Зависимость качества зубопротезных изделий от технологий литья сплавов металлов
В. С. Онищенко
А. В. Кузьменко
А. М. Шумейко
В. М. Слипченко
М. Л. Круковский
Киевская медицинская академия последипломного образования
ООО «Медгарант»
Современные достижения ортопедической стоматологии в значительной степени основываются на использовании передовых технологий и современных материалов. В последнее время наблюдается увеличение количества изготовляемых в стоматологических учреждениях цельнолитых конструкций несъемных и съемных зубных протезов.
Высококачественное литье зубных протезов позволяет существенно расширить возможности их конструирования и повысить качество работы врача при протезировании. Качественные показатели зубных протезов во многом определяются качеством их отливок.
Требования, предъявляемые к качеству литья, относятся не только к форме отливки, они складываются из комплекса иногда противоречивых требований, которые определяются функциональными показателями конструкции. Сложность конструкции зубного протеза диктует выбор материала, из которого протез изготавливается, при обеспечении биологической его совместимости.
В последнее время наметилась тенденция использовать в ортопедической стоматологии безникелевых кобальто-хромовых сплавов, а также сплавов с высоким содержанием титана. Техническое же оснащение современных лабораторий, как правило, не позволяет в полном объеме использовать весь комплекс физико-механических свойств сплавов на основе кобальта, из-за длительного контакта расплава с атмосферой или насыщения продуктами горения при плавке ацетиленовой горелкой. Это приводит к неконтролируемости изменения физико-механических свойств сплава и ухудшению биологической совместимости зубных протезов.
В практической ортопедической стоматологии большое значение имеет проблема обеспечения качества зубо-технического литья, особенно при применении металло-керамических конструкций. В основном оценку качества литья определяют по следующим двум параметрам:
- характеристика формы (усадка, шероховатость поверхности, шарики, поры и др.);
- показатели состояния металлической основы (коэффициент термического расширения, внутренние напряжения, качество оксида, прочность сцепления с керамикой, газонасыщенность, механические свойства и др. физические характеристики).
Оптимальные параметры характеристик формы достигаются с использованием качественных формовочных материалов, строгим соблюдением технологии отливки, благодаря исправности вспомогательного оборудования, что достаточно широко описано в современной литературе.
Второй параметр — можно оценить только с помощью трудоемкого металлографического анализа изменения структуры металла, формы и размера зерен, распределения и формы неметаллических включений, интерметаллидов, карбидов и других фаз, которые определяют физические и механические свойства получаемых изделий.
Основными факторами обеспечения качества металлических конструкций являются примененные способ плавки и заливки металла в форму, осуществленные в конструкции литейной установки, используемой в литейной лаборатории.
Так, некоторые способы плавки и заливки даже из сплавов, имеющих относительно высокую температуру плавления, — Керадент, Пластокрист (Украина) и КХС (Россия) — позволяют получать изделия высокого качества и по форме, и по характеристикам металла, обеспечивая надежное соединение металлической основы и керамической облицовки.
Наиболее распространенные способы получения дентальных изделий с помощью литья по выплавляемым моделям представлены на схеме. В Украине большое распространение получили установки газопламенного нагрева с центробежной заливкой и индукционного нагрева с центробежной заливкой.
Типичным представителем первой является литейная установка фирмы «КЕRR». Несомненным ее преимуществом является невысокая стоимость и простота обслуживания. Однако использование взрывоопасных материалов и невысокое «качество» металла в изделии ограничивает область ее применения. С успехом можно использовать литейные установки типа «КЕRR» для литья драгоценных и полудрагоценных сплавов под облицовку керамикой. При плавке жаропрочных сплавов (Со-Сг, Ni-Сг) вследствие перегрева поверхности угорают важные присадки, металл, находясь в жидком состоянии, насыщается газами и меняет свой химический состав и свойства, вызывающие проблемы при нанесении керамики в технической лаборатории.
Некоторые импортные сплавы, используемые в установках для плавки металла с помощью открытого пламени, имеют в своем составе опасные токсичные металлы (берилий, ирридий и др.), которые опасны как для литейщика и техника при обработке, так и для пациента. В последнее время появились сообщения, что Ni — металл, обладающий канцерогенными свойствами. В некоторых европейских странах применение Ni- содержащих сплавов в ортопедической стоматологии запрещено (Ю. А. Ершов, Т. В. Плетнева. Механизмы токсического действия неорганических соединений. — Москва: Медицина, 1985. — С. 135 ). В процессе плавки при контакте с открытым пламенем горелки происходит газонасыщение сплавов. При центробежной заливке металла тоже происходит газонасыщение.
Расплавленный металл, двигаясь по литниковым каналам, создает в полости формы значительное противодавление газов, а взаимодействие с раскаленным формовочным материалом образует дополнительный источник газовыделений.
Часть газов выдавливается в форму, которая обладает пористостью, а часть растворяется в металле изделия и при затвердении фиксируется неравновесная газонасыщенная система.
Значительное противодавление газов приводит к такому виду брака, как пористость. Любая неравновесная система стремится к равновесию, и при нанесении керамики (многократные нагрев-охлаждение) свободные газы выделяются или связываются в химические соединения. В первом случае свободные газы диффундируют к поверхности раздела металлокерамики, образуют микропоры, в которых создаются огромные давления, приводящие к сколам керамики уже в процессе ее нанесения. Во втором случае химические реакции ведут к изменению размеров в локальных областях (как правило, на границах зерен в структуре металла) и, соответственно, к изменению механических свойств (повышенная хрупкость, высокий уровень внутренних напряжений и др.), приводящим к сколам керамики в процессе эксплуатации протеза.
На наш взгляд, газонасыщенность — это важнейший параметр качества металла в дентальных изделиях под облицовку керамикой, который определяется главным образом способом плавки и заливки металла, т. е. конструкцией литейной установки. На схеме в нижней части выделены условия плавки и условия заливки.
Нет сомнений, что плавке на воздухе предпочтительна плавка в защитном газе, которой, в свою очередь, предпочтительна плавка в вакууме. То же самое можно сказать о способах заливки. С точки зрения газонасыщенности металлических дентальных изделий наиболее перспективны способы вакуумной плавки и вакуумной заливки, позволяющие получать детали протезов из сплавов высокого качества, а врачу и технику уверенно работать с керамикой без переделок из-за металлической основы.
Установки и методы получения литья с помощью индукционной плавки и центробежной заливки также получили большое распространение в Украине, например установки фирмы «ТЕСNGAZ-СА2». Однако по газонасыщенности они близки к установкам газопламенного нагрева. Использование вакуума для получения литья наиболее перспективно.
Изначально использование вакуума в процессах плавки металлов предназначалось, в основном,для дегазации и предотвращения поглощения газов (Л. И. Леви, Л. Н. Мариенбах, 1970).
Достижения последних десятилетий позволили развить специфическую область, которую все чаще называют вакуумной металлургией. Жаропрочные сплавы, выплавленные в вакууме, как правило, характеризуются значительно большей длительной прочностью, чем выплавленные в обычных условиях.
Применение вакуума при выплавке нержавеющих сталей существенно повысило их антикоррозионную стойкость. Значительно повышается стойкость этих сталей против межкристаллической коррозии.
Вакуумирование позволяет значительно улучшить литейные свойства специальных сплавов и высоколегированных сталей, склонных из-за наличия в них легкоокисляющихся элементов к окислению и образованию значительного количества окисных пленок. Качество стали (и других специальных сплавов), выплавленной и разлитой в вакууме, выше, чем стали, выплавленной обычным способом, но подвергнутой впоследствии вакуумированию.
Плавку в вакууме можно производить в индукционных, электродуговых и электроннолучевых печах. В современных условиях заливку форм, находящихся под вакуумом, производят при одновременной плавке в вакууме. Металлурги издавна стремятся получить литые изделия из металлов и сплавов, сохранив при этом состав и свойства материала, присущие исходным. Это во многих случаях связано с экономическими соображениями, так как до 60% исходного материала приходится на литниковые системы и подлежат повторному переплаву. При плавке на воздухе от 3 до 10% металла теряется при образовании оксидных систем и уходит в шлак, что приводит к изменению химического состава сплавов и проблемам повторного использования отходов.
Появление новых сплавов с уникальными свойствами и жесткими параметрами по химическому составу, к тому же достаточно дорогих, привело к разработке способов защиты сплавов в процессе плавки и заливки с помощью вакуума или инертных газов. Наибольших успехов в этой области достигли металлургические предприятия Германии, США и Японии, о чем свидетельствует количество патентов в этой области, зарегистрированных за последнее десятилетие. Наиболее изученными способами литья с использованием вакуума являются: вакуумно-компресионный и с помощью вакуумного всасывания. В настоящее время зарубежные фирмы Германии, Японии, США производят достаточное количество оборудования такого типа. Существенным недостатком таких способов литья и установок, разработанных на их основе, является ограничение по применению металлов и сплавов для получения изделий, имеющих узкий интервал кристаллизации и низкие литейные свойства. Достаточно успешно такие установки применяются для литья благородных металлов и сплавов в ювелирном производстве, а также никелевых и кобальтовых сплавов в авиационной промышленности при изготовлении лопаток турбин.
Постоянно возрастающие требования к изделиям, полученным методом литья, таким как: физико-механические свойства, точность воспроизведения модели, получение протяженных деталей с размерами элементов 0,2—0,3 мм приводит к сложностям при использовании никелевых и особенно кобальтовых сплавов.
 Нами разработан способ получения литых изделий с использованием газодинамического удара, который лишен вышеперечисленных недостатков. При этом появилась возможность управлять условиями плавки сплавов, а также параметрами заливки. Это позволило получать протяженные детали из никелевых, кобальтовых сплавов, а также сплавов с высоким содержанием титана, циркония и др. с размерами элементов до 0,1 мм. Применение вакуума и аргона в качестве защитных средств при плавке и заливке сплавов делает возможным использование 100% материала при повторном переплаве без изменений химического состава. Способ литья с помощью газодинамического удара реализован нами в конструкции установки модель П-2000 «Универсал», предназначенной для литья дентальных сплавов в стоматологии. Литейная установка является универсальной вакуумной индукционной литейной машиной, которая осуществляет разработанный нами способ литья газодинамическим ударом.
 Машина позволяет работать со всеми сплавами, которые имеются на рынке, и, благодаря простоте в обслуживании, обеспечивает стабильные результаты даже у тех, кто не имеет достаточного опыта литья. Использование средних частот в литье позволяет получить высокое качество отливок благодаря гомогенизации сплава, а применение вакуума в процессе плавки и заливки решает проблему 100-процентного использования дорогостоящего металла при последующих многократных переплавах. При этом качество металла не ухудшается.
Принципиально новый электронный прибор нашего производства автоматически регулирует настройку машины для всего разнообразия стоматологических сплавов и тиглей.
Существенным преимуществом установки модели П-2000 «Универсал» является простота и надежность конструкции, отсутствие вращающихся частей, возможность плавки дентальных сплавов, в том числе с большим содержанием титана, высокое качество металла в изделии, возможность гарантированного получения изделия толщиной 0,1 мм, экологическая безопасность и 100-процентное использование металла. Новый способ получения литых ортопедических конструкций и разработанная на его основе установка модели П-2000 «Универсал» открывает новые возможности в получении не только высокого качества металла, но и достаточно тонких и точных зубных протезов, позволяющих устанавливать их на опорные зубы, обеспечивая достаточно высокие показатели био-совместимости.
Опыт использования указанного оборудования в течение года на кафедре ортопедической стоматологии КМАПО им. П. Л. Шупика и клинике ООО «Медгарант» свидетельствует о высоком качестве отливок металлических конструкций зубных протезов и о перспективе использования разработанных литейных установок в стоматологической практике.
ЛИТЕРАТУРА
1. Щербаков А. С, Гаврилов Е. И., Трезубое В. Н., Жулев Е. Н. Ортопедическая стоматология. / 5-е издание. — Санкт-Петербург: ИКФ «ФОЛИАНТ», 1998.
2. Жулев Е. Н. Частичные съемные протезы (теория, клиника и лабораторная техника). — Нижний Новгород, 2000.
3. Симе Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. — Москва: Металлургия, 1976.
4. Воздвиженский В. М., Грачев В. А., Спасский В. В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. — Москва: Машиностроение, 1984.
5. Ершов Ю. А., Плетнева Т. В. Механизмы токсичного действия не- их соединений. — Москва: Медицина, 1985.
6. Цибрык А. Н. Физико-химические процессы в контактной зоне металл-форма. —Киев: Наукова Думка, 1977. - 212 с. 7. Жулев Е. Н. Теория, клиника и лабораторная техника / 2-е издание. — Нижний Новгород: Издательство
| 
