Стоматология Учебник Трезубова / Раздел 04 Стоматологическое материаловедение / 06 Технологические процессы работы со сплавами металлов

Технологические процессы работы со сплавами металлов.

Металлический каркас зубного протеза - это его основа, предназначенная для противостояния жевательным на­грузкам. Кроме того, он должен перераспределять и дозировать нагрузку, обладать определенными деформационными свойства­ми и не менять своих первоначальных свойств в течение дли­тельного времени функционирования зубного протеза. Из этого со всей очевидностью вытекает, что функциональные качества протеза, в определенном смысле, определяются совокупностью свойств, которыми обладают материалы (в данном случае - сплавы металлов) после различных технологических процессов.

Наиболее важными для сплавов металлов технологически­ми процессами являются:

литьё сплавов металлов;

обработка металлов давлением и резанием;

механическая, химическая и электрохимическая обработка;

термическая обработка сплавов металлов.

Литье сплавов металлов. Данный процесс широко приме­няется при протезировании несъемными (вкладка, полукорон­ка, коронка, мостовидный протез) и съемными (дуговой, с ме­таллическим базисом) протезами и шинами, ортодонтическими и челюстно-лицевыми протезами и аппаратами. Литьем называ­ется получение отливок нужных деталей протеза путем залив­ки расплавленного металла в литейную форму.

Для плавления сплавов металлов применяется разнообраз­ная аппаратура: ацетиленовые горелки, электродуговые уста­новки, печи сопротивления и автоматизированные высокочас­тотные печи, обеспечивающие более качественное литье.

Литьё легкоплавких сплавов (с точкой плавления до 300°С), предназначенных для создания металлических штампов, проводится с использованием гипсовой формы и расплавления металла в специальной металлической ложке над пламенем га­зовой или спиртовой горелки.

Литьё твёрдоплавких (среднеплавких) металлов (с точкой плавления свыше 1100 °С) проводят для получения каркаса зуб­ного, челюстного или лицевого протеза.

Для получения качественного литого каркаса протеза не­обходимо тщательно выполнить все этапы, связанные с подго­товкой литья, строго выдерживать режим самого процесса ли­тья и использовать для него только фабричные заготовки спла­вов металлов для протезов. Кроме того, для каждого сплава ме­таллов необходимо использовать свой керамический тигль, прочность и химическая стойкость которого позволяет исполь­зовать его, как правило, не более 6 раз.

Процесс литья каркаса протеза из сплавов металлов вклю­чает в себя ряд последовательных операций:

1) создание восковых репродукций (моделей) каркаса протеза;

2) установка литникобразующих штифтов и со­здание литниковой системы. При всех способах литья в литейной форме кроме формы металлического каркаса предус­матривается литниковая система, представляющая собой кана­лы, по которым жидкий металл подводится к отливке.

Литниковая система создается путем подвода к восковой репродукции (модели) каркаса протеза полимерных или воско­вых литникобразующих штифтов, которые после удаления вос­ка из опоки представляют собой литьевые каналы. Кроме того, литниковая система позволяет сместить образование пористой структуры в сторону от объектов литья. Опока - в литейном производстве — приспособление из чугуна, стали или алюми­ния для удержания формовочной массы при изготовлении ли­тейной формы и заливки её металлом.

Существуют определенные условия построения литнико­вой системы:

— при литье все участки каркаса протеза должны нахо­диться в равных условиях. Это реализуется тем, что для литни­ков используются готовые восковые стержни-профили (рис.3.22) и восковая проволока, диаметром 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 мм или они моделируются непосредственно в зуботехнической лаборатории. Причем для мелких деталей используется один литник диаметром 1,5-2,5мм, для крупных (толстых или протяженных) — 3-6 литников, диаметром от 2,5 до 4,5 мм. Бо­лее того, если в каркасе протеза несколько металлоемких уча­стков, связанных между собой посредством ажурных, то каж­дый такой участок должен иметь свои литники. Все литники объединяются общим коллектором большого диаметра, кото­рый заканчивается воронкообразным расширением;

— размеры литниковой системы должны обеспечивать процесс затвердевания сплава в литниках позже, чем в отлива­емом каркасе протеза. Длина литника должна быть таковой, чтобы наивысшая точка на восковой модели была на расстоя­нии 6 мм от края опочного кольца. Если восковая модель кар­каса протеза находится слишком близко к краю опочного кольца, расплавленный металл может пробить формовочную массу при литье, если она слишком далеко - газы не могут до­статочно быстро выйти, чтобы обеспечить четкое заполнение формы сплавом.

С другой стороны, слишком короткий литник вынуждает располагать восковой каркас протеза ближе к верхнему краю опоки, что приводит к преждевременному остыванию металла, приводящему к увеличению числа дефектов отливки;

— расплавленный металл должен течь от толстостенных участков к более тонким. Поэтому на литнике, вблизи массив­ных участков восковой репродукции (модели) каркаса протеза, создается утолщение (муфта) - дополнительное депо жидкого металла для устранения усадочной раковины, рыхлости и пори­стости в металле;

— следует учитывать не только количество, длину и диа­метр литников, но и их направление и расположение, так как они не должны резко менять направление тока металла, а цен­тробежная сила способствовала бы уплотнению металла;

3) выбор и подготовка огнеупорной формовоч­ной массы, представляющей собой огнеупорный мелкодис­персный порошок и связующие вещества. Напомним, что, в за­висимости от рецептуры, сплавы металлов на основе благород­ных и неблагородных металлов имеют не только разную темпе­ратуру плавления (сплавы золота - до 1100 °С; нержавеющая сталь - 1200-1600 °С; кобальтохромовые сплавы /КХС/— 1458 °С), но и разную величину усадки при переходе из жидкого со­стояния в твердое (для нержавеющей стали она составляет 1,1-1,25%, для золотосодержащих сплавов - 1,3% объема, для КХС - 0,3%). В современном литейном производстве используются различные формовочные материалы, компенсирующие эту усадку, чем и обусловлен выбор формовочной массы:

— гипсовой - для литья каркасов протезов из сплавов зо­лота;

— фосфатной - для литья каркасов протезов из всех ви­дов сплавов, в том числе и кобальтохромовых;

— силикатной - для литья каркасов из нержавеющей стали.

В процессе литья необходимо обеспечить удаление из ли­тейной формы воздуха, влаги и газа, выделяющегося из жидко­го сплава металлов. Для этого литейная форма должна быть газопроницаемой (недостаточное удаление газа приводит к обра­зованию в отливке газовых раковин). Кроме того, такая масса должна быть пластичной, прочной, огнеупорной, иметь коэф­фициент термического расширения (КТР) равный таковому у используемого сплава металлов.

В создании расширяющейся литейной формы играют роль 4 механизма:

расширение при твердении формовочной массы, которое возникает как результат обычного роста кристаллов. Расшире­ние, вероятно, увеличивают частицы окиси кремния в формо­вочной массе, которые препятствуют формированию кристал­лической структуры гипса, вызывая его расширение наружу. Этот тип расширения в обычных условиях, как правило, состав­ляет около 0,4%, но расширение частично ограничено металли­ческим кольцом;

гигроскопическое расширение. Его можно использовать для увеличения обычного расширения. Формовочной массе дают отвердеть в присутствии воды, вызывая дополнительное расши­рение. Предполагается, что вода, в которую погружается фор­мовочная масса, замещает воду, занятую в процессе гидрата­ции. Это удерживает пространство между растущими кристал­лами, позволяя им непрерывно расшириться наружу вместо их ограничения. Это расширение варьирует от 1,2% до 2,2% и его можно контролировать добавлением определенного количества воды к твердеющей формовочной массе;

расширение восковой модели. Возникает в жидкой формо­вочной массе, когда воск нагревается до температуры, при ко­торой он моделировался. Тепло может выделяться от химичес­кой реакции в формовочной массе или от водяной бани, куда погружено кольцо. Расширение восковой модели при нахожде­нии формы в воде меньше, чем в случае застывания формовоч­ной массы на воздухе;

термическое расширение. Расширение формовочной массы возникает при нагревании ее в муфельной печи. Нагревание формы помогает также убрать восковую модель и избежать за­стывания сплава до полного заполнения формы. Метод высоко­температурного выжигания восковой модели в первую очередь основывается на термическом расширении формы. Формовоч­ной массе вокруг восковой модели дают затвердеть на воздухе при комнатной температуре, а затем нагревают приблизитель­но до 650 °С. При этой температуре формовочная масса и ме­таллическое кольцо расширяются достаточно, чтобы компенси­ровать усадку золотого сплава.

Подготовка огнеупорной формовочной массы проводится в строгом соответствии с рекомендациями фирмы-производите­ля. Это касается, в первую очередь, объемно-весового соотно­шения компонентов (порошок и жидкость соответствующей концентрации), что позволяет привести в соответствие КТР ог­неупорного материала и сплава металлов при литье каркасов протезов.

Смешивание компонентов формовочной массы выполняют ручным способом или в специальных вакуумных смесителях, например Аверон, Смартмикс и др. При этом, как правило, в ем­кость с отмеренным количеством жидкости добавляют порошок;

4) формовка восковой репродукции (модели) каркаса протеза и литниковой системы огнеупорной массой в опоке проводится в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя. Вместе с тем следует отметить некото­рые общие манипуляции:

— покрытие восковой репродукции (модели) каркаса про­теза и литниковой системы огнеупорным облицовочным слоем, который наносится с помощью кисточки или несколько раз по­гружается в жидкую массу;

— просушивание нанесенного облицовочного слоя (огне­упорной оболочки) при комнатной температуре;

— установку облицованной формовочной массой восковой репродукции каркаса протеза в опоке на опочный конус и его фиксацию (укрепление) горячим воском. Опочный конус - во­ронкообразное пустотелое приспособление (как правило, ме­таллическое или полимерное), используемое для создания ре­зервуара жидкого металла в опоке при литье металлического каркаса протеза;

— заполнение опоки формовочной массой (в нужном объ­еме) на вибрационном столе;

— освобождение опоки от конуса после затвердения фор­мовочной массы;

5) выплавление воска, сушка и обжиг литейной формы (опоки) проводят в специальных обжиговых (муфель­ных) печах по режиму, рекомендованному для данной формо­вочной (огнеупорной) массы. Обжиг - нагрев и выдержка при высокой температуре (в обжиговых печах) различных материа­лов для придания им необходимых свойств или удаления при­месей (например, обжиг руды, глины, огнеупоров, керамики).

Обжиг необходим для окончательного выжигания остат­ков воска, высушивания, повышения газопроницаемости фор­мы, а также создания высокой температуры внутри формы и литниковых каналов, чтобы не остывал протекающий по ним жидкий металл, для его лучшей жидкотекучести. Его прекраща­ют только тогда, когда устья и стенки литьевых каналов станут красными. Но здесь хороша золотая середина, так как перегре­вание формы, быстрое повышение температуры в муфельной печи, где ведется обжиг, нагревание формы в открытом пламе­ни, приводит к её растрескиванию и осыпанию. Для металлов, используемых в стоматологии, оптимальным является темпера­тура обжига от 700 °С до 850 °С.

Продолжительность пребывания опоки в обжиговой печи связана с объемно-весовым соотношением компонентов формо­вочной массы, использованной для опоки: чем выше концентра­ция специальной жидкости (т.е. чем меньше содержание воды в опоке), тем меньше время прокаливания опоки. Кроме того, величина концентрации специальной жидкости определяет ко­эффициент термического расширения опоки.

В качестве примера приведем три режима прокаливания в муфельной печи опоки из огнеупорной (формовочной) массы Пауэр Кэш:

— помещение опоки в горячую печь (для быстрого выгора­ния воска) при температуре 700-800 °С с последующим подъе­мом температуры до конечной величины и экспозицией (вы­держкой) литьевой формы в печи в течение 40 мин. Этот ре­жим, создающий экономию времени не менее 80 мин, исполь­зуют при литье каркасов из сплавов золота;

— помещение опоки в горячую печь (для быстрого выгора­ния воска) при температуре 430 °С с последующим подъемом температуры до конечной величины при получении каркасов протезов из сплавов с температурой плавления свыше 1100 °С;

— помещение опоки в холодную печь для двухступенчато­го прокаливания. При этом в интервале от комнатной температуры (22 °С) до 430 °С скорость ее подъема составляет 8 °С/мин. 1 При температуре 430 °С опоку выдерживают 30 мин, а затем (после подъема температуры до максимальной величины со ско­ростью нагрева 14 °С/мин) опоку дополнительно выдерживают в печи еще не менее 30 мин.

Более того, при использовании не содержащего углерод фосфатного формовочного материала Фудживест и Фуджибест Супер, применяемого для литья каркаса из любого сплава ме­таллов, опока помещается прямо в нагретую обжиговую печь при конечной температуре 800 °С ± 50 °С, что обеспечивает эко­номию времени до двух часов. Такой быстрый прогрев опоки не оказывает влияния на расширение и качество поверхности сплава металла.

Следует отметить, что керамические тигли, в которых про­водят плавку сплавов металлов, помещаются в муфельную печь одновременно с опокой, таким образом к окончанию этой про­цедуры опока и керамический тигель имеют одинаковую темпе­ратуру;

6) плавка и литьё металлического сплава. После проведения вышеперечисленных предварительных мероприятий осуществляется литьё — процесс производства фасонных отли­вок путём заполнения жидким металлом заранее приготовлен­ных форм, в которых металл затвердевает.

Существует несколько способов заливки металла в формы:

— свободная заливка — металл заполняет форму свобод­но, под действием гравитационных сил;

— литьё под давлением, создаваемым поршнем или возду­хом с применением литейных машин;

— центробежное литье — заливка во вращающуюся фор­му — металл заполняет её под влиянием центробежной и гра­витационной сил;

— вакуумное литье — заливка вакуумным всасыванием. При литье допускается некоторый перегрев металла, но не выше температуры плавления на 100—150 °С. Дальнейшее уве­личение нагрева приводит к значительному поглощению газов и в последующем образованию газовых раковин.

Получение качественной отливки каркаса протеза зависит от температуры расплава. Так, при недостаточной температуре расплава:

— происходит преждевременное затвердевание, что сказы­вается на качестве структуры отливки;

— существует риск образования преждевременных сгуст­ков. Условия для образования сгустков возникают в случае не­достаточной температуры разогрева, которая не позволяет по­токам металла полностью смешиваться.

— низкая температура литья при большой площади отлив­ки приводит к волнистой структуре ее поверхности;

— при недостаточном разогреве сплава происходит преж­девременное затвердевание металла, что проявляется недолива­ми объектов литья.

— рябь на поверхности объясняется низкими температура­ми литья. Вследствии быстрого затвердевания, рябь, проявив­шаяся из-за наличия оксидных пленок на поверхности металла, не исчезает.

При избыточной температуре расплава или увеличении времени прогрева опоки возможно:

— разрушение формовочной массы. Нестабильность структуры формовочной массы при контакте с протекающим расплавленным металлом приводит к высвобождению микро­скопических частиц опоки, которые попадают в поверхностные части отливки. Значимыми факторами в реакции между спла­вом и материалом литейной формы являются: температура ме­талла (любой сплав с температурой литья выше 1150 °С, кото­рая превышает температуру плавления на 38-66 °С, должен от­ливаться в фосфатной формовочной массе), его химический состав, поверхностное натяжение, статика металла, состав литей­ной формы, а также термическая, химическая и механическая стабильность формовочной массы.;

— испарение компонентов сплава (например, цинка) и раз­витие реакций распада расплавленного металла с образованием газов, мешающих заполнению литейной формы. Этот эффект возникает в случае применения высокотемпературного сплава в сочетании с формовочными массами на гипсовой основе. Газы высвобождаются в ходе охлаждения и затвердевания металла, поскольку их растворимость понижается вместе с понижением температуры, хотя в процессе охлаждения большая часть газов может покинуть металл, но остатки газов образуют поры в структуре отливки;

— возникновение эффекта губки, когда во время затверде­вания сплава в полости газ поднимается к поверхности рас­плавленного металла, но вследствие плотной структуры формо­вочной массы, не в состоянии выйти за пределы отливки. Од­новременно происходит процесс неконтролируемого затверде­вания перегретого сплава, что ведет к образованию пористой структуры отливки;

— возникновение неоднородности структуры отливки,

— возрастание усадки в отливке, что проявляется в увели­чении жесткости каркаса протеза.

Во время перехода из жидкого состояния в твердое, рас­плавленный металл уменьшается в объеме. Недостаток объема в ходе процесса литья выражается в виде пористости сжатия, которую можно встретить преимущественно в областях, где ме­талл затвердевает в последнюю очередь;

7) освобождение каркаса протеза от огнеупор­ной массы и литниковой системы. После извлечений опоки из литейной установки, её охлаждают, причем, с целью предупреждения внутреннего напряжения и трещин, рекомен­дуют охлаждение отливок проводить медленно: на воздухе или в разогретой, но выключенной муфельной печи.

Затем осторожно удаляют гипсовым ножом или выдавли­вают формовочную массу из опоки и освобождают от формо­вочной массы:

— отливка из золотых сплавов нагревается паяльным ап­паратом и опускается в раствор соляной кислоты. Затем карбо­рундовым или вулканитовым диском отрезаются литники. От­ливка обрабатывается твердосплавными борами и карборундо­выми камнями различных фасонов до получения ровной по­верхности;

— при плотном припекании облицовочной массы к поверх­ности металлической отливки из сплавов неблагородных метал­лов, последние погружают в раствор кислоты или щелочи. Ча­ще же проводится ультразвуковая очистка или обработка в ка­мере пескоструйного аппарата.

Литниковая система отделяется от каркаса протеза с по­мощью обрезных кругов.

Рассмотренный выше вариант получения литого каркаса (или его элемента) зубного протеза является промежуточным этапом в процессе создания зубного протеза.

Следует отметить, что освобождение каркаса протеза от ог­неупорной массы и литниковой системы, а также его отделка по сути являются сочетанием механической, термомеханической и химической обработки сплавов металлов (см.ниже), что требует проведения данных манипуляций в специально оборудованных производственных помещениях при строгом соблюдении техно­логической дисциплины, техники безопасности и условий экс­плуатации используемых для этого оборудования, механизмов и приспособлений, рекомендованных заводом-изготовителем.

Химическая и электрохимическая обработка металлов и сплавов. Термической обработке, которая неизбежна при использовании различных металлов и сплавов, со­путствует образование под воздействием кислорода воздуха окалины на поверхности металла — окисной пленки. Она обла­дает повышенной твердостью по сравнению с металлом и по­этому способна нарушать рельеф изделия при его обработке. Кроме того, внедряясь в металл, окалина вызывает образование в нем углублений, которые в дальнейшем могут быть причиной брака и поломок.

Удаление с поверхности металлов окалины проводят хими­ческим путем. Вещества, служащие для растворения окалины называются отбелами, а сам процесс удаления окалины — от­беливанием. Отбелы подбирают с таким расчетом, чтобы они, растворяя окалину, как можно меньше действовали на металл. Отбелом для серебряных сплавов служит этиловый спирт 96°, золотых - 40-50% раствор соляной кислоты. Наиболее распро­страненными отбелами для нержавеющей стали являются отбе­лы № 1,2,3, состоящие из соляной, азотной, серной кислот и воды. При составлении растворов отбела следует придержи­ваться правил техники безопасности: кислоту лить в воду, а не наоборот.

В технологии отбеливания используются два варианта:

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

— электролитическое отбеливание, которое 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 с помощью абразивных порошков для струйной обработки (табл.4.2; 4.3.).

Таблица 4.2

Применение абразивного порошка электрокорунда Алустрал для струйной обработки неблагородных сплавов

Зернистость порошка	Область применения
25 мкм	Сглаживание переходов керамики к металлу, жевательная поверхность
50 мкм	Удаление паковочной массы, подготовка каркасов перед обжигом, удаление излишней керамической массы у металлокерамических коронок в пескоструйных аппаратах с соплом диаметром 1,0 мм
110 мкм	Обработка поверхностей благородных и неблагородных сплавов в пескоструйных аппаратах с диаметром сопла 4,0 мм
150 мкм	Подготовка каркасов перед обжигом в пескоструйных аппаратах с соплом диаметром 4,0 мм
250 мкм	Обработка поверхностей хромокобальтовых сплавов в пескоструйных аппаратах с соплом 3,0 и 4,0 мм. Подготовка каркасов неблагородных сплавов металлов перед обжигом в пескоструйных аппаратах с соплом диаметром 2,0 ; 3,0 и 4,0 мм

Таблица 4.3

Применение абразивных порошков Ауробласт для струйной обработки

Зернистость порошка	Область применения
90-150 мкм	Обработка поверхностей и доведение их до блеска (уплотнение поверхности) из благородных и неблагородных сплавов металлов в аппаратах с
40-80 мкм	Доведение поверхностей коронок и мостовидных протезов до блеска. Обработка внутренних частей атачменов. Удаление окисной пленки после глазурования в аппаратах с соплом диаметром 1,0 мм

После этого отливку помещают в специальный ковш и очи­щают от окалины кипячением в расплаве гидроксида натрия, имеющего низкую температуру плавления. Кипячение можно проводить на газовой или электрической плите, установленной в вентиляционном шкафу. К каркасу протеза фиксируется анод. Катод помещается в ванну с раствором электролита. Про­цесс отбеливания продолжается 1-3 минуты при силе тока в 7-9 ампер и при температуре отбела равной 20-22 °С. При прове­дении электроотбеливания нужно строго соблюдать правила электробезопасности.

Основными компонентами электролитов являются кислоты (ортофосфорная и серная), которые под действием постоянно­го тока в несколько раз увеличивают свою активность. Исполь­зуя названные составы и увеличивая плотность тока при про­хождении через электролит проводится:

— электрошлифование, то есть сглаживание поверх­ности металлического каркаса путем равномерного истончения металла, при котором вес отливки может уменьшиться на 20% (Г.П.Соснин, 1981);

— электрополирование, то есть получение зеркаль­ной поверхности металлического каркаса при нахождении в этиленгликолевых электролитах в течение 5-7 мин при плотно­сти тока 5-6 А/дм².

Для очистки и электрополирования металлических зубных протезов используется отечественная установка Катунь, имею­щая ванночку для заливки 18% раствором соляной кислоты. В кислоту погружают протез, фиксированный пластмассовым за­жимом на вертикальной штанге, служащей анодом. Время трав­ления составляет 10 мин, при плотности тока 0,4 А/см². Для про­ведения полировки необходима сила тока 3,5-4,5 А, а электролит должен быть подогрет до температуры 35—45 °С. Следует по­мнить, что работа подобной установки должна проводиться при условии достаточной вентиляции. При отсутствии условий для вентиляции предлагается (О.Петрикас,1998) использование спе­циальных растворов с пониженной токсичностью:

— соляная кислота 260 мл/л + поваренная соль 104 г/л + щавелевая кислота 42 г/л (при плотности тока 0,5 А/см² и экс­позиции 6,4 мин.);

— соляная кислота 276 мл/л + поваренная соль 92 г/л (при плотности тока 0,6 А/см² и экспозиции 10 мин).

В аппарате Электропол имеются две встроенные в корпус и изолированные друг от друга ванночки объемом по 1,5 л. За­полнение ванночек электролитом проводится раздельно. Каж­дая ванночка имеет свой пульт управления (сила тока, таймер), что позволяет проводить одновременную полировку двух кар­касов дуговых (бюгельных) протезов. При этом каркас, фикси­рованный в специальные зажимы, совершает вращательные движения. Аппарат имеет пластмассовый корпус, металличес­кие кислотостойкие части.