Вы здесь

Вспомогательные материалы для лабораторных работ

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Металлы используются в зубоврачебной технике не только как конструкционные, но и как вспомогательные материалы в процессе изготовления протеза. Металлы для штампов, моделей, форм, проволоки, припои объединяются в группу вспомогательных металлов. Некоторые из них используются для изготовления временных аппаратов, предназначенных для исправления неправильно расположенных зубов и других целей. В большинстве случаев вспомогательные металлы используются в виде сплавов. В зуботехнической лаборатории для подсобных целей применяются следующие металлы: медь, алюминий, олово, висмут, сурьма, свинец, кадмий, цинк, магний (табл. 67).

Свойства металлов

Легкоплавкие сплавы. Легкоплавкие сплавы имеют большое значение для ряда зуботехнических работ. Из них изготовляют штампы и модели, которые применяют при изготовлении коронок, кламмеров и бюгельных протезов. К легкоплавким относят сплавы, которые имеют температуру плавления ниже точки плавления чистого олова (232 °С). Стоматологические легкоплавкие сплавы должны обладать следующими основными свойствами:



  • 1) легкоплавкостью, облегчающей отливку индивидуальных моделей штампов;
  • 2) относительной твердостью;
  • 3) хорошими литейными свойствами (жидкотекучесть);
  • 4) минимальной усадкой при охлаждении.

Легкоплавкие зуботехнические сплавы представляют собой трехкомпонентные системы на основе Еисмута, олова и свинца, иногда модифицируемые кадмием или индием. Присадка кадмия и индия резко (на 41—44 °С) снижает температуру плавления.

Основным компонентом легкоплавких сплавов является висмут, обладающий уникальным свойством расширяться при охлаждении. При охлаждении висмута от температуры кристаллизации (271 °С) до комнатной температуры коэффициент термического линейного расширения висмута изменяется от —16 • 10-6 до + 17,1 • 10-6 °С-1. Это значит, что висмут при охлаждении расширяется. При содержании в сплаве ~50% висмута почти полностью компенсируется за счет его расширения усадка олова и свинца. Такие сплавы обладают минимальной усадкой и наиболее пригодны для зуботехнических целей. Легкоплавкие сплавы, содержащие висмут, на воздухе не окисляются и имеют сероватый цвет. Одновременно висмут придает сплаву необходимые механические свойства и улучшает его литейные свойства (жидкотекучесть). Состав некоторых легкоплавких стоматологических сплавов приведен в табл. 68.

Состав легкоплавких сплавов

Низкая температура плавления легкоплавких сплавов обусловлена наличием в них ряда тройных эвтектических точек. Легкоплавкие сплавы представляют собой сплавы типа механических смесей. Сплав № 1 выпускается в виде цилиндрических блоков массой 60 г.

Проволока. В зуботехнической практике используется проволока из нержавеющей стали или из золотого сплава.

Проволока из нержавеющей стали используется для ортодонтических конструкций и изготовления кламмеров. Выпускается различных диаметров (от 0,6 до 1,5 мм). Размягчение нержавеющей стали наступает при температуре 700 °С. В небольшой массе металла, например в проволоке, при температуре 700—800°С размягчение происходит в течение нескольких секунд. Паяние проволоки при такой температуре вызывает размягчение проволоки, частичную потерю упругости и часто сопровождается выпадением карбидов хрома. При продолжительном паянии структурные изменения в проволоке могут настолько ухудшать ее свойства, что она не может быть использована. В этом отношении наилучшие показатели имеет проволока из нихрома (сплав из 80% хрома и 20% никеля), которая при нагреве не подвергается столь выраженным изменениям. Кроме того, нихромовая проволока лучше поддается холодной обработке и обладает более высокой сопротивляемостью к коррозии в полости рта. Поскольку температура перекристаллизации нихрома превышает точку плавления серебряного припоя, при паянии происходят незначительные изменения ее свойств.

Проволока из золотых сплавов по составу и свойствам приближается к золотым литьевым сплавам. В проволоках, содержащих менее 30% золота, много платины и серебра, и это сближает их с белыми золотыми сплавами. Проволоки, содержащие более 10% меди, подвергаются термообработке. Во многих случаях практический интерес представляет проволока, имеющая следующий состав: 45% Pt, 28% Au и 27% Pd. Трехкомпонентная проволока (Au, Pt, Pd) не изменяет своих свойств при нагреве и охлаждении, т. е. не подвергается термообработке.

Технологические и эксплуатационные свойства проволоки характеризуются следующими показателями: прочностью на растяжение, пределом пропорциональности, удлинением, твердостью и температурой плавления. При пайке важно знать температуру плавления сплава.

Температура плавления у проволоки несколько выше, чем у большинства золотых литьевых сплавов и ближе к температурам белых золотых сплавов.

Припои. При изготовлении зубных протезов часто возникает необходимость неразъемного соединения отдельных металлических частей — сварка и паяние.

Сваркой называется технологический процесс неразъемного соединения металлических деталей при высокой температуре. Для обеспечения прочного сращивания свариваемые места доводятся до высокопластического или расплавленного состояния. В промышленности применяется в основном электросварка, которая может осуществляться дуговым или контактным методом. При дуговой сварке нагрев происходит за счет дугового разряда. Максимальная температура при этом достигает 6000 °С.

Нагрев при контактной сварке вызывается джоулевым теплом, выделяемым при прохождении тока низкого напряжения и большой силы через свариваемое место. Контактная сварка производится на специальных машинах и эффективна при массовом производстве однотипных изделий.

Паяние — технологический процесс соединения металлических деталей в нагретом состоянии посредством другого металла или чаще сплава, расплавляемого между деталями. Паяние осуществляется при применении высокой температуры или погружением соединяемых деталей в расплавленный соединяющий металл с флюсом. При использовании тугоплавкого сплава нагрев производят горелкой или другим источником тепла. Применяемая в машиностроении газовая «сварка» с электродом представляет собой высокотемпературное паяние. В зубопротезной технике производится главным образом паяние. Для него используют специальные сплавы, с помощью которых достигается соединение однородных или разнородных металлов. Эти сплавы называются припоями.

Припои должны:

  • 1) по физико-механическим свойствам приближаться к спаиваемым металлам;
  • 2) иметь температуру плавления на 50—100°С ниже температуры плавления спаиваемых металлов, чтобы они не подплавлялись;
  • 3) обладать стойкостью против коррозии в полости рта;
  • 4) обеспечивать жидко-текучесть и хорошую смачиваемость очищенной поверхности спаиваемых металлических деталей;
  • 5) иметь узкий температурный интервал плавления;
  • 6) не давать раковин и пузырей (они образуются не только при несоблюдении правил паяния, но и вследствие интенсивного испарения летучих компонентов припоя); по цвету напоминать спаиваемые металлы.

В зависимости от прочности и температуры плавления припои делятся на мягкие и твердые. Мягкие припои представляют собой эвтектические сплавы олова и свинца. Оловянные припои имеют температуру плавления от 180 до 230 °С и применяются главным образом для паяния меди и латуни. В зубопротезировании мягкие припои находят ограниченное применение для изделий, используемых вне полости рта, в условиях, когда место спайки не подвергается большому давлению. Прочность на разрыв мягких припоев не превышает 20/40 МН/м2. Твердые припои имеют температуру плавления от 500 до 1100°С.

В идеальном случае состав припоя должен быть тождествен составу соединяемых металлов. Однако соблюсти первое условие не представляется возможным, так как во избежание расплавления соединяемых металлических частей припой должен плавиться при более низкой температуре, а это значит, что состав его должен быть иным. Для понижения температуры плавления зуботехнических припоев вводят присадки металлов с низкой температурой плавления (цинк, олово и др.). Для компенсации белящего влияния этих металлов в припое увеличивают процент содержания более темных металлов. Для получения прочного шва при паянии требуется, чтобы температура плавления припоя незначительно отличалась от температуры плавления основного металла.

Разность температур 50—100 °С позволяет избежать случайного расплавления спаиваемых частей.

Кроме того, плавление припоя должно протекать в узком интервале температур. В противном случае при паянии часть припоя расплавляется, а часть находится в полурасплавленном состоянии. Это ухудшает качество спая, так как для достижения необходимой текучести всей массы припоя часть его необходимо перегревать, а перегрев приводит к окислению низкопла-вящихся компонентов сплава, и шов бывает непрочным и пористым.



Исключительно важное значение имеет величина поверхностного натяжения расплавленного припоя. Поверхностное натяжение должно быть таким, чтобы расплавленный припой мог заполнять незначительные промежутки между спаиваемыми частями. При большой величине поверхностного натяжения на спаиваемой поверхности образуется шарик припоя и шов получается плохим. Текучесть припоя увеличивается с повышением температуры, поэтому расплавленный припой течет в направлении от холодных частей к горячим. Этим свойством пользуются в процессе паяния, передвигая пламя вдоль места спайки. Припой течет за пламенем и получается хороший шов. Иногда припои кладут на одну часть спаиваемой детали и ведут нагрев другой, встык приложенной детали. Перетекая к детали, припой заполняет щель и детали спаиваются. Для получения высокой прочности расстояние между деталями должно быть минимальным, чтобы между ними застывало лишь небольшое количество припоя.

Смачивание припоем соединяемых частей

При пайке соединяемые части остаются твердыми, а припой расплавляется. Соединение происходит вследствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного металла в зоне шва. Смачивание припоем поверхности соединяемых частей зависит от величины поверхностной энергии на границах раздела фаз металл — припой, флюс — припой и металл — флюс (рис. 67). Припой должен быть легкотекучим, т. е. хорошо распределяться и растекаться по чистой поверхности соединяемых металлических частей. От этого зависит его затекание в щели. Как правило, низкопробные припои более текучи в расплавленном состоянии, чем высокопробные, так как содержат цинк и олово. При пайке нескольких частей предпочтительнее применять низкопробные припои. Для вкладок и несъемных мостовидных протезов желательно использовать высокопробные припои. Припои, имеющие пробу ниже 600, рекомендуется применять для соединений деталей, а припои с пробой выше 650 — для спайки, требующей одновременно наращивания зуботехнического изделия. Медленно растекающиеся припои называют липкими.

Состав и свойства золотых припоев. Припои для соединения деталей из лигатурного золота представляют собой сплавы с различным содержанием золота (от 80 до 40%), серебра и меди, кадмия с небольшими добавками цинка и олова, которые модифицируют температуры плавления и текучесть. Содержание цинка и олова в припоях стабильно и меняется в пределах 2—4%. Количество золота в припое должно быть достаточным для обеспечения необходимой коррозионной устойчивости в полости рта. Минимальное содержание золота в сплаве должно быть не менее 60% (для некоторых составов допускается не ниже 58%). Цинк, олово и кадмий понижают точку плавления припоя за счет образования эвтектического сплава. С увеличением содержания меди, серебра и олова на 1% температура, при которой начинается плавление, снижается на 10—15 °С, а температура, при которой оно заканчивается, — на 24 °С. В качестве раскислителя в припои вводят небольшое количество фосфора для предотвращения окисления припоя при плавлении.

Белящее влияние цинка и олова компенсируют увеличением содержания меди. Однако количество меди нельзя резко увеличивать, так как при этом понижается текучесть припоя и увеличивается его температурный интервал плавления. Серебро, входящее в состав припоя, повышает его текучесть и снижает температурный интервал плавления припоя. Припои, содержащие больше серебра, чем меди, лучше смачивают поверхность спаиваемых деталей и их считают более удобными в работе.

Для каждой пробы лигатурного золота применяют специальный припой, подогнанный по цвету и температуре плавления. Цвет припоя подбирают, варьируя содержание в припое меди и серебра и остальных компонентов. При увеличении содержания меди цвет припоя изменяется до ярко-желтого, при увеличении содержания серебра — до бледно-желтого. Изменяя содержание меди и серебра, необходимо контролировать свойства припоя, так как при большом содержании меди получаются «липкие» припои (плавятся, но не текут).

Необходимо иметь в виду, что проба припоя не всегда соответствует содержанию в нем золота. Припой, как правило, имеет более низкую пробу, чем лигатурное золото, идущее для изготовления протеза. При паянии развивается высокая температура и кадмий, температура кипения которого 778 °С, частично улетучивается. За счет понижения его содержания проба припоя повышается.

Состав и температура плавления золотых припоев

Золотые припои имеют температуру плавления 745—870 °С. В табл. 69 приведен примерный состав и температура плавления золотых припоев. Прочность соединения пайки зависит не только от свойств припоев, но и от вида, размера и положения шва. Твердость припоя растет с уменьшением пробы и приблизительно равна твердости конструкционного литьевого сплава. Более низкое значение удлинения у припоев показывает, что они более хрупкие, чем литьевые сплавы.

При пайке руководствуются практическим правилом: при малых сечениях в случае больших нагрузок на изделие при его эксплуатации не следует применять припои с пробой выше 650. Изделия, спаиваемые в форме, имеют большую прочность благодаря закалке, если их медленно охлаждать после спайки, а не быстро в воде. Желательно получить повышенную твердость и более высокий предел пропорциональности, которые способствуют закалке путем медленного охлаждения, чем жертвовать прочностью с целью небольшого увеличения ковкости, так как все припои низкой пробы имеют малое удлинение.

Пределы температур плавления некоторых припоев

Существенным технологическим свойством припоя является диапазон температур, при которых припой еще сохраняет свою форму и начинает течь. У большинства золотых припоев этот диапазон температур составляет 40—53°С (табл. 70).

Состав и свойства серебряных припоев. В стоматологии серебряные припои используются для соединения деталей из нержавеющей стали. Эти припои представляют собой сплавы, основными компонентами которых являются серебро (10—80%), медь (15—50%) и цинк (4—35%). Иногда серебряные сплавы содержат кадмий, фосфор и другие металлы. Для паяния деталей из нержавеющей стали желательно применять припой, имеющий точку плавления не выше 700 °С, так как при более высокой температуре (см. нержавеющие стали) происходит выпадение карбидов хрома, что снижает сопротивляемость конструкции коррозии. Низкий диапазон температур плавления серебряных припоев достигается образованием эвтектического сплава Ag—Сu. Диапазон температур ликвидуса для припоев этого типа составляет от 625 до 845 °С, что намного ниже, чем у золотых припоев. В табл. 71 приведены некоторые составы серебряных и серебряно-кадмиевых припоев для нержавеющей стали. Детали из кобальтохромовых сплавов хорошо поддаются паянию при помощи золотого припоя 750-й пробы. Зуботехнические припои поставляются в виде стружки, стержней, проволоки и кубиков с ребром длиной 1 мм. Проволока удобна для ортодонтических работ. Для спаивания мелких деталей рекомендуются припои в виде кубиков, для общих работ — полоски.



Состав и температуры плавления серебряных припоев

Расплавлять припой в процессе паяния необходимо как можно быстрее; как только припой расплавится и получится шов, источник нагрева нужно немедленно удалить. Максимальная прочность шва достигается при использовании минимального количества припоя, который сращивается только с поверхностным слоем основного металла. При продолжительном нагреве взаимная диффузия проходит глубже, изменяется первоначальная структура, что приводит к ослаблению шва. При сплавлении на большую глубину припоя с металлом детали на участке стыка происходит замена ковкой кристаллической структуры более слабой кристаллической структурой отлитого металла. Кроме того, продолжительный нагрев может привести к рекристаллизации с образованием более крупных зерен при нагреве до температуры на 50—100 °С ниже точки плавления. Металлические части, которые подвергаются спаиванию, надо быстро нагреть, а по окончании процесса — быстро охладить, чтобы предотвратить возникновение внутрикристаллической коррозии.

Необходимо также иметь в виду, что перегрев при паянии нержавеющей стали может привести к выпадению карбидов хрома и, следовательно, к потере коррозионного сопротивления.

При нагреве припоя возможно окисление металлов, входящих в состав припоя и имеющих низкую температуру плавления. Появление окислов, естественно, ослабляет шов, ибо в этом случае возникает пористость его даже при наличии следов окислов. Прочность большинства припоев уступает прочности соединяемых металлов. Это обусловлено тем, что состав припоев составляется с учетом в основном точки его плавления и коррозионной стойкости. Однако прочность шва за счет диффузионного слоя может быть выше прочности чистого припоя. Для предотвращения растекания припоя по поверхности детали на расстоянии 2—2,5 мм от места спая при помощи карандаша наносят слой графита. Получение прочного шва, таким образом, требует минимальной толщины припоя. При паянии пламя не должно быть направлено на соединяемые части, пока не расплавится флюс и не образуется ровный слой по всей поверхности. Пайку надо проводить возможно быстро, избегая как перегрева, так и недогрева.

Перегрев вызывает:

  • 1) появление раковин в припое;
  • 2) прогорание тонких участков детали;
  • 3) потерю прочности шва;
  • 4) избыточное размягчение и ослабление деталей из золотого сплава;
  • 5) выпадение карбидов хрома при пайке деталей из нержавеющей стали.

При недогреве наблюдаются раковины, включения в шве, ослабленный шов. Плохо разогретый припой сворачивается в шарики.

Во время пайки иногда надо предохранить участки деталей от попадания припоя. В этом случае используют антифлюс, который наносят на защищаемую поверхность до наложения флюса и припоя. Припой не затекает на участки, обрабатываемые графитом (используют грифель карандаша). В качестве антифлюса можно применять окись железа или мел в спиртовой или водной суспензии. Их используют при высокотемпературном нагреве, если есть опасение, что графит выгорит. Если спаиваемые части при пайке соприкасаются, то в результате расширения наблюдается эффект отталкивания. При пайке в форме рекомендуется зазор между деталями ~0,13 мм, однако точных рекомендаций нет.