RESEARCH OF POSSIBILITIES OF RE-USE OF CASTING ALLOYS IN ORTHOPEDIC STOMATOLOGY

全文:

Стремление к применению инновационных технологий и поиск прогрессивных методов использования конструкционных материалов относятся к числу актуальных задач стоматологии [1-5]. Немаловажное значение в этой области имеет экономное расходование материалов. В частности, научно-практический интерес для ортопедической стоматологии представляют вопросы экономного применения сплавов за счет повторного использования литейных отходов - так называемого лома - при изготовлении металлических ортопедических конструкций. Многие аспекты этой проблемы, однако, недостаточно изучены. Например, в литературе отсутствуют данные об изменении физико-механических и химических свойств литых изделий, полученных из сплавов с разным процентным содержанием лома. Лишь отдельные производители литейных сплавов указывают на возможность повторного использования литников и прибылей в объеме не более 10%. Материалы и методы ва. Для экспериментально-лабораторного обоснования использования технологического возврата проведены физикомеханические и химические исследования литейных сплавов I-BONDNF (код регистрации № РК-МТ-5М304646, химический состав: Со - 63%, Cr - 24%, Мо - 3%, W - 8%, Si - 1%, Nb - 1%, Si - 1%) и I-MGFH (код регистрации № PK-MT-5N004648, химический состав: Co - 62,5%, Cr - 29,5%, Mo - 5,5%, Si - 1,2%, Mn - 0,6% , C - 0,3%, N - 0,2%). Отличительная особенность указанных сплавов - полное отсутствие никеля. I-BONDNF предназначен для металлокерамики, I-MGFH - для бюгельного протезирования. Были изготовлены опытные литейные образцы округлой формы диаметром 1 см и толщиной 0,5 см, стандартного состава, а также с добавлением 10, 20 и 30% литейного возврата. С полученными литейными образцами произвели следующие виды анализа: химический, рентгеноструктурный, металлографический, определение микротвердости, твердости, взаимодействия в агрессивных средах. С целью установления элементного состава проводили рентгенофлюоресцентный анализ, который осуществляли на рентгенофлюоресцентном микроанализаторе «Фокус М2». Условия работы прибора: трубка - Мо, напряжение - 40 кВ, ток - 75 мА, фильтр - нет, время - 100 с, среда - воздух 1500 имп/с; металлографический анализ проводили с использованием оптическим микроскопом Axiovert 200 МАТ. Микро- 4 экспериментально-теоретические исследования Таблица 1. Технологические параметры плавки в индукционной печи Марка сплава Добавка литейного лома, % Температура литья, oC I-BONDNF I-BONDNF I-BONDNF I-BONDNF I-MGFH I-MGFH I-MGFH I-MGFH Стандартный 10 20 50 Стандартный 10 20 30 1440 1450 1450 1460 1440 1450 1450 1460 структуры сплавов снимались при увеличении 100, 200 и 500. Для выявления структуры использовали травитель (10 мл HNO3 + 30 мл НС1). Микротвердость образцов измеряли на микротвердомере ПМТ-З при нагрузке 20 г (АО «ЛОМО», Санкт-Петербург). Определение твердости проводили на твердомере КТ-7 (АО «Тогприбор», Иваново). Для изучения взаимодействия в агрессивных средах использовали концентрированную азотную (HNO3), соляную (HCl) и серную (HSO4) кислоты. Нами была использована технология более полного использования металлического возврата (до 30%) способом рафинирования кобальтохромовых сплавов доэвтектическим силумином. Указанный способ состоит в следующем. При шихтовке садки закладывают 70% первичного материала и от 10 до 30% литников и прибылей. Плавку ведут в индукционной печи до температуры 1315-1365oC, после чего на поверхность жидкой ванны подают в виде стружки доэвтектический силумин марки АК5 с содержанием 95% алюминия и 5% кремния; расплав выдерживают в течение 1,5-2 мин, затем снимают шлак и производят последующую отливку. При закладке доэвтектическо-го силумина на поверхность кобальтохромового расплава происходят следующие восстановительные реакции: Co2O3 + 2А1 = А^3 + 2Со, СгД + 2А1 = А^3 + 2Cr, ^2O3 + 2Si = Si2O3 + 2^, СгД + 2Si = Si2O3 + 2Сг. В результате указанных реакций расплав очищается от окислов, что приводит к восстановлению физико-механических свойств отливок из этого сплава. Плавку производили в индукционной печи модели Ducatron 3 (FONOIDUC001, Франция) при технологических параметрах, приведенных в табл. 1. Результаты и обсуждение I-BONDNF (стандартная) (рис. 1 на 2-й полосе обложки, 2). Литая структура твердого раствора на основе кобальта с направленно ориентированными дендритными колониями с осями первого и второго порядка. В междендритном пространстве слабо проявляется вторичная зеренная структура с мелкими полиэдрическими зернами. Микротвердость образца составляет 4016 МПа (d = 31) и показывает однофазность сплава. Химический состав: Со - 63%, Cr - 25%, Мо - 2,5%, W - 8%, Si 1%. Проба представляет собой сплав на основе кобальта системы Со-Cr. В исследуемом объекте основная доля приходится на связанный кобальт - CoCo2O4 (Co3O4), CoCr2O4, CoCrO4, оксиды хрома (CrO3Cr2O3); кроме этого присутствуют (в меньшем количестве) фазы чистого кобальта. Механические свойства: плотность 8,2 г/см3, твердость по Виккерсу HV 365, интервал плавления 1295-1345oC, температура литья 1460oC, предел растяжения 640 МПа, Е-модуль 220 ГПа, растяжение (As) 7,5%. Взаимодействие в агрессивных средах: в концентрированной азотной кислоте (HNO3) не реагирует; в концентрированной соляной кислоте (НС1) реагирует - слабо окисляется, зеленоватый раствор; в концентрированной серной кислоте (HSO4) реагирует с выделением газа. I-BONDNF + 20%. В структуре более четко выявляются включения светлой фазы. Фаза, по-видимому, обогащена хромом, так как по цвету совпадает с центральной частью ветвей дендритов, где концентрация хрома выше, чем на периферии. Судя по ее округлой форме, она начала выделяться еще в твердожидком состоянии. Микроструктура неоднородная, много рассеянных пор, цепочек пор и микротрещин, как правило, по ходу основных ветвей дендритов. Микротвердость образца составляет 4288 МПа ^с = 30). Химический состав: Со - 63%, Cr - 24%, Мо - 3%, S’S - 1%, Nb - 1%, W - 8%. В исследуемом объекте основная доля приходится на связанный кобальт - CoCo2O4 (TO3O4), CoCr2O4, оксиды хрома и вольфрама (Cr2O3); кроме этого, присутствуют (в меньшем количестве) фазы СаО и чистого кобальта. Механические свойства: плотность 8,2 г/см3, твердость по Виккерсу НV 285, интервал плавления 1304-1369oC, температура литья 1480oC, предел растяжения 550 Мпа, модуль Юнга Е 210 ГПа, растяжение (AS) 10%. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Энергия (кэВ) Рис. 2. Рентгеноструктура сплава I-BONDNF (стандартная). 3000 2000 1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Энергия (кэВ) Рис. 4. Рентгеноструктура сплава I-BONDNF + 30% литейного отхода. 5 РОССИЙСКИЙ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, №6, 2012 4,0еЗ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Энергия (кэВ) Рис. 6. Рентгеноструктура сплава I-MGFH (стандартная). Взаимодействие с агрессивными средами: в концентрированной азотной кислоте (HNO3) не реагирует, в концентрированной соляной кислоте (HCl) не реагирует, в концентрированной серной кислоте (HSO4) реагирует с выделением газа. I-BOND-NF + 30% (рис. 3 на 2-й полосе обложки, 4). Литая структура твердого раствора на основе кобальта, где концентрация хрома меняется по объему материала, понижаясь в междендритном пространстве. Микротвердость образца составляет 4016 МПа (d£ = 31). Химический состав: Со - 63%, Cr - 24%, Мо Р- 3%, Si - 1%, Nb - 1%, W - 8%. В исследуемом объекте основная доля приходится на связанный кобальт - CoCo2O4 (СЭ^), CoCr2O4, оксиды хрома и вольфрама (Cr2O3); кроме этого, присутствуют (в меньшем количестве) фазы СаО и чистого кобальта. Механические свойства: плотность 8,2 г/см3, твердость по Виккерсу nV 285, интервал плавления 1304-1369oC, температура литья 1480oC, предел растяжения 550 МПа, модуль Юнга Е 210 ГПа, растяжение (AS) 10%. Взаимодействие с агрессивными средами: в концентрированной азотной кислоте (HNO3) не реагирует; в концентрированной соляной кислоте (НС1) не реагирует, в концентрированной серной кислоте (HSO4) реагирует с выделением газа. I-MGFH (рис. 5 на 2-й полосе обложки, 6). Сплав частично гомогенизировался, дендриты начинают рассыпаться, коагулировать. Обнаруживаются границы крупных зерен извилистой формы как следы вторичной полиэдрической мелкозернистой структуры. Микротвердость образца составляет 4016 МПа (d = 31). Химический состав: Co - 63%, Cr - 25%, Мо - 2,5%, W - 8,5%, Si - 1%, Nb и С - менее 1%. Проба представляет собой сплав на основе кобальта системы Со-Cr. В исследуемом объекте основная доля приходится на связанный кобальт - CoCo2O4 (Co3O4), CoCr2O4, CoCrO4, оксиды хрома (CrO3Cr2O3); кроме этого, присутствуют (в меньшем количестве) фазы чистого кобальта. Механические свойства: плотность 8,2 г/см3, твердость по Виккерсу nV 365, интервал плавления 1295-1345oC, температура литья 1460oC, предел растяжения 640 МПа, модуль Юнга Е 220 ГПа, растяжение (AS) 7,5%. Взаимодействие в агрессивных средах: в концентрированной азотной кислоте (HNO3) не реагирует; в концентрированной соляной кислоте (НС1) реагирует - слабо окисляется, 1000 500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Энергия (кэВ) Рис 8 . Рентгеноструктура сплава I-MGFH + 30% литейного отхода. Химический состав: Со - 62,5%, Cr - 29,5%, Мо - 6,5%, Si - 1,4%, Mn -0,6%, С - 0,3%, N - 0,2%. зеленоватый раствор, в концентрированной серной кислоте (HSO4) реагирует с выделением газа. Полностью литая структура. На ее фоне большие хлопьевидные включения, скорее всего шлаки (дефекты литья). Микротвердость образца составляет 4288 МПа (d£ = 30). Химический состав: Со - 62,5%, Cr - 29,5, Мо - 6,5%, Si - 14%, Mn - 0,6%, С - 0,3%, N - 0,2%. Проба представляет собой сплав на основе кобальта системы Со-Cr. В исследуемом объекте основная доля приходится на связанный кобальт - CoCo2O4 (Co3O4), CoCr2O4, CoCrO4, оксиды хрома (CrO3Cr2O3); кроме этого, присутствуют (в меньшем количестве) фазы чистого кобальта. Механические свойства: плотность 8,2 г/см3, твердость по Виккерсу nv 365; интервал плавления 1295-1345oC, температура литья 1460oC, предел растяжения 640 МПа, Е-модуль 220 МПа, растяжение (AS) 7,5%. Взаимодействие в агрессивных средах: в концентрированной азотной кислоте (HNO3) не реагирует; концентрированной соляной кислоте (НС1) реагирует - слабо окисляется, зеленоватый раствор; в концентрированной серной кислоте (HSO4) реагирует с выделением газа. I-MG-20%. Сплав как минимум двухфазный или даже трехфазный. Без специальных анализов неясно, каков состав этих выделений, какое превращение за них ответственно или это сплав другого состава. Может быть, в этом образце больше хрома, и выделяется a-фаза. В пользу такого предположения свидетельствует появление в этом образце второго максимума микротвердости 6170 МПа, т. е. имеется новая, более твердая фаза. Микротвердость образца составляет 4288 МПа (d = 30). Микротвердость включений составляет 6170 МПа (d£ = 25). Химический состав: Со - 62,5%, Cr - 29,5, Мор- 6,5%, Si - 1,4%, Mn - 0,6%, С - 0,3%, N - 0,2%. Проба представляет собой сплав на основе кобальта системы Со-Cr. В исследуемом объекте основная доля приходится на связанный кобальт - CoCo2O4 (Co3O4), CoCr2O4, CoCrO4, оксиды хрома (CrO3Cr2O3); кроме этого, присутствуют (в меньшем количестве) фазы чистого кобальта. Механические свойства: плотность 8,2 г/см3, твердость по Виккерсу nV 365, интервал плавления 1295-1345oC, температура литья 1460oC, предел растяжения 640 МПа, Е-модуль 220 ГПа, растяжение (AS) 7,5%. Взаимодействие в агрессивных средах: в концентрированной азотной кислоте (HNO3) не реагирует; в концентрированной соляной кислоте (НС1) реагирует - слабо окисляется, зеленоватый раствор; в концентрированной серной кислоте (HSO4) реагирует с выделением газа. 6 экспериментально-теоретические исследования I-MGFH + 30% (рис. 7 на 2-й полосе обложки, 8). Очень высокая концентрация светлой фазы, которая, вероятно, является интерметаллидом. На поверхности образца наблюдается много пор, микротрещин и хлопьев. Микротвердость образца составляет 4016 МПа (d£ = 31). Микротвердость включений составляет 6170 МПа (d = 25). Химический состав: Со - 62,50/о, Cr - 29,5, Мо - 6,5%, Si - 14%, Mn - 0,6%, С - 0,3%, N - 0,2%. Проба представляет собой сплав на основе кобальта системы Со-Cr. В исследуемом объекте основная доля приходится на связанный кобальт - CoCo2O4 (Co3O4), CoCr2O4, CoCrO4, оксиды хрома (CrO3Cr2O3); кроме этого, присутствуют (в меньшем количестве) фазы чистого кобальта. Механические свойства: плотность 8,2 г/см3, твердость по Виккерсу НУ 365, интервал плавления 1295-1345oC, температура литья 1460oC, предел растяжения 640 МПа, Е-модуль 220 ГПа, растяжение (AS) 7,5%. Взаимодействие в агрессивных средах: в концентрированной азотной кислоте (HNO3) не реагирует; концентрированной соляной кислоте (HCl) реагирует - слабо окисляется, зеленоватый раствор; в концентрированной серной кислоте (HSO4) реагирует с выделением газа. Заключение При отливке изделий для ортопедической стоматологии остаются литники и прибыли, которые обрезают и используют вторично лишь в объеме 10%. Остальная часть литников и прибылей не используется и отправляется на утилизацию. Ограничение в повторном использовании связано с тем, что при плавке и литье образуются окислы кобальта и хрома, которые оказывают негативное воздействие на механические свойства сплавов. В то же время конструкция литников и прибылей способствует собиранию оксидов в этой части литейной системы. Проблеме повторной переплавки кобальтохромового сплава посвящены единичные работы [7]. Согласно инструкции фирмы INTERDENT, выпускающей сплавы I-BONDNF и I-MGFH, допускается использование литейных отходов. Исследования, проведенные нами, показывают, что при повторном литье с применением технологического возврата желательно использовать литейные отходы от первичного литья, на что не указывают фирмы - производители стоматологических сплавов. Полученные результаты показали, что способ рафинирования доэвтектическим силумином дает возможность сохранить физико-механические свойства кобальтохромовых сплавов, полученных из 70% первичного состава и 30% технологического возврата, для использования в ортопедической стоматологии. Таким образом, рафинирование кобальтохромовых сплавов доэвтектическим силумином дает возможность более полного использования технологического возврата, что оказывает существенное влияние на формирование себестоимости изготовления зубных протезов.

作者简介

K. Altynbekov

M. Mirgazizov

E. Aubakirov

B. Nysanova

M. Bayanbaev

A. Altynbekov

R. Mirgazizov

参考

补充文件