Деформируемый сплав на основе никеля для металлокерамических зубных протезов с повышенными физико- механическими характеристиками

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления металлических каркасов зубных протезов с керамическим покрытием. Техническим результатом изобретения является повышение горячей деформируемости сплава и увеличение выхода годного при металлургическом переделе, а также повышение уровня механических характеристик и снижение ТКЛР при сохранении уровня коррозионных и литейных свойств, а также обрабатываемости стоматологическими абразивами и полируемости сплава. Сплав на основе никеля для металлокерамических зубных протезов содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ниобий, железо бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод не более 0,03, кремний 0,9-1,6, марганец 0,3-0,8, хром 23,0-26,0, молибден 8,5-10,5, ниобий 0,8-1,7, железо не более 0,5, бор 0,001-0,020, иттрий 0,001-0,020, никель и неизбежные примеси остальное, при этом содержание никеля составляет не более 64 мас.%, а суммарное содержание молибдена и ниобия связано следующей зависимостью: [%Мо]+[%Nb]=9,7-11,7. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления металлических каркасов зубных протезов с керамическим покрытием.

Сплавы, предназначенные для этих целей, должны отвечать требованиям международного стандарта ИСО 6871-2-94 “Стоматологические литейные сплавы на металлической основе. Часть 2. Сплавы на основе никеля”, а также Российским стандартам ГОСТ Р 51767-2001 “Заготовки из сплавов на основе никеля для ортопедической стоматологии” и ГОСТ Р 51736-2001 “Металлокерамика стоматологическая для зубного протезирования”.

В соответствии с этими требованиями сплавы для литья металлокерамических зубных протезов должны:

- иметь хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть и минимальную усадку, позволяющие получать точные тонкостенные отливки металлических каркасов зубных протезов (коронок, мостов);

- иметь достаточную прочность и пластичность, чтобы исключить деформацию протеза в полости рта пациента; в соответствии с вышеупомянутыми стандартами предел прочности сплава (σ_0,2 должен быть не менее 250 Н/мм² при относительном удлинении не менее 3% и твердости по Виккерсу не менее 150 HV10;

- иметь невысокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к значению ТКЛР керамического покрытия;

- обеспечивать высокую адгезию с керамической облицовкой за счет создания на поверхности сплава прочной окисной пленки;

- иметь высокую коррозионную стойкость в полости рта, быть не токсичным и не канцерогенным;

- хорошо обрабатываться стоматологическими абразивами и полироваться.

Кроме того, по данным Всероссийского научно-исследовательского и испытательного института медицинской техники (ВНИИИМТ) для исключения возникновения аллергических реакций у пациентов при применении стоматологических сплавов на основе никеля (проявляющиеся в чувстве жжения слизистой оболочки, ее отечности и пр.) они должны содержать не более 65% никеля, а также не менее 20% хрома и 4% молибдена. В таком случае образующаяся окисная пленка препятствует миграции ионов никеля в окружающую среду (полость рта).

Известен сплав на основе никеля для зубных протезов, в том числе металлокерамических, содержащий следующие компоненты, мас.%:

Хром 22,0 - 25,0

Молибден 5,5 - 7,5

Кремний 2,0 - 4,5

Бор 0,25 - 0,50

Алюминий ≤0,2

Железо ≤0,5

Углерод ≤0,05

Медь ≤0,5

Марганец ≤0,5

Сера ≤0,01

РЗМ 0,05 - 0,20

Никель Остальное

(Европейский патент № 0275843 В1 МПК С 22 С 19/05, А 61 К 6/04, опубл. 08.07.1992 г.).

Свойства сплава следующие: твердость HV10=200-210; предел текучести σ_0,2=266 Н/мм²; предел прочности σ_в=470-518 Н/мм²; относительное удлинение δ=6,5-8%; ТКЛР в интервале температур 25-600°С 14,3÷15,1×10^-6К^-1.

Этот сплав, хотя имеет значения прочности, пластичности и твердости, отвечающие требованиям, указанным в вышеперечисленных стандартах, но исходя из опыта стоматологической практики этот уровень свойств невысокий, так как практически соответствует нижнему уровню, указанному в стандартах. Кроме того, данный сплав имеет достаточно высокие значения ТКЛР, что ограничивает возможность облицовки его различными фарфоровыми массами.

Известен сплав на основе никеля для изготовления литых зубных протезов с керамическим покрытием, содержащий следующие компоненты, мас.%:

Хром 23 - 25

Молибден 9 - 10

Кремний 1,4 - 1,9

Железо 0,5 - 1,0

Марганец 0,1 - 0,3

Углерод 0,008 - 0,02

Церий 0,03 - 0,1

Никель Остальное

(Патент РФ № 2048574, С 22 С 19/05, опубл. 20.11.1995 г.).

Свойства сплава: предел прочности σ_в=530-570 Н/мм², относительное удлинение δ=27-28%, твердость по Виккерсу 200-220 HV10, ТКЛР=13,9×10^-6 град^-1 в интервале температур 25-500°С.

Несмотря на то, что физико-механические свойства этого аналога выше, чем у предыдущего, они, исходя из опыта стоматологической практики, не достаточны для изготовления каркасов металлокерамических мостовидных протезов большой протяженности.

Наиболее близким аналогом изобретения является сплав для зубных протезов на основе никеля, содержащий следующие компоненты, мас.%:

Никель 58 - 68

Хром 18 - 23

Молибден 6 - 10

Ниобий + тантал 1 - 4

Железо 0,02 - 2,0

Кремний 0,01 - 0,5

Марганец 0,01 - 0,4

Титан 0,01 - 0,2

Алюминий 0,01 - 1,0

Углерод 0,01 - 0,1

РЗМ 0,05 - 5

(Патент ФРГ № 2946863, МПК С 22 С 19/05, А 61 К 6/04, опубл. 19.11.1987 г. - прототип).

Типичные свойства сплава: предел прочности σ_в - 527,3 Н/мм², предел текучести σ_0,2 - 379,7 Н/мм², относительное удлинение - 8%, твердость HV - 200, ТКЛР - 14×10^-6 град^-1.

Этот сплав имеет более высокие значения предела текучести, однако пластичность (удлинение) остается на низком уровне при тех же практически, как и у предыдущего сплава, достаточно больших значениях ТКЛР.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании деформируемого стоматологического сплава на основе никеля для металлокерамических зубных протезов, сочетающего следующий комплекс свойств:

- хорошую деформируемость в горячем состоянии, то есть технологичность при металлургическом переделе;

- повышенные механические характеристики (прочность и пластичность);

- пониженные значения ТКЛР в интервале температуры кристаллизации керамики 20-500 (600)°С, близкие к ТКЛР керамики, и хорошую к ней адгезию;

- высокую коррозионную стойкость и биосовместимость с тканями ротовой полости, отсутствие токсичности и канцерогенности;

- хорошие литейные свойства, обрабатываемость стоматологическими абразивами и полируемость.

Техническим результатом изобретения является повышение горячей деформируемости сплава и увеличение выхода годного при металлургическом переделе, а также повышение уровня механических характеристик и снижение ТКЛР при сохранении уровня коррозионных и литейных свойств, а также обрабатываемости стоматологическими абразивами и полируемости сплава.

Указанный технический результат достигается тем, что сплав на основе никеля для металлокерамических зубных протезов, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ниобий, железо, согласно изобретению для повышения деформируемости в горячем состоянии и комплекса физико-механических свойств он дополнительно содержит бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод Не более 0,03

Кремний 0,9 - 1,6

Марганец 0,3 - 0,8

Хром 23,0 - 26,0

Молибден 8,5 - 10,5

Ниобий 0,8 - 1,7

Железо Не более 0,5

Бор 0,001 - 0,020

Иттрий 0,001 - 0,020

Никель и неизбежные примеси Остальное

при этом содержание никеля составляет не более 64 мас.%, а суммарное содержание молибдена и ниобия связано следующей зависимостью:

[%Мо]+[%Nb]=9,7-11,7

Содержание углерода свыше 0,03% ухудшает обрабатываемость металлокерамических протезов стоматологическими абразивами.

Содержание кремния менее 0,9% не обеспечивает качественное литье тонкостенных зубных протезов, а увеличение его содержания свыше 1,6% может привести к образованию легкоплавких эвтектик и снижению горячей деформируемости сплава и выхода годного при металлургическом переделе.

Марганец в количестве менее 0,3% не обеспечивает жидкотекучесть сплава, а его содержание свыше 0,8% снижает механические характеристики.

При содержании хрома менее 23% снижаются прочность и коррозионная стойкость сплава.

При увеличении молибдена выше верхнего предела (10,5%) снижается пластичность и увеличивается температура плавления; при содержании молибдена ниже нижнего предела (8,5%) не обеспечиваются повышенные прочностные свойства.

Содержание ниобия менее 0,8% не оказывает существенного влияния на свойства сплава, а свыше 1,7% - нецелесообразно, так как снижаются модуль упругости и пластичность металла.

Железа в сплаве должно быть менее 0,5%, так как в противном случае оно увеличивает усадку сплава при литье и снижает качество окисной пленки, ответственной за прочность металлокерамического соединения.

Микролегирование бором и иттрием в количествах менее 0,001% неэффективно, а свыше 0,020% нецелесообразно, но в указанных пределах от 0,001 до 0,020% каждого они обеспечивают получение литой структуры сплава с относительно чистыми границами зерен, что дополнительно увеличивает способность сплава к горячей пластической деформации и тем самым увеличивает выход годного при металлургическом переделе.

Содержание никеля не должно превышать 64%, чтобы гарантированно предотвратить миграцию ионов никеля в окружающие среды (полость рта), которые могут вызвать аллергические реакции в организме человека (о чем говорилось выше).

Легирование молибденом и ниобием в сумме менее 9,7% не обеспечит получение низких значений ТКЛР, а их суммарное содержание свыше 11,7% приведет к снижению горячей деформируемости сплава.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Сплавы отливали с соблюдением строгих режимов технологии в вакуумно-индукционной печи на чистой шихте с разливкой в слиток. Слиток после высокотемпературного нагрева ковали на молоте на пруток, который резали на мерные заготовки по 15-20 г. Из этих заготовок центробежно-литым способом по технологии, принятой в зубопротезных лабораториях стоматологических клиник, отливали образцы в соответствии с ИСО 6871-2-94 и ГОСТ Р 51767-2001, которые затем испытывали по методикам, рекомендованным в вышеупомянутых стандартах.

Химический состав и свойства предложенных сплавов приведены в таблицах 1 и 2, соответственно.

Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что прочностные и пластические свойства предложенных сплавов выше уровня свойств прототипа. То же можно сказать и о значении ТКЛР, так как чем он ниже, тем с большим видом фарфоровых масс данный сплав может иметь прочное сцепление.

Кроме того, горячая пластическая деформация показала, что выход годного для предложенных составов №1-3 выше этого же показателя для известного сплава (прототипа) на 20%.

Проведенные коррозионные, санитарно-химические и токсикологические испытания предложенного объекта изобретения, а также испытания на прочность металлокерамического соединения показали, что сплав полностью отвечает всем требованиям, предъявляемым к сплавам на никелевой основе для зубного протезирования.

Таким образом, предложенный сплав превосходит прототип по уровню физико-механических свойств и технологичности при металлургическом переделе.

Формула изобретения

Сплав на основе никеля для металлокерамических зубных протезов, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ниобий и железо, отличающийся тем, что для повышения горячей деформируемости и комплекса физико-механических свойств он дополнительно содержит бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод Не более 0,03

Кремний 0,9-1,6

Марганец 0,3-0,8

Хром 23,0-26,0

Молибден 8,5-10,5

Ниобий 0,8-1,7

Железо Не более 0,5

Бор 0,001-0,020

Иттрий 0,001-0,020

Никель и неизбежные примеси Остальное

при этом содержание никеля составляет не более 64 мас.%, а суммарное содержание молибдена и ниобия связано следующей зависимостью:

[%Мо]+[%Nb]=9,7-11,7.