Тема 8:«Основы материаловедения. Металлы и сплавы»

Сплавы, применяемые в ортопедической стоматологии, принято делить на две большие группы. К первой группе (конструкционные) относятся следующие: сплавы на основе золота (900-й, 750-й пробы), сплавы на основе серебра и палладия («ПД-250», «ПД-190»), сплавы нержавеющей стали («ЭИ – 95») и хромокобальтовые стали («Виталлиум», «Вирон», «Вирон – 5», «Ультратек», «Микро-бонд», «Хромикс»).

Ко второй группе (вспомогательных) относят металлы и сплавы для штампов, моделей, форм, проволоки, припои (в их состав входят: медь, алюминий, кадмий, цинк, висмут, сурьма, свинец, кадмий, цинк, магний).

Сплавы на основе золота.

Сплав золота 900-й пробы. Состав: Au - 90%, Aq - 4%, Cu -6%. Температура плавления - 1064⁰С. Хорошо поддается штамповке, невысокая твердость, легко подвергается стиранию. Используется для коронок и для промежуточной части мостовидного протеза.

Сплав золота 750-й пробы. Состав: Au - 75%, Aq - 8%, Cu - 7,8%, Pt - 9%. Наличие платины и меди делают сплав более твердым, упругим. Небольшую усадку при литье. Сплав не подлежит обработке давлением, используется для изготовления каркасов дуговых и шинирующих протезов, кламмеров, штифтов, вкладок, крампонов и проволоки.

Припой 75О-й. Состав: Au - 75%, Aq - 3%, Cd – 8 - 10%, Cu – остальное. Кадмий снижает температуру плавления. Температура плавления припоя составляет 8000с. Используется в качестве припоя для золотых сплавов высоких проб.

Платuна в природе встречается в виде самородков или в виде руд вместе с другими металлами. Обладает высокой плас­тичностью и вязкостью, химически стойкая, хорошо обрабатывается давлением, в расплавленном виде обладает хорошей текучестью. Входит в ряд сплавов, повышая их механические свойства. Платиновая фольга используется при изготовлении фарфоровых коронок, крампонов фарфоровых зубов. Припоем для платины служит сплав из 3 частей золота и 1 части платины или чистое золото.

Сплавы на основе серебра и палладия. Сплавы обладают высокими антикоррозийными свойствами, механической прочностью и хорошими технологическими качествами. Серебро является основой сплавов, палладий придает им коррозионную стойкость.

При повышении содержания в сплаве палладия повышаются точка его плавления, твердость и сопротивление на разрыв. Температура плавления 1100 - 1200° С. Для улучшения литейных качеств и уменьшения нежелательных свойств серебра в сплав добавляют золото, получая следующий состав: серебро 55 - 60% , палладий – 27 - 30% , золото – 6 - 8% , медь - 3%, цинк - 0,5%.

Применяют сплавы: ПД-250 (палладий - 24,5%, серебро - 72,1%), ПД-190 (палладий - 18,5%, серебро - 76,0%), ПД-150 (палладий - 14,5% , серебро - 84,1%), ПД-140 (палладий - 13,5%, серебро - 53,9%). Также сплавы содержат небольшое количество лигирующих элементов (цинк, кадмий).

Сплав серебряно-палладиевый - разработал в 1930 г. М. С. Липец, в 1960 г. - В.Ю. Курляндский.

Эти сплавы имеют белый цвет. Сплав А мягче сплава Б, сплав Б обладает большей упругостью. Температура плавления 1100 - 1200⁰С. Усадка - 4,4%. Твердость по Бринеллю - 60-65 кг/мм². Отбеливатель - 10 - 15% раствор соляной кислоты. Паяют золотым припоем. Недостатки: подвергаются коррозии в полости рта, изменяют свой цвет, нежелательно применять с какими-либо другими сплавами одному пациенту.

Д.Н. Цитрин предложил сплав с содержанием серебра 75%, палладия - 10%, золота - 15%. Цвет сплава желтовато-золотистый, точка плавления 1105°С, твердость по Бринеллю - 30.

Сплавы легкоплавких меmaллoв. Применяются для изготовления штампов, используемых при получении коронок, кaпп, базисов протезов методом штамповки. Сплавы должны обладать рядом свойств: легкоплавкость, облегчающая отливку индивидуальных моделей и штампов, отделение штампов от изделий; относительная твердость, обеспечивающая устойчивость штампа в процессе штамповки; минимальная усадка при охлаждении, гарантирующая точность штампованных изделий. В их состав входят олово, свинец, висмут, кадмий. Температура плавления таких сплавов намного ниже температуры плавления каждого из компонентов (в пределах 63 - 115°С) во всех сплавах содержится 40 - 50% висмута, что обеспечивает им хорошую коррозийную устойчивость и твердость. Все эти сплавы имеют серый цвет, представляют собой механические смеси и выпускаются в виде блоков.

Сплав № 2 известен под названием сплава Розе, сплав № 5 называется сплавом Меллота.

Проволока из нержавеющей стали используется для изготовления кламмеров, ортодонтических аппаратов. Выпускается диаметром 0,6 - 1,5 мм. Размягчается при температуре 700⁰С, паяние ее при такой температуре приводит к потере упругости и часто сопровождается выпадением карбидов хрома. Продолжительное паяние ухудшает свойства проволоки. Наилучшие показатели имеет поволока из нихрома (сплав - 80% хрома и 20% никеля).

Проволока из золотых сплавов. Содержит 28% золота, 45% платины, 27% палладия, не изменяет своих свойств при нагреве и охлаждении. Температура плавления ее несколько выше, чем у большинства золотых литьевых сплавов.

Оловянистые сплавы. Применяются при изготовлении различных конструкций зубных протезов, требующих применение металлических форм, штампов и контрштампов. Изготавливаются эти сплавы на основе олова и свинца. Обладают низкой температурой плавления, достаточной вязкостью, довольно тверды, что обеспечивает их устойчивость в процессе работы.

Припой— металл или сплав, заполняющий зазор между соединяемыми деталями при паянии.

Припои. Делятся на мягкие и твердые. Мягкие - сплавы олова и свинца с температурой плавления 180 - 230°С - применяются для паяния латуни и меди. Дают соединения с небольшой прочностью - до 7 кг/мм².

Твердые припои имеют температуру плавления от 500 до 1100°C. Твердые припои дают прочные соединения (предел прочности 45 кг/мм²). Припои для золотых сплавов содержат золото, серебро, медь, кадмий, с небольшими добавками цинка и олова (2 - 4%). Количество золота должно быть достаточным для обеспечения необходимой коррозионной устойчивости в полости рта (не менее 60%). Припои, содержащие больше серебра, чем меди, лучше смачивают поверхность спаиваемых деталей. При большом содержании меди получаются липкие припои (плавятся, но не текут).

К припою предъявляют определенные медико-технические требования.

Он должен:

- иметь температуру плавления ниже температуры плавления спаиваемых материалов,

- обладать свойствами диффузии,

- быть достаточно текучим в расплавленном состоянии, - не подвергаться процессам окисления и коррозии в полости рта,

- не отличаться по цвету и прочности от основного металла.

Серебряный припой используется для соединения деталей из нержавеющей стали и содержит серебро (10 - 18%), медь (15 - 50%), цинк (4 - 35%), кадмий, фосфор и др. металлы. Припой имеет температуру плавления не выше 700°С.

Детали из кобальтохромового сплава хорошо паяются золотым припоем 750-й пробы.

Припои для нержавеющей стали разработаны Д.Н. Цитриным и называются серебряно-кадмиевыми.

Так как паяние происходит при нагревании открытым пламенем, то на поверхности спаиваемых металлов может образоваться пленка окислов, которая мешает диффузии припоя. Для предотвращения ее появления используются различные паяльные вещества или флюсы. К ним предъявляются следующие требования:

- температура их плавления должна быть ниже, чем у припоя;

- должны растворять окисную пленку и препятствовать ее образованию;

- должны хорошо растекаться;

- должны легко сниматься после паяния.

Для соединения элементов протезов в единую конструкцию используется, в частности, паяние.

• Паяние — процесс получения неразъемного соединения путем нагрева места паяния и заполнения зазора между соединяемыми деталями расплавленным припоем с его последующей кристаллизацией.

Существует различная техника паяния: в пламени, печи. При работе с каркасами до нанесения и обжига керамической массы предпочтительнее использовать паяние в пламени. Паяние в печи применяется на объектах, уже облицованных керамикой. Прочность пайки можно проверить различными методами с помощью растяжения и изгиба.

Физико-механические свойства припоя (цвет, узкий температурный интервал плавления, стойкость против коррозии) должны максимально соответствовать таковым у сплава, из которого изготовлены требующие соединения элементы каркаса протеза.

Во время паяния соединяемые места принимают температуру расплав-ленного припоя. Поэтому температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления спаиваемых частей на 50—100° С, т. к. в противном случае паяние привело бы к частичному расплавлению спаиваемых деталей протеза.

Расплавленный припой обладает текучестью, которая увеличивается с повышением температуры, т. е. припой течет в направлении от холодных частей к горячим. Фактически на этом свойстве и основано использование пламени горелки в процессе паяния. В месте соприкосновения деталей и припоя происходит диффузия одного металла в другой. Скорость диффузии зависит, главным образом, от материала протеза и припоя, а также от температуры. Все это вместе взятое и определяет структуру полученного шва, которая может быть в виде твердого раствора, химического соединения или механической смеси.

Твердый раствор является наиболее благоприятной структурой и считается лучшим видом паяния. Шов хорошо противостоит коррозии и получается прочным. При этом максимальная прочность шва будет при использовании минимального количества припоя. Следует помнить, что прочность большинства припоев ниже прочности соединяемых металлов, хотя прочность шва за счет диффузии выше.

Расплавлять припой в процессе паяния необходимо как можно быстрее, а после получения шва источник нагрева (горелку) необходимо немедленно удалить.

Так как паяние чаще происходит при нагревании открытым пламенем, то на поверхности спаиваемых металлов может образоваться пленка окислов, которая препятствует диффузии припоя. Особенно усиленно образуется эта пленка у сплавов, содержащих хром, отличающихся высокой способностью пассивироваться, т.е. покрываться окисной пленкой. Поэтому в процессе паяния необходимо не только расплавить припой и заставить его разлиться по спаиваемым поверхностям, но и не допустить образования окисной пленки к моменту достижения рабочей температуры в спаиваемых деталях. Это достигается применением различных паяльных веществ или флюсов.

Флюс — химическое вещество (бура, борная кислота, хлористые и фто-ристые соли), служащее для растворения окислов, образующихся на спаиваемых поверхностях металлов при паянии.

К наиболее часто применяемым в зубопротезной технике флюсам относятся: канифоль, тетраборат натрия (бура), борная кислота. Эти вещества в расплавленном состоянии способны легко растекаться по поверхности металлов, растворять окисную пленку и препятствовать ее образованию. Канифоль представляет собой смесь смоляных кислот, образующихся при получении скипидара из древесины хвойных пород. Это твердое и хрупкое вещество, темно- или светло-коричневого цвета. Размягчается при температуре 60°С, плавится при температуре120°С. В расплавленном состоянии обладает хорошей смачивающей способностью для металлов, защищает поверхности от коррозии, применяется при паянии оловом и лужении. Тетраборат натрия применяется при твердой пайке. Представляет собой кристаллический порошок белого цвета. Температура плавления около 741°С. В расплавленном состоянии имеет вид стекла, прозрачен. При нагревании до 400°С происходит дегидратация тетрабората натрия. Если быстро нагревать, то произойдет вспучивание массы, поэтому нагрев тетрабората натрия производят медленно. Борная кислота - белый порошок, состоящий из кристаллов чешуйчатой формы. Как флюс может применяться самостоятельно или как компонент смеси. Например, смесь буры (55%), борной кислоты (35%) и окиси кремния (10%) применяется в качестве флюса при паянии драгоценных металлов, а также меди и латуни серебряными и золотыми припоями.

Термической обработке, которая неизбежна при использовании различных металлов и сплавов, сопутствует образование под воздействием кислорода воздуха окалины (окисной пленки) на поверхности металла. Удаление окалины с поверхности металла производят химическим путем. Для этого применяют растворы минеральных кислот (соляной, азотной, серной) различной концентрации или их смеси. Вещества, служащие для растворения окалины, называют отбелами, а сам процесс удаления окалины — отбеливанием. Отбелы подбирают с таким расчетом, чтобы они, растворяя окалину, как можно меньше действовали на металл.

В технологии отбеливания используются два варианта:

1) ручное (с помощью инструментов) погружение отбеливаемого металла в емкость с отбелом;

2) электролитическое отбеливание.

Растворы, применяемые для снятия окалины, имеют различный состав.

Отбел оказывает химическое воздействие не только на слой окалины, растворяя его, но и на металл. Поэтому процедура снятия окалины предполагает следующее: в подогретый до кипения отбел зубной техник помещает на 0,5—1 мин. протез и сразу же промывает его водой для удаления остатков отбела. Следует помнить, что при приготовлении раствора отбела в воду наливают кислоту, а не наоборот.

Электроотбеливание предполагает очистку поверхности металлического каркаса от окалины и остатков огнеупорной массы электролитическим способом. Этому процессу предшествует грубая механическая и химическая очистка каркаса протеза с помощью вращающейся металлической щетки или в пескоструйном аппарате.

Хромокобальтовые сплавы относятся к высоколегированным сталям, были внедрены в стоматологическую практику в 1933 г. под названием «Виталлиум». Широкое применение сплавов обусловлено низкой плотностью, высоким модулем упругости и прочности, хорошей текучестью в жидком состоянии, высокой стойкостью к окислению и коррозии. Тем не менее отдельные компоненты сплава могут вызвать аллергические реакции. Сплав должен содержать не менее 85 % по массе хрома, кобальта и никеля. Механическая вязкость КХС примерно в два раза ыше, чем вязкость сплавов золота. Это значит, что кламмер из этого сплава будет прогибаться только на половину в тех случаях, в которых при той же нагрузке в пределах упругих деформаций будет прогибаться такой же кламмер из сплава золота. Минимальная величина предела прочности при растяжении составляет 61.7 кН/см2 (6300 кгс/см2). Это значит, что протез, изготовленный из литейного сплава хрома и кобальта, сможет выдержать значительное напряжение, не разрушаясь.

Состав хромокобальтового сплава:

Кобальт (67,0 %), марганец (0,5 - 0,7 %), хром (26,0 %), кремний (0,3 - 0,5 %), никель (64%), серебро (0,5 %), железо (2,7 - 3,5 %), прочие (3,1 - 9,7 %). Хром вводится для придания твердости и антикоррозийных свойств, никель придает вязкость и пластичность, марганец улучшает жидкотекучесть, кобальт имеет высокие механические свойства, молибден усиливает прочностные свойства, понижает температуру плавления, Ag - повышает качество литья, понижает температуру плавления.

Сплав КХС применяют для изготовления только литых протезов (литые коронки, цельнолитые мостовидные протезы, бюгельные протезы). Штамповке он не поддается, так как обладает большой упругостью и твердостью.

Температура плавления - 1460°С, коэффициент относительного удлинения - 8%, коэффициент усадки - 1,8%.

Высокая температура плавления вызывает необходимость при отливках применять формы из огнеупорных формовочных материалов.

Из современных отечественных материалов широко используются кобальтохромомолибденовые сплавы: КХС-Е (Екатеринбург): Со-65, Сr-28, Мо-5; Mn, Ni, Si – остальное; «Целит-К» (Москва): Со-69, Cr-23, Mo-5; хромовоникелевые сплавы: «Целит-H»: Ni-62, Cr-24, Mo-10).

Из современных зарубежных материалов широко используются немецкие хромоникелевые сплавы «Вирон-77»,-88, -99 (Ni-70, Cr-20, Mo-6, Si, Ce, B, C-0,02), кобальтомолибденовые «Виробонд» (Сo-63, Cr-31, Mo-3; Mn, Si, C-0,07).

Состав «Виронуим» - особо твердый- 1-0 - 63 %, Мо - 5 Ч , Сг - 29 %, Мп, N, С - 0,25 %.

Твердость по Викерсу - 330 Н/мм2, предел прочности на ; азрыв - 940 Н/мм2, 0,2% проба на давление - 650 Н/мм2, тампература плавления - 1320 - 1340 °С, температура литья 1440°С, удельный вес - 8,4 г/см3, модуль Юнга - 210000 Н/ г. м2. Цвет серо-белый.