RU2044788C1

RU2044788C1 - Nickel base casting alloy for stomatology

Info

Publication number: RU2044788C1
Application number: RU9292003682A
Authority: RU
Inventors: В.П. Бунтушкин; В.Е. Ефимов; Е.Н. Каблов; Н.П. Павлова; Ю.А. Романов; Н.М. Скляров
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1995-09-27

Abstract

FIELD: metallurgy of alloys, namely for making metalloceramic dentures. SUBSTANCE: alloy contains (mass); silicium (4.0-5.0); aluminium (4.0-6.0); molybdenum (0.5-1.5); carbon (0.15-0.25), nickel-the balance. The above mentioned components form nickel alumosilicide, alloyed by small quantity of molybdenum and carbon. EFFECT: the best optimal combination of properties, necessary for casting alloys in metalloceramic denture making. 1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к металлургии сплавов, а именно сплавов, используемых в стоматологии для металло-керамического протезирования (цельнолитые каркасы для облицовки керамикой). The present invention relates to the metallurgy of alloys, namely alloys used in dentistry for metal-ceramic prosthetics (solid cast frames for ceramic cladding).

В настоящее время известны сплавы на основе никеля, применяемые в металлокерамическом протезировании для облицовки керамикой цельнолитых каркасов коронок и мостов (см. табл. 1), которые должны отвечать следующему комплексу требуемых свойств:
хорошие плавильные и литейные качества (невысокая температура плавления, возможность плавления на воздухе с образованием минимального количества шлака, высокая жидкотекучесть, заполнение тонких сечений толщиной до 0,3 0,5 мм, отсутствие горячих трещин и усадки);
возможность легкой механической обработки отлитых каркасов, что обычно гарантируется низкой твердостью сплава;
прочное сцепление с основным металлом пленки, образующейся после обжига на поверхности отливок, и достаточно светлый ее цвет, исключающий просвечивание сквозь слой керамики и потемнение зубов;
прочное сцепление между керамикой и цельнолитым каркасом и соответствующая величина коэффициента термического расширения (КТР) в диапазоне температур 20 600^оС, т.к. КТР сплава должен несколько превышать значение КТР керамики с тем, чтобы обеспечить требуемый уровень сжимающих напряжений в керамике после обжига отливок, облицованных керамикой;
хорошая способность цельнолитых каркасов сохранять форму, что обеспечивается повышенным значением предела текучести (σ_0,2) с гарантией от их разрушения, что обеспечивается определенным запасом пластичности (достаточно высокие значения удлинения δ и сужения площади поперечного сечения Ψ при растяжении);
высокая коррозионная стойкость и отсутствие токсичности сплава в среде полости рта;
и, наконец, невысокая стоимость и дефицитность используемых при производстве сплава материалов и процессов.At present, nickel-based alloys are known that are used in ceramic-metal prosthetics for ceramic cladding of solid cast frameworks of crowns and bridges (see Table 1), which must meet the following set of required properties:
good melting and casting qualities (low melting point, the possibility of melting in air with the formation of a minimum amount of slag, high fluidity, filling of thin sections with a thickness of up to 0.3 0.5 mm, the absence of hot cracks and shrinkage);
the possibility of easy machining of cast frames, which is usually guaranteed by low hardness of the alloy;
strong adhesion to the base metal of the film formed after firing on the surface of the castings, and its light enough color, excluding transmission through the ceramic layer and darkening of the teeth;
strong adhesion between ceramics and solid cast frame and the corresponding value of the coefficient of thermal expansion (CTE) in the temperature range of 20 600 ^about C, because The CTE of the alloy should slightly exceed the CTE value of the ceramic in order to provide the required level of compressive stresses in the ceramic after firing the castings lined with ceramic;
good ability of solid cast frames to maintain their shape, which is ensured by an increased yield strength (σ _0.2 ) with a guarantee against their destruction, which is ensured by a certain plasticity margin (sufficiently high values of elongation δ and narrowing of the cross-sectional area Ψ under tension);
high corrosion resistance and lack of toxicity of the alloy in the environment of the oral cavity;
and, finally, low cost and scarcity of materials and processes used in the production of alloys.

Выбор композиции того или иного сплава определяется стремлением к достижению наилучшего, оптимального сочетания указанных свойств, которые часто (см. табл. 1) взаимоисключают друг друга (например, снижение твердости с целью улучшения обрабатываемости сопровождается, как правило, снижением значений предела прочности и, главное, предела текучести, которое приводит к повышенной деформируемости сплава, что нежелательно). The choice of the composition of a particular alloy is determined by the desire to achieve the best, optimal combination of these properties, which are often (see Table 1) mutually exclusive (for example, a decrease in hardness in order to improve machinability is usually accompanied by a decrease in tensile strength and, most importantly , yield strength, which leads to increased deformability of the alloy, which is undesirable).

Известен сплав по заявке ФРГ N 3609132 (N 1 табл. 1), содержащий 50 67% никеля. Сплав выплавляют в вакууме 5 Па и разливают в прогретые литые формы в вакууме или атмосфере инертного газа при давлении 5 ˙ 10⁴ Па. Сплав обладает не очень высокими значениями пределов прочности и текучести. Сплав по патенту ФРГ N 3630321 (N 2 в табл. 1), содержащий 49 78% никеля, имеет более высокую твердость и более высокую пластичность, что улучшает его обрабатываемость, но достигнуто это ценою снижения величины предела текучести.Known alloy according to the application of Germany N 3609132 (N 1 table. 1) containing 50 67% of Nickel. The alloy is melted in a vacuum of 5 Pa and poured into heated cast forms in a vacuum or inert gas atmosphere at a pressure of 5 ˙ 10 ⁴ Pa. The alloy has not very high values of tensile strength and yield strength. The alloy according to the patent of Germany N 3630321 (N 2 in table. 1), containing 49 78% nickel, has a higher hardness and higher ductility, which improves its machinability, but this was achieved at the cost of reducing the yield strength.

Сплав по патенту США N 4812288 (N 3 в табл. 1), содержащий 62 70% никеля, обладает более высокими плавильными и литейными характеристиками по сравнению с ранее рассматриваемыми плавками, что гарантируется более высокой концентрацией кремния, но достигается это за счет роста твердости, т.е. ухудшения обрабатываемости, и снижения значительного предела текучести и пластичности. The alloy according to US patent N 4812288 (N 3 in table. 1), containing 62 70% of Nickel, has a higher melting and casting characteristics compared to previously considered melts, which is guaranteed by a higher concentration of silicon, but this is achieved due to the increase in hardness, those. deterioration of machinability, and reduction of a significant yield strength and ductility.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву является сплав по патенту ФРГ N 2713755 (N 4 в табл. 1), содержащий 67 71% никеля. Недостатком сплава является высокая твердость и низкая пластичность, т.е. затруднительная обрабатываемость сплава. Closest to the proposed alloy is the alloy according to the patent of Germany N 2713755 (N 4 in table. 1), containing 67 71% of Nickel. The disadvantage of the alloy is its high hardness and low ductility, i.e. difficult machinability of the alloy.

Общим недостатком известных сплавов является высокое содержание в них РЗМ (Co, La), введение и однородное распределение которых в литых сплавах весьма затруднительны, с чем и связаны значительные пределы разброса (0,1 1,5% ) их концентраций и, соответственно, свойств сплавов (см. табл. 1). Это объясняется тем, что основное требование к сплавам для металлокерамического протезирования хорошая адгезионная способность их к сцеплению с керамикой удовлетворяется пропорционально возрастанию концентрации РЗМ в сплаве, но одновременно с ее возрастанием увеличивается вероятность появления горячих трещин, что особенно сказывается в тонкостенных сечениях литых каркасов. A common drawback of the known alloys is the high content of rare-earth metals (Co, La) in them, the introduction and uniform distribution of which in cast alloys is very difficult, which is why significant scatter limits (0.1-1.5%) of their concentrations and, correspondingly, properties are associated alloys (see table. 1). This is explained by the fact that the main requirement for alloys for cermet prosthetics is their good adhesion to ceramic, which is satisfied in proportion to an increase in the concentration of rare-earth metals in the alloy, but at the same time, the likelihood of hot cracks increases, which is especially true in thin-walled sections of cast frames.

Другим общим недостатком известных сплавов является высокое (15 32%) содержание в них хрома, который обеспечивает высокую коррозионную стойкость сплавов, повышение концентрации которого приводит к образованию после обжига темной пленки, что ведет в дальнейшем к потемнению зубных протезов. Another common disadvantage of the known alloys is the high (15 32%) content of chromium in them, which provides high corrosion resistance of the alloys, the increase in the concentration of which leads to the formation of a dark film after firing, which further leads to darkening of dentures.

Технической задачей является создание такого сплава, который обладал бы наилучшим сочетанием свойств, требуемых в металлокерамическом протезировании. The technical task is to create such an alloy that would have the best combination of properties required in cermet prosthetics.

Техническая задача была решена следующим образом. Предложен сплав следующего состава (в по массе) алюминий 4,0-6,0; кремний 4,0 5,0; молибден 0,5-1,5; углерод 0,15-0,25; никель основа, который представляет из себя практически алюмосилицид никеля Ni₄AlSi, легированный небольшим количеством молибдена и углерода. Алюмосилицид никеля выбран в качестве основы по той причине, что интерметаллиды являются промежуточным классом материалов между металлами и керамикой. Вследствие чего обеспечивается основное требование к сплавам для металлокерамического протезирования хорошее их сцепление с керамикой, тем более, что алюмосилицид Ni₄AlSi наиболее близок по составу к стоматологической керамике. Последняя представляет собой шпинель SiO₂ ˙Al₂O₃. Сплав же перед нанесением керамики подвергается обжигу в низком вакууме, при котором на нем образуется пленка, содержащая окислы Al₂O₃ и SiO₂.The technical problem was solved as follows. An alloy of the following composition (in weight) aluminum 4.0-6.0; silicon 4.0 5.0; molybdenum 0.5-1.5; carbon 0.15-0.25; nickel base, which is practically an aluminosilicide of nickel Ni ₄ AlSi alloyed with a small amount of molybdenum and carbon. Nickel aluminum silicide is chosen as the basis for the reason that intermetallic compounds are an intermediate class of materials between metals and ceramics. As a result, the basic requirement for alloys for cermet prosthetics is their good adhesion to ceramics, especially since the aluminosilicide Ni ₄ AlSi is closest in composition to dental ceramics. The latter is spinel SiO ₂ ˙ Al ₂ O ₃ . The alloy, before applying the ceramics, is calcined in a low vacuum, at which a film containing Al ₂ O ₃ and SiO ₂ oxides is formed on it.

В отличие от известных сплавов, представляющих из себя твердые растворы на основе никеля, являющегося аллергеном, не должно по патенту США N 4812266 его содержание превышать 70% в предложенном же сплаве никель связан в сложный интерметаллид, снижающий поступление ионов никеля в среду полости рта, что подтверждается общеизвестной коррозионной стойкостью интерметаллидов. Кроме того алюмосилицид Ni₄ AlSi обладает целым рядом свойств для использования его в металлокерамическом протезировании, а именно: а) хорошие плавильные (t^о плавления1280^оС) и литейные свойства (минимальный температурный интервал кристаллизации, т.е. двухфазной твердо-жидкой области, обеспечивающей высокую жидкотекучесть и низкую усадку сплава при кристаллизации); б) хорошую обрабатываемость (объясняемую природой интерметаллидов, несмотря на достаточно высокую твердость сплава); в) светло-матовый цвет пленки после обжига, вследствие отсутствия в сплаве хрома; г) более высокие по сравнению с известными сплавами значения предела прочности, текучести, пластичности и низкий КТР, близкий по значению к керамике.Unlike known alloys, which are solid solutions based on nickel, which is an allergen, according to US patent N 4812266, its content should not exceed 70% in the proposed alloy, nickel is bound into a complex intermetallic compound, which reduces the flow of nickel ions into the oral cavity, which confirmed by the well-known corrosion resistance of intermetallic compounds. Furthermore alyumosilitsid Ni AlSi ₄ has a number of properties for use in sintered prosthesis, namely: a) a good melting (t ^of plavleniya1280 ^C) and castability (minimum crystallization temperature interval, i.e., the solid-liquid two-phase region, providing high fluidity and low shrinkage of the alloy during crystallization); b) good machinability (explained by the nature of the intermetallic compounds, despite the relatively high hardness of the alloy); c) the light matte color of the film after firing, due to the absence of chromium in the alloy; d) higher in comparison with the known alloys, the values of tensile strength, yield strength, ductility and low KTP, close in value to ceramics.

Введение в сплав небольшого количества молибдена в сочетании с углеродом повышает значения пределов прочности и текучести за счет образования карбида молибдена не ухудшая существенно обрабатываемости сплава. Избыточное по сравнению с образованием карбида содержание углерода повышает пластичность сплава и снижает опасное количество с точки зрения возникновения горячих трещин неметаллических включений за счет действия как при вакуумной выплавке сплава, так и при литье в открытых печах в условиях клиники. Для уточнения состава была выплавлена серия сплавов с переменной концентрацией легирующих элементов и определены их физические и механические свойства (табл. 2). The introduction of a small amount of molybdenum in combination with carbon increases the strength and yield strengths due to the formation of molybdenum carbide without significantly affecting the machinability of the alloy. Excessive carbon content in comparison with the formation of carbide increases the ductility of the alloy and reduces the dangerous amount from the point of view of the occurrence of hot cracks in non-metallic inclusions due to the action both during vacuum smelting of the alloy and during casting in open furnaces in a clinic. To clarify the composition, a series of alloys with a variable concentration of alloying elements was smelted and their physical and mechanical properties were determined (Table 2).

Сплавы выплавлялись по стандартной технологии на шихтовых материалах (никель, кремний, алюминий, молибден и углерод), используемых при производстве никельсодержащих сплавов. Alloys were smelted according to standard technology on charge materials (nickel, silicon, aluminum, molybdenum and carbon) used in the production of nickel-containing alloys.

Предложенный материал опробован для изготовления литых металлокерамических зубных протезов и мостов. При сравнительных исследованиях установлено, что предложенный материал имеет хорошие плавильные и литейные свойства, удовлетворительно обрабатывается медицинским инструментом, имеет качественную прочную связь с керамикой, светлый цвет и не токсичен. При сравнительных испытаниях известных и предложенного материала установлено, что прочность связи керамики с основой из предложенного материала в 3 4 раза выше. The proposed material has been tested for the manufacture of cast ceramic-metal dentures and bridges. In comparative studies, it was found that the proposed material has good melting and casting properties, is satisfactorily processed by a medical tool, has a high-quality strong bond with ceramics, is light in color and non-toxic. In comparative tests of the known and proposed materials, it was found that the bond strength of ceramics with a base of the proposed material is 3-4 times higher.

Таким образом, установлено, что применение предложенного материала позволяет повысить качество и надежность стоматологических изделий из-за высокого уровня твердости, прочности и предела текучести, а также лучшего сцепления со слоями керамики и более низкой токсичностью. Thus, it was found that the use of the proposed material improves the quality and reliability of dental products due to the high level of hardness, strength and yield strength, as well as better adhesion to ceramic layers and lower toxicity.

Claims

CASTING ALLOY ON THE NICKEL BASIS FOR DENTISTRY, containing silicon, molybdenum and carbon, characterized in that it additionally contains aluminum in the following ratio of components, wt.

Silicon 4 5
Aluminum 4 6
Molybdenum 0.5 1.5
Carbon 0.15 0.25
Nickel Else