgla rozpylano wiązką jonów Ar+ o energii 15 keV płaską płytkę gra-fitu. Wybite w ten sposób z powierzchni grafitu

Mainly used [1] polyethylene cups has disad-vantage of polyethylene low wear resistance. In hip endoprostheses using metal-on-poly-ethylene articulation the main reason of endo-prostheses failure is wear of polyethylene acetabular cup [2]. Arising wear particles with diameter from

φ

φ

φ

2. MATERIALS AND METHOD

In present work there are results of UHMWPE acetabular cup and UHMWPE acetabular cup coated by carbon coating presented. Both cups were commercial acetabular cups produced by IMPLANTCAST. Carbon coating on cup surface was formed in B. Rajchel laboratory in the Institute of Nu-clear Physics Polish Academy of Science in Cracow.

Carbon coatings on UHMWPE acatabular cups were formed by two-beam IBAD method. Due to obtain energetic atoms and carbon ions stream there was Ar+ ions beam with 15 keV sprayed on flat graphite plate. Such knocked-out of graphite surface atoms and carbon ions

atomy i jony węgla osadzano na powierzchni panewki. Dodatkowo powierzchnię panewki z osadzaną dynamicznie powłoką węglową bombardowano wiązką jonów węgla równieŜ o energii 15 keV. W celu uzyskania jednorod-nej powłoki, w trakcie procesu depozycji, pa-newkę wielokrotnie przesuwano w poprzek bombardującej wiązki jonów węgla, jak rów-nieŜ obracano wokół kierunku zdefiniowanego przez tą wiązkę. Obraz panewki stawu biodro-wego przed pokryciem powłoką węglową przedstawiono na rysunku 1.

W badaniach, głowy metalowe o średnicy φ 28 mm stanowiły przeciwpróbki. Testy tar-ciowo-zuŜyciowe przeprowadzono na prototy-powym symulatorze tarciowo-zuŜyciowym (rys. 2) endoprotez stawu biodrowego (SBT-01).

was settled on cup surface. Additionally cup surface with dynamic settled carbon coating was bombarded by carbon ions stream with the same energy 15 keV. Due to obtain ho-mogenous coating cup was multiply moved across bombarding stream and also rotated around direction defined by this stream during deposition process. Acetabular cup image be-fore carbon coating deposition id shown on fig. 1.

Partner samples was femoral heads with

φ

Rys. 1. Panewka stawu biodrowego przed pokryciem powłoką węglową Fig. 1. Acetabular cup before carbon coating deposition

Rys. 2. Symulator do badań endoprotez stawu biodrowego Fig. 2. Simulator for hip endoprostheses investigations

Badania tarciowo-zuŜyciowe endoprotez prowadzone na symulatorze pozwoliły na wy-znaczenie wartości momentu tarcia oraz siły tarcia. Współczynnik tarcia wyznaczono, jako iloraz siły tarcia (stosunek momentu tarcia do promienia głowy endoprotezy) i siły docisku.

W celu porównywania zmian geometrii głów i panewek mierzono ich promienie we-wnętrzne przed badaniem tarciowo-zuŜycio-wym (rys. 3) oraz po przeprowadzonym teście, w tych samych płaszczyznach. Pomiary zmian geometrii elementów trących wykonano na Politechnice Poznańskiej w Instytucie Techno-logii Mechanicznej w Zakładzie MetroTechno-logii i Systemów Pomiarowych. Analizę przeprowa-dzono za pomocą aparatu Hommel-Etamic V 8.20 niemieckiej firmy Jenoptik.

Na badanych elementach przeprowadzono takŜe pomiary chropowatości powierzchni współpracujących głów i panewek endoprotez stawu biodrowego. Badania chropowatości powierzchni przeprowadzono za pomocą profi-lometru Hommelwerke T8000. Wykonano po-miary chropowatości powierzchni trących głów i panewek w stanie wyjściowym oraz po prze-prowadzonym teście tarciowo-zuŜyciowym na symulatorze SBT-01. Badania wykonano w obszarach zatarcia i poza nimi. Ponadto reje-strowano zmiany temperatury w węźle tarcia pary trącej głowa metalowa-panewka poliety-lenowa.

Friction-wear tests performed using simu-lator allowed to determine values of friction moment and friction force. Friction coefficient was determined as a quotient of friction force (friction moment and hip endoprosthesis ra-dius) and normal load.

Due to comparison of femoral heads and acetabular cups there were their radiuses measured (fig. 3). before and after the tests on the same planes. Geometry changes mea-surements was performed at Poznan University of Technology in the Institute of Mechanical Technology in Metrology and Measuring Sys-tems Department. Analysis was made using Hommel-Etamic V8.20 Jenoptik aparatus.

There was working surfaces of invested elements: cooperating heads and cups, rough-ness measurement performed. Roughrough-ness analysis was done using Hommelwerke T8000 profilometer. There was heads and cups sur-face roughness measured in initial state and after friction-wear tests on SBT-01 simulator. There were investigated areas of seizure and outside them. Morover friction joint: metal head–polyethylene cup temperature changes has been recorded.

głowa panewka

Rys. 3. Schemat pomiarowy: a) głowy, b) panewki Fig. 3. Measurement scheme of: a) head, b) cup

3. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA

Wyniki badań tribologicznych panewek z UHMWPE bez powłoki i implantowanej jo-nami C-C o średnicy φ 28 mm przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Rysunek 4 ilustruje zmiany siły docisku w funkcji kąta obrotu panewki (-20o; +20o) zarejestrowanego dla pojedyncze-go cyklu przy 1 mln cykli pracy. Rysunek 5 przedstawia przebieg momentu tarcia w funkcji kąta ustawienia panewki pojedynczego cyklu badawczego.

W tablicy 1 zestawiono maksymalne war-tości siły docisku oraz momentu tarcia uzyska-ne po 1 milionie cykli pracy.

3. RESULTS AND DISCUSSION

Tribological tests results of UHMWPE cups with

φ

In table 1 there were compared maximal values of normal load and friction moment ob-tained at 1000000 working cycles.

UMWPE bez powłoki / UHMWPE without coating UHMWPE z powłoką C-C / UHMWPE with C-C coating

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Kąt obrotu [deg] S ił a d o c is k u [ k N ] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 kąt obrotu [deg] s ił a d o c is k u [ k N ]

Rys. 4. Siła docisku w funkcji kąta obrotu panewki zarejestrowana przy 1 000 000 cykli Fig. 4. Normal load versus cup rotation angle at 1 000 000 cycles

UMWPE bez powłoki/ UHMWPE without coating UHMWPE z powłoką C-C/ UHMWPE with C-C coating

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Kąt obrotu [deg] M o m e n t ta rc ia [ N m ] -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Kąt obrotu [deg] M o m e n t ta rci a [ N m ]

Rys. 5. Moment tarcia w funkcji kąta obrotu panewki zarejestrowany przy 1 000 000 cykli Fig. 5. Friction moment versus cup rotation angle recorded at 1 000 000 cycle

Tablica 1. Maksymalne wartości siły docisku oraz momentu tarcia po 1 mln cykli Table 1. Maximal values of normal load and friction moment at 1000000 cycles

Zmiany współczynnika tarcia w czasie trwania testu tribologicznego przedstawiono na rysunku 6. W początkowej fazie testu wartość współczynnika tarcia panewki z powłoką wę-glową C-C jest niŜsza niŜ odpowiednika bez powłoki. Świadczyć to moŜe o tym, Ŝe powło-ka spełnia swoje zadanie. W trakcie trwania badania wartość współczynnika tarcia panewki z powłoką C-C wzrasta i zrównuje się z odpo-wiednią wartością panewki UHMWPE. Praw-dopodobnie jest to spowodowane wycieraniem się warstwy węglowej i odkryciem polietyle-nowego podłoŜa. W końcowej fazie testu war-tość współczynnika tarcia panewki z powłoką węglową jest wyŜsza niŜ odpowiednika bez powłoki. Na tym etapie testu, oprócz degrada-cji powłoki, na wartość współczynnika tarcia oddziaływać zaczynają produkty zuŜycia war-stwy węglowej obecne w węźle tarcia.

Pomiary chropowatości powierzchni trą-cych głów i panewek wykonano przed i po zakończonym teście tarciowo-zuŜyciowym na symulatorze SBT-01. Otrzymane wyniki badań chropowatości zestawiono w tablicy 2.

Friction coefficient changes during tri-bological test are show on fig. 6. In first stage of test friction coefficient value for C-C coating is lower than equivalent cup without coating. This may testify to the fact that coating fulfills its requirements. During tests friction coeffi-cient value for cup with C-C coating grows and it is equalizing with adequate value for UHMWPE cup. Probably this is due to wear of carbon layer and uncovering of polyethylene substrate. In the final stage of the test friction coefficient value for cup with carbon coating is higher than for equivalent cup without coa-ting. At this test stage outside of coating de-gradation, appearing in friction joint wear debris influences on friction coefficient value.

Surface roughness measurement of coope-rating heads and cups was performed before and after friction-wear test. Obtained mea-surements results was summarized in table 2. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0 1000 00 2000 00 3000 00 4000 00 5000 00 6000 00 7000 00 8000 00 9000 00 1000 000 Liczba cykli W s p ó łc z y n n ik t a rc ia

UHMWPE bez powłoki UHMWPE z powłoką z C-C

Rys. 6. Przebieg zmian współczynnika tarcia w czasie trwania testu Fig. 6. Friction coefficient changes during test

Wartość mierzona

Measured value

UHMWPE bez powłoki

UHMWPE without coating

UHMWPE powłoką C-C

UHMWPE with C-C coating

Siła docisku [kN]

Normal load [kN] 1,53 1,37

Moment tarcia [Nm]

Tablica 2. Chropowatość elementów trących przed i po teście Table 2. Roughness of friction elements before and after the test

Chropowatość Ra [µm]

Roughness Ra [µm]

UHMWPE bez powłoki

UHMWPE without coating

UHMWPE z powłoką C-C

UHMWPE with C-C coating

przed testem before test po teście after test przed testem before test po teście after test Głowa Head 0,072 0,646 0,127 0,798 Panewka Cup 1,429 1,761 1,575 1,901

Jak wynika z danych przedstawionych w tablicy 2, po teście tarciowo-zuŜyciowym następuje wyraźny wzrost chropowatości za-równo panewki, jak i głowy. W przypadku głów wzrost ten jest wielokrotnie większy niŜ w przypadku panewek.

Na rysunku 7 przedstawiono powierzchnię panewki UHMWPE z powłoką C-C po 1 mi-lionie cykli wykonanych w symulatorze SBT-01, przy zakresie kąta obrotu (-20o; +20o). Jasne obszary świadczą o destrukcji powłoki węglowej; widoczne jest podłoŜe z UHMWPE. Podczas prowadzenia badań zauwaŜono znisz-czenie powłoki po 100 tysiącach cykli.

As it results from data presented in table 2, friction-wear test is followed by increase of surface roughness for both head and cup. In case of heads that increase is several times higher than in case of cups.

On figure 7 there is surface of UHMWPE cup with C-C coating after 1 million cycles on SBT-01 simulator at rotation angle range (-20o; +20o) shown. Bright areas shows fields of carbon coating destruction: visible UHMWPE substrate. During investigations destruction of carbon coating was seen after 100 thousands cycles.

Rys. 7. Powierzchnia robocza panewki UHMWPE z powłoką C-C po teście tarciowo-zuŜyciowym na symulatorze SBT-01

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 84,0 83,5 83,0 82,5 82,0 81,5 81,0 80,5 80,0 79,5 79,0 78,5 78,0 77,5 77,0 76,5 76,0 75,5 75,0 74,5 Nr punktu pomiarowego Z m ia n a p ro m ie n ia [ µµµµ m ] 0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030 62,7 0 63,7 0 64,7 0 65,7 0 66,7 0 67,7 0 68,7 0 69,7 0 70,7 0 71,7 0 72,7 0 73,7 0 74,7 0 75,7 0 76,7 0 77,7 0 78,7 0 79,7 0 80,7 0 Nr punktu pomiarowego Z m ia n a p ro m ie n ia [ µ m ]

Rys. 8. Zmiana geometrii panewki dla układu pary trącej CoCrMo – UHMWPE bez powłoki (φ 28)

Fig. 8. Cup geometry changes for cup working in configuration

CoCrMo – UHMWPE without coating (φ 28)

Rys. 9. Zmiana geometrii głowy dla układu pary trącej CoCrMo – UHMWPE bez powłoki (φ 28)

Fig. 9. Cup geometry changes for head working in

configura-tion CoCrMo – UHMWPE without coating (φ 28)

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 84 83,5 83 82,5 82 81,5 81 80,5 80 79,5 79 78,5 78 77,5 77 76,5 76 75,5 75 74,5 Nr punktu pomiarowego Z m ia n a p ro m ie n ia [µµµµ m ] 0,00000 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030 6 3 ,6 0 6 4 ,6 0 6 5 ,6 0 6 6 ,6 0 6 7 ,6 0 6 8 ,6 0 6 9 ,6 0 7 0 ,6 0 7 1 ,6 0 7 2 ,6 0 7 3 ,6 0 7 4 ,6 0 7 5 ,6 0 7 6 ,6 0 7 7 ,6 0 7 8 ,6 0 7 9 ,6 0 8 0 ,6 0 8 1 ,6 0 8 2 ,6 0 8 3 ,6 0 8 4 ,6 0 Nr punktu pomiarowego Z m ia n a p ro m ie n ia [ µµµµ m ]

Rys. 10. Zmiana geometrii panewki dla układu pary trącej CoCrMo – UHMWPE z powłoką C-C (φ 28)

Fig. 10. Cup geometry changes for cup working in

configura-tion CoCrMo – UHMWPE with C-C coating (φ 28)

Rys. 11. Zmiana geometrii głowy dla układu pary trącej CoCrMo – UHMWPE z powłoką C-C (φ 28)

Fig. 11. Cup geometry changes for head working in

configu-ration CoCrMo – UHMWPE with C-C coating (φ 28)

Na rysunkach 8 i 9 przedstawiono odpo-wiednio zmiany geometrii panewki UHMWPE bez powłoki i głowy metalowej o średnicy φ 28 mm, pracującej przy zakresie kąta obrotu (-20o; +20o). Największe zuŜycie zaobserwo-wano w okolicach dna panewki. Główny ob-szar zuŜycia głowy przypada na odległości 7 mm od jej bieguna.

Rysunki 10 i 11 ilustrują zmianę geometrii panewki UHMWPE z powłoką C-C i głowy metalowej. Na rysunku 10 widoczne są dwa główne obszary zuŜycia: w odległości odpo-wiednio 1 mm i 9 mm od dna panewki. Obszar zuŜycia głowy, podobnie jak w przypadku dla pary z panewką bez powłoki, jest w odległości równej 7 mm od jej bieguna.

Figures 8 and 9 shows cup radius changes for UHMWPE cup without coating and metal head with 28 mm diameter working in rotation angle range (-20o; +20o). Biggest wear was observed next to bottom of the cup. Main area of head wear is placed 7 mm from heads pole.

Figures 10 and 11 illustrates UHMWPE cup with C-C coating and cooperating metal head radius changes. Figure 10 shows two main areas of wear: respectively 1 mm and 9 mm from bottom of the cup. Area of head wear similar to the cup without coating is placed 7 mm from the pole of the cup.

a) b)

Rys. 12. Produkty zuŜycia pary trącej CoCrMo – UHMWPE bez powłoki po 1 mln cykli, przy powiększeniu: a) 46x, b) 1000x

Fig. 12. Wear debris from friction coupe CoCrMo – UHMWPE without coating after 1 million with: a) magnification 46x, b) magnification 1000x

a) b)

Rys. 13. Produkty zuŜycia pary trącej CoCrMo – UHMWPE z powłoką C-C po 1 mln cykli, przy powiększeniu: a) 2000x, b) 3000x

Fig. 13. Wear debris from friction coupe CoCrMo – UHMWPE with C-C coating after 1 million cycles with: a) magnification, 2000x, b) magnification 3000x

Na rysunkach 12 oraz 13 przedstawiono zdjęcia SEM z morfologią produktów zuŜycia, powstałych w trakcie trwania testów tribolo-gicznych pary trącej metal – UHMWPE bez powłoki oraz pary metal – UHMWPE z po-włoką C-C. Z pomiarów i obserwacji średnich rozmiarów cząstek wynika, Ŝe ich wielkość mieści się odpowiednio w przedziale 10÷250 oraz 10÷350 µm. Zarówno dla pierwszego, jak i drugiego przypadku, powstające produkty zuŜycia mają tendencję do „zlepiania się” w większe konglomeraty. Skład chemiczny produktów zuŜycia wyznaczono za pomocą metody EDS. Udział poszczególnych pier-wiastków w produktach zuŜycia przedstawiono w tablicach 3 oraz 4, odpowiednio dla pary trącej z panewką bez powłoki i panewką z uformowaną powłoką węglową.

Figures 12 and 13 shows SEM images with wear products morphology, appeared during tribological tests of friction couple metal UHMWPE without coating and metal -UHMWPE with C-C coating. Measurements of wear particles shows that their size is in range 10÷250 and 10÷350 µm. For both casus appearing wear debris Has tendency to “glue” to each other into bigger conglomerates. Chemical composition of wear particles was obtained using EDS method. Participation of each element in wear debris is shown in ta-ble 3 and 4, respectively of friction couple with cup without coating and with cup with carbon coating formed.

Tablica 3. Skład chemiczny produktów zuŜycia pary trącej CoCrMo –UHMWPE bez powłoki, wyznaczony metodą bezwzorcową EPS z korekcją ZAF

Table 3.Chemical composition of wear debris for friction couple CoCrMo –UHMWPE without coating, obtained by EPS patternless method with ZAF correction

Element Wt% At% CK 20,99 31,03 OK 47,48 52,69 NaK 00,69 00,53 MgK AlK SK 01,30 00,34 14,43 00,95 00,23 07,99 ClK 01,43 00,65 KK CaK 00,43 12,91 00,22 05,72

Tablica 4. Skład chemiczny produktów zuŜycia pary trącej CoCrMo –UHMWPE z powłoką C-C, wyznaczony metodą bezwzorcową EPS z korekcją ZAF

Table 4. Chemical composition of wear debris for friction couple CoCrMo –UHMWPE with C-C coating, obtained by EPS patternless method with ZAF correction

Element Wt% At% CK 50,68 67,60 OK 24,28 24,31 NaK 00,39 00,27 MgK AlK SiK 00,15 00,24 00,73 00,10 00,14 00,42 SK 00,83 00,42 ClK KK 00,37 00,18 00,16 00,07 CaK 01,14 00,45 CrK 04,74 01,46 MnK FeK 00,28 11,86 00,08 03,40 CoK 01,88 00,51 NiK 01,32 00,36 CuK ZnK 00,53 00,41 00,13 00,10

W przypadku pary trącej typu „metal-polietylen (bez powłoki)” dominującym pier-wiastkiem, występującym w produktach zuŜy-cia, jest węgiel w ilości średnio C = 20% wag. Wysoka zawartość atomów tlenu świadczy o tym, iŜ w procesie tarcia produkty zuŜycia ulegają utlenianiu.

W parze trącej typu „metal-polietylen (z powłoką C-C)” dominującym pierwiastkiem jest węgiel, który pochodzi z powłoki oraz sta-nowi główny pierwiastek polietylenu. Jego średnia zawartość wynosi około C = 50% wag.

In case of friction coupe „metal-polyethylene”(without coating) dominating element existing in wear debris is carbon occurring in amount of 20% weight. High amount of oxygen atoms testifies to the oxida-tion of wear debris.

In wear debris of „metal-polyethylene” with C-C coating dominating element is carbon which comes from the coating and constitutes main element of polyethylene. Its average amount is about 50% weight.

4. PODSUMOWANIE

Celem badań była poprawa własności śliz-gowych polietylenu przez modyfikację war-stwy wierzchniej. NaleŜy sądzić, Ŝe materiał ten, jeszcze przez wiele lat, będzie stosowany w ortopedii. Wcześniejsze badania na testerze T-05 wykazały obniŜenie współczynnika tarcia poprzez zastosowanie implantacji jonami wę-gla [3]. Badania na symulatorze SBT-01 po-twierdziły polepszenie właściwości ślizgowych warstwy. Występujące w badaniu cykliczne obciąŜenie oraz tarcie spowodowały zuŜycie powłoki węglowej, zauwaŜalne po przepraco-waniu 100 tysięcy cykli. Z badań wynika, Ŝe istnieje moŜliwość poprawienia trwałości (od-porności na zuŜycie) powłoki ochronnej poli-etylenowej panewki.

4. CONCLUSION

The goal of investigation was improvement of sliding properties of polyethylene by surface layer modification. It have to be assumed that this material will be applied in orthopedics for many years. Recent investigations using T-05 tester showed reduction of friction coefficient value due to application of carbon ion implan-tation [3]. Investigations with use of SBT-01 simulator confirmed improvement of sliding properties of surface. Occuring in investiga-tions cyclic load and friction caused wear of carbon coating, observable after 100 thou-sands of working cycles. Performed investiga-tions results in possibility of durability (wear resistance) of protective coating for polyethyl-ene cup.

LITERATURA / REFERENCES

[1] Będziński R.: Biomechanika inŜynierska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997 r. [2] Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia. Wyd. P. Częstochowskiej, Częstochowa 2002 r.

[3] Wendland J., Gierzyńska-Dolna M., Rybak T., Wiśniewski T., Rajchel B.: Badania nad opracowaniem nowego biomateriału przeznaczonego na elementy endoprotez stawu biodrowego. Obróbka Plastyczna Metali 2009 t. 20 nr 2 s. 3-19.

[4] Sulej-Chojnacka J., Rybak T., Markuszewski J., Woźniak W.: Badanie wpływu wzajemnego ustawienia elemen-tów endoprotez stawu biodrowego na wybrane parametry procesu tarcia. Obróbka Plastyczna Metali 2010 t. 21 nr 2 s. 129-141.

[5] Mróz A., Janczak M., Sulej-Chojnacka J., Rybak T., Gierzyńska-Dolna M.: Wpływ kąta ustawienia panewki en-doprotezy stawu biodrowego na obciąŜenie tribologiczne pary trącej „głowa-panewka”. Obróbka Plastyczna Meta-li 2011 t. 22 nr 2 s. 141-152.

[6] Gierzyńska-Dolna M., Rybak T., Wendland J., Wiśniewska-Weinert H.: Metodyka badań materiałów i elementów endoprotez stawu biodrowego w Instytucie Obróbki Plastycznej. Tribologia 2010 nr 4 s. 107-116.