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

Full Text

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.

About the authors

K. D Altynbekov

M. Z Mirgazizov

E. A Aubakirov

B. Zh Nysanova

M. A Bayanbaev

A. K Altynbekov

R. M Mirgazizov

References

Supplementary files