Формовочные материалы

Стоматологическое литье осуществляется путем предварительно­го изготовления восковой репродукции отливаемой детали с после­дующей заменой воска металлом. Для этого восковую заготовку вначале покрывают оболочкой, состоящей из соответствующих ма­териалов. Если воск из этой оболочки удалить, образуется полость,

157

или литьевая форма, аналогичная восковой модели. Эту полость впоследствии заполняют расплавленным металлом.

Литьевой формой называется специально изготовленный сосуд, внутренние стенки которого по своим очертаниям соответст­вуют очертаниям требуемой отливки (А. А. Рыжиков).

Литьевая форма кроме основной полости, соответствующей от­ливаемой детали, имеет еще и дополнительные, или служебные, по­лости и каналы — литниковые каналы, полости для дополнительных питателей, стояков и др.

Процесс изготовления формы, включающий в себя как изготов­ление отдельных ее частей, так и подготовку формы к заливке рас­плавленного металла, называется формовкой. Материалы, применяемые для изготовления литьевой формы, называются фор­мовочными материалами.

Формовочные материалы должны обладать определенными свой­ствами, основными из которых являются следующие: высокая тер­моустойчивость, достаточная прочность и мелкозернистое строение, хорошая газопроницаемость и др.

Формовочные массы не должны содержать веществ, которые мо-г^т вступать в химическое соединение с элементами расплавленно­го металла и тем самым ухудшить его качество. Формовочные ма­териалы должны иметь такой коэффициент термического расшире­ния, который мог бы компенсировать усадку расплавленного металла, заливаемого в форму.

По продолжительности службы литейные формы делятся на ра­зовые, полупостоянные и постоянные. В стоматологической практи­ке наиболее часто используются разовые литьевые формы. В зави­симости от применяемого металла и состава формовочной массы стенки литьевой формы могут быть однослойные или двухслойные. Однослойные формы используются в основном в тех случаях, когда заливаемый металл имеет не слишком высокую температуру плав­ления. Примером такой формы является форма для заливки легко­плавкого металла при изготовлении штампа, а также форма для отливки изделий из сплавов золота и др.

В качестве формовочного материала однослойной литьевой фор­мы часто используется гипс или гипсовые формовочные массы.

В гипсовых формовочных массах гипс выполняет роль связую­щего вещества, а в качестве основы чаще всего используется окись кремния (до 75 %), реже окись алюминия.

Следует помнить, что при затвердевании гипсовая формовочная масса расширяется. В зависимости от плотности массы и процент­ного содержания в ней гипса литьевая форма может расширяться до 2 % своего первоначального объема. При подогревании формы с целью выплавления воска или отжига происходит испарение воды и гипс дает усадку примерно на величину термического расширения

158

(-1—2 %). Поэтому фактическое расширение гипсовой формы может иметь существенное значение лишь тогда, когда в качестве наполни­теля используют окись кремния. Различают три аллотропные фор­мы окиси кремния — кварц, тридимит и кристаборит. Каждая из этих форм имеет свою прочность и температуру максимального расширения. При комнатной температуре кварц находится в ос-фазе, при температуре 575 °С а-фаза переходит в сх-кварц, который при температуре 870 °С может переходить в тридимит, а при температу­ре 1300...1350 °С — в кристобалит. Кварц и кристобалит под воздей­ствием температуры увеличиваются в объеме, тогда как тридимит объемного расширения не имеет, в связи с чем тридимит в литей­ном производстве не используется. Максимальное расширение кварца наблюдается при температуре 700 °С. В этом состоянии оч имеет и оптимальную прочность. Наименьшая прочность кварцевой формы отмечается при температуре 100...125°С.

Двухслойную литьевую форму используют при отливке протезов из хромоникелевой стали и КХС. В этих случаях внутренний, или облицовочный, слой формы толщиной не менее 1—2 мм в момент отливки детали будет находиться в непосредственном соприкосно­вении с расплавленным металлом, поэтому он должен обладать большой прочностью и высокой огнеупорностью. Температура плав­ления материала облицовочного слоя должна быть намного выше температуры плавления заливаемого металла. В противном случае температура заполнившего форму расплавленного металла разру­шит стенки литьевой формы, вследствие чего произойдет загрязне­ние отливаемой детали и нарушение точности ее формы. Материал облицовочного слоя должен также обладать мелкой дисперсностью и коэффициентом термического расширения, близким к коэффици­енту термического расширения основного формовочного материала, чтобы обеспечить точность и гладкость поверхности отливаемой металлической детали и предохранить облицовку от образования трещин в момент ее подогревания.

Наружный слой формы служит для укрепления внутреннего слоя. Толщина его может быть от одного до нескольких сантимет­ров. По прочности, огнеупорности и дисперсности он может несколь­ко уступать материалам облицовочного слоя. Материалы как пер­вого, так и второго слоя должны обладать хорошей газопровод-ностью, чтобы избежать газовой пористости отлитой детали.

В качестве облицовочного слоя в последнее время наибольшее признание получил маршалит, пластифицированный этилсиликатом (этиловый эфир кремниевой кислоты). Для изготовления облицо­вочного слоя -пользуются гидролизованным этилсиликатом.

Этилсиликат — этиловый эфир кремниевой кислоты, получаемый при взаимодействии четыреххлористого железа с безводным этило­вым спиртом. В литейное производство поставляется неочищен

159

ный технический этилсиликат, который представляет собой про­зрачную жидкость светло-коричневого цвета со слабым запахом эфира. Технический этилсиликат в поставляемом виде не может быть использован для изготовления облицовочного слоя формы. Его необходимо подвергнуть гидролизу. В результате гидролиза образуется этиловый спирт и ортокремниевая кислота.

Процесс гидролиза является одним из самых ответственных эта­пов приготовления облицовочного слоя литьевой формы. Ортокрем-ииевая кислота обладает очень малой стойкостью, поэтому гидро­лиз необходимо производить незадолго до приготовления облицо­вочной смеси. При нагревании гидролизованного этилсиликата из него улетучивается этиловый спирт, а из ортокремниевой кислоты выделяется золь, который впоследствии превращается в гель крем­незема. Для увеличения стойкости золя вводят определенное коли­чество воды, но не более 1,5 моля (П. П. Берг). Такой золь распада­ется только при введении катализаторов аммиака. Однако вода и этилсиликат взаимно нерастворимы. Для создания однофазного раствора необходимо применять вещества, в которых может раство­риться и вода, и этилсиликат. В качестве таких растворителей мо­гут быть использованы этиловый спирт или ацетон.

При выборе растворителя следует учитывать, что с этиловым спиртом реакция протекает несколько медленнее, чем с ацетоном. Кроме того, ацетон быстрее испаряется и приводит к более быстро­му высушиванию, а обезвоженный гель менее склонен к образова­нию трещин. Однако ацетон является легковоспламеняющимся ве­ществом и требует определенных мер предосторожности.

Растворитель берут в таком объеме, чтобы содержание кремне­зема в готовом растворе не превышало 22 %.

Для ускорения гидролиза применяются катализаторы — чаще всего соляная или уксусная кислота. В готовом растворе содержа­ние соляной кислоты не должно превышать 0,3 %, так как при из­бытке ее может произойти преждевременное ускорение распада золя.

Для получения более стойкого золя проводят двуступенчатый процесс гидролиза. На первой ступени получают более стойкий золь, который в дальнейшем доводят до состояния меньшей стой­кости. Последнее достигается путем прибавления к системе основа­ний. В качестве основания лучше использовать газообразный ам­миак. Для обеспечения большей прочности геля необходимо стре­миться к выделению его в менее влажном состоянии. Поэтому об­работку аммиаком следует производить спустя некоторое время после начала процесса высушивания.

Таким образом, процесс гидролиза осуществляется при наличии двух взаимоисключающих требований. С одной стороны, он не дол­жен затягиваться во избежание снижения производительности все-

!60

го процесса, а с другой стороны, при излишней скорости гидролиза возникает опасность преждевременного распада золя и образова ния геля кремнезема, что ведет к снижению качества поверхности формы.

Существует большое количество рецептов отливок, однако боль­шинство из них не имеет универсального значения.

При стоматологических отливках из стали применяют рецепты, рекомендованные В. Н. Копейкиным. К 30 мл 96 % этилового спир­та добавляют 10 мл подкисленной дистиллированной воды (на 100 мл воды 1 мл 50 % соляной кислоты) и 60 мл технического этил­силиката. Соединение компонентов необходимо проводить в выше­указанной последовательности: сначала смешивают этиловый спирт и подкисленную воду, а затем медленно и осторожно прибавляют этилсиликат. В противном случае при взаимодействии взятых ком­понентов выделяется большое количество теплоты, что может отри­цательно влиять на ход гидролиза. Для понижения температуры сосуд, в котором производится гидролиз, можно охладить в холод­ной проточной воде.

М. М. Гернер рекомендует проводить гидролиз этилсиликата сле­дующим образом: вначале смешивают 117 мл 95 % этилового спир­та, 14,5 мл воды и 1,1 мл концентрированной соляной кислоты. За­тем к смеси по каплям (чтобы температура не превысила 50 °С) до­бавляют, тщательно размешивая, 100 мл этилсиликата. Такая смесь,. герметически закрытая, сохраняется в течение 10 дней.

Срок годности гидролизованной смеси можно продлить, если к ней добавить глицерин из расчета 10:1.

При определении количества этилсиликата, участвующего в реакции гидролиза, необходимо исходить не из объемного коли­чества этилсиликата, а из количества двуокиси кремния С^Оа), на­ходящейся в этом объеме.

Установлено, что наибольшей прочностью обладают те сили­катные облицовочные массы, которые изготовлены на растворах, содержащих 18-% двуокиси кремния. Как увеличение, так и умень­шение этого количества в растворе ведет к понижению прочности массы. Повышение процентного содержания двуокиси кремния в вяжущем растворе приводит к понижению текучести, а это обусло­вливает образование более толстого слоя облицовочного покрытия, который растрескивается при высыхании.

Уменьшение содержания двуокиси кремния приводит к сниже­нию вязкости раствора, а следовательно, и к понижению прочности массы.

Выпускаемый промышленностью этилсиликат содержит от 21 до 50 % двуокиси кремния.

Для гидролиза этилсиликата можно использовать ацетон в •хе». же количествах, что и этиловый спирт, однако при этом надо'сд^-

Щ

людать меры предосторожности с целью предохранения воспламе­нения его паров.

Для снижения себестоимости литья и изъятия из литейного про­изводства воспламеняющихся веществ гидролиз этилсиликатов можно производить в кислой среде, содержащей 0,6—1 % соляной и 0,5—0,7 % серной кислоты, без добавления растворителя, этило­вого спирта или ацетона (В. Н. Иванов и Г. М. Зарецкая).

Гидролиз этилсиликата можно проводить и в щелочной среде. Для этого в качестве растворителей используют водный раствор альгината натрия и пиперидин. На 98 ч. дистиллированной воды добавляют 0,5 ч. альгината натрия и 2 ч. пиперидина. К полученной смеси в пропорции 1:1 добавляют, тщательно перемешивая, этилси-ликат. Недостатком этого способа является то, что прочность связи формовочной массы, подготовленной на щелочном растворе, слабее по сравнению с той, где гидролиз этилсиликата осуществлялся в кислой среде.

Для создания облицовочного слоя литьевой фо-рмы к 1 ч. подго­товленного гидролизованного этилсиликата добавляют 2 ч. марша-' лита. Смесь тщательно размешивают.

Практически покрытие восковой модели осуществляется путем двух- или трехкратного медленного погружения восковой репродук­ции отливаемой детали и литников в облицовочную массу. После кратковременного пребывания восковой модели в облицовочной массе модель вынимают и еще некоторое время выдерживают над поверхностью сосуда, чтобы дать возможность стечь излишкам мас­сы и тем самым обеспечить равномерное покрытие модели. Однако при этом возможно сохранение воздуха в углублениях формы, что влечет за собой изменение формы отливки. Поэтому облицовочную массу лучше наносить на восковую модель двух- или трехкратно мягкой волосяной кисточкой. Для укрепления облицовочной массы на модели ее посыпают тонким равномерным слоем кварцевого пес­ка. Литьевой блок с облицовочным покрытием просушивают на от­крытом воздухе в течение 1—1,5 ч, а затем переносят в эксикатор с аммиаком. Блок подвергают воздействию паров аммиака в течение 1 ч, затем вынимают из эксикатора и после выветривания паров аммиака приступают к формовке.

Жидкое стекло. Для изготовления облицовочной массы можно применять также жидкое стекло. Растворимое жидкое стекло, ис­пользуемое в литейной технике, представляет собой силикат нат­рия.

Получают его путем сплавления кварцевого песка с натрия гидрокарбонатом (^азСОз). При этом образуется содовое жид­кое стекло, которое в основном и используется в литейном произ­водстве. За сутки до применения в качестве составной части обли­цовочной смеси жидкое стекло, как и этилсиликат, подвергают

168

гидролизу. Для этого берут 32 ч. жидкого стекла, 8 ч. 7 % раствора соляной кислты и 60 ч. дистиллированной воды (В. Н. Копейкин) Содержимое тщательно перемешивают. В результате реакции осаж­дения вначале образуется творожистая масса, которая затем по­степенно подвергается саморастворению и через 24 ч. может быть использована как связующий материал для облицовочного слоя формы.

Гидролизованное жидкое стекло смешивают с маршалитом в соотношении 1:1. Полученной смесью равномерно покрывают во­сковую модель с последующим укреплением смеси на модели сухим кварцевым песком. После этого модель сразу же погружают на 1— 2 мин в 18 % водный раствор хлористого аммония. Под влиянием хлористого аммония образуется гель кремнезема, отличающийся высокой прочностью.

Промышленным способом выпускают следующие формовочные массы.

Масса силаур состоит из кремнезема и гипса. Различают два ви­да этой массы — силаур № 3-Б, характеризующийся более мелкой дисперсностью частиц и предназначенный для отливки более точ­ных деталей из золота (вкладки, трехчетвертные коронки и др.), и силаур № 9, который используют для отливки более крупных дета­лей из золота или других сплавов, имеющих температуру плавле­ния не выше 1000...1100°С. Как первая, так и вторая масса приме­няется для формовки без облицовочного слоя.

В состав силиконовой формовочной массы входит примерно 15 ч жидкого стекла, 30 ч. маршалита и 155 ч. кварца. Перед приме­нением указанные массы смешивают с водой до получения смета-нообразной консистенции, а затем формуют.

Формалит — облицовочная масса для отливки деталей, изготов­ленных из нержавеющей хромоникелевой стали и К.ХС. В состав массы входят маршалит (600 г), кварцевый песок (Люберецкого карьера марки 40(70) —5 кг), этилсиликат (150 см³), борная кис­лота (75 г).

Способ применения массы следующий. Вначале подвергают гид­ролизу этилсиликат. Для этого смешивают 11 мл дистиллированной воды и 0,7 мл 36 % раствора соляной кислоты. К этой смеси присо­единяют 90 мл этилового спирта (94...96°). Затем в стеклянный со­суд наливают 150 мл этилсиликата и постепенно, тщательно взбал­тывая, добавляют ранее приготовленную смесь этилового спирта с подкисленной водой. Через 30—40 мин сосуд плотно закрывают и спустя 12 ч раствор готов к применению. Срок годности его 2 не­дели.

Для подготовки облицовочной массы смешивают необходимое количество ранее гидролизованного этилсиликата с маршалитом в пропорции 1 : 2. Полученную облицовочную массу наносят на воско-

^63

вую модель отливки дважды. Для улучшения прилипания облицо­вочной массы модель следует окунуть в гидролизованный этилси-ликат, а затем нанести на поверхность модели облицовочную массу кисточкой или путем погружения. Для упрочнения и лучшего удер­живания облицовочной массы на модели ее сверху посыпают сухим кварцевым песком и просушивают на воздухе. Через 30 мин модель с нанесенным покрытием помещают в эксикатор с парами аммиака (на дно эксикатора наливают 40 мл 20 % раствора аммиака). Через 10—20 мин модель вынимают из эксикатора и тщательно проветри­вают для освобождения от паров аммиака. Затем таким же образом наносят на модель второй слой облицовочного покрытия и остав­ляют на 10—20 мин в эксикаторе с парами аммиака.

Борная кислота в комплекте предназначена для заполнения все­го свободного пространства литьевой кюветы (опоки). Для этого смешивают кварцевый песок и борную кислоту (на 100 г песка 1,5 г борной кислоты). Этой смесью заполняют кювету, в которой пред­варительно на литьевом конусе расположена восковая модель от­ливки с нанесенным на нее облицовочным покрытием. Чтобы смесь кварцевого песка и борной кислоты не высыпалась из кюветы, де­лают две влажные пробки (верхнюю и нижнюю). Для этого к 3 ч. кварцевого песка и 2 ч. гипса добавляют необходимое количество воды до получения кашицеобразной массы, которой закрывают низ кюветы, а после заполнения ее объема кварцевым песком с борной кислотой и верхний выход кюветы.

Далее форму сушат, выплавляют воск, обжигают формы и за­ливают расплавленным металлом.

Целесообразность комбинации маршалита и кварцевого песка вытекает из следующих данных.

1. Маршалит и кварцевый песок близки по физико-химическим свойствам и отличаются один от другого, главным образом, величи­ной частиц зерен. Коэффициенты их термического расширения при одинаковой температуре не имеют существенной разницы, что очень важно для предупреждения образования трещин как на поверх­ности литьевой формы, так и по месту соединения облицовочного и собственно формовочного слоев во время высушивания формы и заливки в нее расплавленного металла.

2. Степень расширения кварцевого песка и маршалита при тем­пературе 800...850 °С близка к степени расширения хромоникелевой стали при этой температуре, что обеспечивает точность размеров отливки, компенсирует усадку стали.

3. Как термоустойчивые материалы, маршаллит и кварцевый пе­сок не разрушаются при заливке формы расплавленным металлом, а также способствуют получению более точных отливок как по ве­личине, так и по форме. Кроме того, металл не загрязняется шла­ками от разрушенной формы.

164

Вследствие мелкой дисперсности маршалита сохраняется глад­кость поверхности формы, а это обеспечивает гладкую поверхность отливки.

Формовка восковых моделей без облицовочного слоя допускает­ся в тех случаях, когда деталь будет отлита из металла или сплава, имеющего невысокую температуру плавления. Отлитые таким обра­зом детали менее точные, и их поверхность недостаточно гладкая. Учитывая, что металлы и сплавы с температурой плавления до 1100°С обладают не слишком высокой твердостью, изготовленные из них детали легко полируются.